姚福強，王永維，郝一楓，韋真博，虞嘉媛，陳夢媛，黃心瑤，王 俊

氣力式雜交水稻制種授粉機授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

姚福強，王永維※，郝一楓，韋真博，虞嘉媛，陳夢媛，黃心瑤，王 俊

（浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，杭州 310058）

針對當前雜交水稻制種對機械化授粉裝備的迫切需求，設(shè)計了氣力式雜交水稻制種授粉機。首先對其關(guān)鍵部件授粉管建立了計算流體力學模型，進一步以授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度與寬度為因素，以氣流出口流速變異系數(shù)、氣流覆蓋高度為指標，利用Design Expert軟件設(shè)計了三因素三水平的Box-Behnken仿真試驗，并對授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明：在授粉管內(nèi)徑為60～80 mm、氣流出口長度為100～200 mm、氣流出口寬度為4～10 mm的范圍內(nèi)，授粉管內(nèi)徑、氣流出口寬度及授粉管內(nèi)徑與氣流出口寬度的交互作用、氣流出口長度與寬度的交互作用、氣流出口寬度平方對氣流出口流速變異系數(shù)影響極顯著（<0.01）；授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度與寬度及二者的交互作用、授粉管內(nèi)徑與寬度的交互作用對氣流覆蓋高度的影響極顯著（<0.01）。授粉管較佳結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑64.49 mm，氣流出口長度、寬度分別為200.0、7.25 mm，此時出口氣流速度變異系數(shù)為9.10%，氣流覆蓋高度187.57 mm。為便于加工，選用授粉管內(nèi)徑61.5 mm的標準不銹鋼管，取氣流出口長度、寬度分別為200、7.5 mm并進行驗證試驗，氣流出口流速實測值與仿真值基本一致，實測流速變異系數(shù)為8.83%～9.25%，氣流出口流速分布均勻。研究結(jié)果可為氣力式雜交水稻制種授粉機參數(shù)優(yōu)化提供參考。

雜交水稻；制種授粉；計算流體力學；參數(shù)優(yōu)化；試驗驗證

0 引 言

雜交水稻為解決糧食問題做出了突出貢獻[1]。雜交水稻種子是其生產(chǎn)的基礎(chǔ)物質(zhì)，但水稻是非嚴格的自花傳粉作物，天然雜交率一般在0.2%～0.3%[2]，只有通過雜交制種才能獲得具有一定產(chǎn)量且保持雜交優(yōu)勢的種子，人工輔助授粉是保證雜交結(jié)實率、提高制種產(chǎn)量與質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

人工輔助授粉方式主要有人力式與機械式。人力式授粉主要有單長桿趕粉、雙短桿推粉以及繩索拉粉[3]，其中單長桿趕粉與雙短桿推粉是通過桿件將父本植株穗部推至母本區(qū)域，并通過抖動將穗部的花粉震落完成授粉，授粉的質(zhì)量高且均勻，適用于父母本種植行比為1∶4、2∶6、2∶8的小規(guī)模制種授粉，但存在勞動強度大、效率低的問題；繩索拉粉是兩人分別執(zhí)繩索兩端在田間行走，利用繩索拖動父本植株穗部向母本移動，使花粉脫落并向母本廂飄散實現(xiàn)授粉，但對父本植株損傷大、勞動強度高[4]，人力式授粉已無法滿足現(xiàn)代種業(yè)規(guī)模化的要求。

機械式授粉包括碰撞式與氣力式。碰撞式授粉是模擬人力竹竿“趕粉”，將花粉振落并向母本傳播實現(xiàn)授粉，湯楚宙等設(shè)計了一種雜交水稻繁種授粉試驗臺，并研究碰撞速度、碰撞角度以及碰撞位置對授粉效果的影響[5-6]，陳軍等模擬人工雙短桿推粉方式設(shè)計了碰撞式雜交水稻授粉機，并通過田間試驗獲得了較佳的工作參數(shù)[7-8]。但碰撞式授粉也存在對植株損傷大、工作效率低等問題[4]。氣力式授粉是利用定向氣流作用于父本穗部，氣流將穗部的花粉吹向母本完成授粉。王慧敏等在實驗室內(nèi)利用鼓風機使氣流持續(xù)作用單株父本20 s，研究了氣流速度、作用位置對花粉分布的影響[9-12]，這與實際田間氣力式授粉的作業(yè)工況不相符，通過風機直接產(chǎn)生的氣流場與氣力式授粉要求的定向氣流場也存在較大的差異，其流場特性對花粉飄移軌跡的影響不明確。周志艷等設(shè)計了涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機并進行田間授粉試驗[13]；王永維等分別試制了擊穗氣吹式雜交水稻授粉機與碰撞氣吹式授粉機[14-18]，通過田間試驗獲得了較好的工作參數(shù)，但僅適用于種植行比2∶6、2∶8小規(guī)模制種。近年來國內(nèi)學者也嘗試利用無人直升機旋翼產(chǎn)生的氣流進行授粉[19-21]，但花粉在無人直升機旋翼風場中運動特性、飄移軌跡等方面的研究成果缺乏，不能明確無人直升機授粉較佳作業(yè)參數(shù)。目前，機械式授粉尚缺乏適用的機型，開發(fā)適應(yīng)現(xiàn)代規(guī)模化種業(yè)機械化授粉裝備十分迫切。

針對當前雜交水稻制種對機械化授粉裝備的迫切需求，為適應(yīng)規(guī)?；品N高效授粉要求，設(shè)計了父母本種植行比為6∶（20～24）的氣力式雜交水稻制種授粉機，并對其關(guān)鍵部件——授粉管的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，為整機研制奠定基礎(chǔ)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

氣力式雜交水稻制種授粉機由手扶動力底盤、授粉管、流速傳感器、鼓風機、升降機構(gòu)、蓄電池、控制器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.動力底盤 2.蓄電池 3.控制器 4.流速傳感器 5.側(cè)邊授粉管 6.中間授粉管 7.中央授粉管 8.鼓風機 9.升降機構(gòu)

授粉管用于輸出定向氣流，結(jié)構(gòu)均為L型，其垂直段上端為氣流入口并接鼓風機出口，水平段的前端封閉且為半球形分禾器；根據(jù)氣流流向要求，授粉管有側(cè)邊授粉管、中間授粉管、中央授粉管3種結(jié)構(gòu)型式，其中側(cè)邊授粉管、中間授粉管的水平段前部水平中心面一側(cè)開有氣流出口，中央授粉管的水平段前部水平中心面兩側(cè)均開有氣流出口。以中央授粉管為中心兩側(cè)依次設(shè)置中間授粉管、側(cè)邊授粉管，共5支授粉管均布安裝在支架上構(gòu)成授粉部件。升降機構(gòu)為絲桿滑塊機構(gòu)，固定在手扶動力底盤前中部，授粉部件安裝在升降機構(gòu)前部并可上下移動，使授粉管氣流出口位于父本穗部區(qū)域。流速傳感器伸入授粉管內(nèi)以實時獲取管內(nèi)氣流速度，各授粉管內(nèi)空氣流速通過控制器設(shè)定，控制器接收流速傳感器信號并控制各鼓風機，使授粉管內(nèi)氣流速度保持在設(shè)定值[22]。

1.2 工作原理

雜交水稻授粉時駕駛氣力式雜交水稻制種授粉機至制種田，采用種植行比為6∶（20～24）的父母本種植模式。

授粉時手扶動力底盤行駛在6行父本中心處的2行父本之間，此時5支授粉管水平段分別位于6行父本的行間，即中央授粉管位于中心處2行父本間，中間授粉管、側(cè)邊授粉管依次位于中心處外側(cè)的2個父本壟間；利用升降機構(gòu)調(diào)節(jié)授粉部件高度，使授粉管氣流出口位于父本穗?yún)^(qū)中下部。啟動授粉部件通過控制器設(shè)定各支授粉管氣流出口流速，同時控制器實時接收流速傳感器檢測的各授粉管內(nèi)流速，并控制鼓風機使各授粉管氣流出口流速與設(shè)定值一致。隨著整機的前進各授粉管分別在對應(yīng)的父本行間運行，中央授粉管兩側(cè)氣流出口的氣流分別作用于中間2行父本穗部，中間授粉管、側(cè)邊授粉管一側(cè)氣流出口的氣流分別作用于次外側(cè)和最外側(cè)父本穗部，在以上定向氣流作用下，父本穗部花粉脫離并隨氣流向外側(cè)飄移至母本廂，隨著氣流速度衰減花粉在母本廂沉降至母本穗柱頭實現(xiàn)授粉。

2 授粉管流體力學模型

授粉管是氣力式雜交水稻制種授粉機的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響氣流速度及分布、花粉脫離與飄移，從而影響授粉效果，因此需對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

2.1 物理模型

授粉管主體為圓管，因側(cè)邊授粉管、中間授粉管、中央授粉管3種型式結(jié)構(gòu)類似，現(xiàn)僅以中央授粉管為例進行分析。中央授粉管結(jié)構(gòu)如圖2，管體前端為分禾器，前部中心水平兩側(cè)開設(shè)氣流出口，氣流出口下側(cè)設(shè)有導流板，后端為氣流入口。

1.氣流入口 2.管體 3.導流板 4.氣流出口 5.分禾器

2.2 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

為降低授粉管外流場數(shù)值仿真計算量，創(chuàng)建以授粉管為中心的長方體氣體計算區(qū)域，且基本能覆蓋父本區(qū)穗部。因中間授粉管、側(cè)邊授粉管、中央授粉管結(jié)構(gòu)類似，僅以中央授粉管為例進行仿真。經(jīng)實測可知陵27優(yōu)49父本穗長在完全抽穗后一般為180～230 mm，計算域高度取240 mm；依據(jù)現(xiàn)有插秧機行距基本為250 mm規(guī)格，中央授粉管中心線至最外側(cè)父本邊界中心625 mm，估取計算域長為1 200 mm；依據(jù)仿真試驗用授粉管氣流出口最大尺寸為200 mm，取計算域長寬為400 mm。

由于計算域結(jié)構(gòu)工整，采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進行劃[23]；為簡化計算、提高網(wǎng)格質(zhì)量，將導流板簡化為矩形水平面并進行網(wǎng)格劃分；由于授粉管內(nèi)部與氣流出口流速波動較大，采用小尺寸的網(wǎng)格劃分；靠近授粉管的外流場氣流分布較為穩(wěn)定，采用2倍尺寸的網(wǎng)格劃分；遠離授粉管的外流場采用4倍尺寸的網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格總數(shù)為2 643 969，劃分結(jié)果如圖3。

1.授粉管內(nèi)流場 2.授粉管外流場

2.3 控制方程

授粉管中的空氣流動為湍流流動，其壁面光滑、管內(nèi)不存在強旋流或者彎曲壁面等復雜流動，壓力變化小，空氣可視為不可壓縮流體，所以控制方程采用-標準模型[24]。

2.4 邊界條件與數(shù)值求解

授粉管氣流入口通過軟管與鼓風機氣流出口連通，氣流出口與外界空氣直接連通，因此授粉管氣流入口的邊界條件設(shè)定為速度入口，氣流出口邊界條件定義為壓力出口，相對壓力為0，其余面設(shè)置為墻面。由于仿真需保持氣流出口氣流速度相同，所以氣流入口的氣流速度通過氣流入口與氣流出口的氣流通量相等換算[24]。

采用壓力耦合方程組的半隱式算法和一階迎風離散格式對數(shù)值方程進行迭代計算，并設(shè)定殘差收斂值為10-5直至殘差收斂。

3 授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 單因素試驗與結(jié)果分析

3.1.1 試驗因素與方案

授粉要求氣流速度均勻且氣流方向有利于花粉向母本廂飄移。影響授粉管氣流出口流速的主要因素有授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度與寬度，以及設(shè)定的授粉氣流速度。授粉管內(nèi)徑主要影響授粉管內(nèi)速度，從而影響外流場的流速分布，初步選擇授粉管內(nèi)徑為40～80 mm；氣流出口長度、寬度影響授粉管內(nèi)流量，氣流出口寬度同時影響氣流在垂直面擴散的范圍，根據(jù)實測的陵27優(yōu)49父本穗長在完全抽穗后一般為180～230 mm，依據(jù)噴頭射流理論[25]初步確定氣流出口的寬度范圍為4～12 mm；在相同作業(yè)速度時，氣流出口長度同時影響氣流作用于父本穗部的時間，因暫無相關(guān)研究成果，取氣流出口長度100～200 mm；前期試驗表明，氣流出口處流速21 m/s時，花粉在母本廂分布均勻，基本滿足大行比授粉要求[26]，因此設(shè)定氣流出口平均氣流速度為21 m/s。

設(shè)定授粉管不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時其氣流出口均為21 m/s，將氣流出口長度、寬度分別固定為150、8 mm時，對內(nèi)徑為40、50、60、70、80 mm的授粉管外部流進行仿真；將授粉管內(nèi)徑設(shè)定為60 mm，氣流出口長度設(shè)定為150 mm，對氣流出口寬度范圍為4、6、8、10、12 mm的授粉管外部流進行仿真；將授粉管內(nèi)徑設(shè)定為60 mm，氣流出口寬度設(shè)定為8 mm，對氣流出口長度為100、125、150、175、200 mm的授粉管外流場進行仿真[27]。通過授粉管水平中心面外流場速度分布云圖分析各因素的影響。

3.1.2 結(jié)果與分析

將授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度與寬度3個因素中的2個均設(shè)定為平均值時，對不同結(jié)構(gòu)授粉管氣流出口的速度分布進行數(shù)值仿真，獲得單因素對授粉管水平中心面外流場速度分布的影響如圖4。

由圖4a知，授粉管內(nèi)徑40～80 mm的范圍內(nèi)，隨著內(nèi)徑的減小，授粉管外部氣流方向與授粉管中心線的垂直程度逐漸降低。授粉時要求氣流盡量垂直授管中心向外側(cè)擴散，當內(nèi)徑大于60 mm時，外流場氣流方向趨于垂直授粉管中心線，因此較佳的內(nèi)徑為60 mm。由圖 4b、4c知，隨著氣流出口長度、寬度的增大，授粉管外流場氣流速度沿授粉管中心線的分量逐漸增加，較大的氣流出口長度、寬度時外流的氣流分布不符合授粉所要求，較佳的氣流出口長度、寬度分別為100～150、4～8 mm。造成氣流分布不符合授粉氣要求的主要原因是：當授粉管內(nèi)徑減小、氣流出口長度與寬度增大時，為保證出口的氣流速度和管內(nèi)所需的流量增加，氣流速度顯著增加，在氣流慣性作用下沿授粉管中心線方向的速度分量增加。

3.2 正交試驗與結(jié)果分析

3.2.1 試驗設(shè)計

授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)對其外氣流場分布有明顯影響，且各參數(shù)間存在一定的交互作用，為了獲得較佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，需建立各因素及其交互作用對氣流速度分布影響。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用Box-Behnken Design進行仿真試驗設(shè)計[28]，試驗因素水平如表1。

表1 試驗因素水平及編碼

授粉管氣流出口流速均勻且能覆蓋父本穗?yún)^(qū)的氣流是確保授粉質(zhì)量的關(guān)鍵，因此以氣流出口處流速變異系數(shù)、氣流覆蓋高度作為仿真試驗的指標。試驗時，氣流出口平均氣流速度仍設(shè)定為21 m/s，在氣流出口處沿長度方向等間距選取30個點的氣流速度并計算其變異系數(shù)。依據(jù)現(xiàn)有插秧機規(guī)格知父本種植行距為250 mm，授粉管氣流作用相應(yīng)的父本行較遠的父本穗在自由狀態(tài)時一般不超過兩父本行中心線，故截取距離授粉管軸心處250 mm處仿真試驗結(jié)果的垂直截面速度分布云圖，并對該截面應(yīng)用MATLAB R2019a軟件進行二值化處理，獲得氣流擴散圖高度即為氣流覆蓋高度。

圖4 不同授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)下的中線處水平外流場速度分布云圖

3.2.2 仿真試驗結(jié)果

按照上述試驗設(shè)計方法進行仿真試驗，共計17組試驗，中心點重復5次，試驗方案與結(jié)果如表2。

表2 試驗方案與結(jié)果

3.2.3 試驗結(jié)果分析

氣流出口流速變異系數(shù)與氣流覆蓋高度的方差分析結(jié)果如表3。

表3 方差分析

注：*表示顯著（<0.05）；**表示極顯著（<0.01）。

Note: *means significant (<0.05); **means extremely significant<0.01).

由表3知，在<0.05水平上、L對氣流出口流速的影響不顯著、對氣流覆蓋高度的影響不顯著；2個指標回歸模型的<0.01、決定系數(shù)2分別為0.97與0.98，失擬項值分別為0.08與0.07，均大于0.05，表明氣流出口氣流速度變異系數(shù)回歸模型的方程擬合精度好[29]。將不顯著項剔除后，得到以各因素編碼值為自變量的氣流出口氣流速度變異系數(shù)與氣流覆蓋高度的回歸方程分別為

CV2.09-3.611.862.99-4.13-3.682.21213.922（2）

151.33-17.6816.3230.92-11.7712.48（3）

依據(jù)氣流出口氣流速度變異系數(shù)各因子系數(shù)的絕對值大小知[29]，對氣流出口氣流速度變異系數(shù)影響的主次關(guān)系依次為W、、、、、D、；各因素對氣流覆蓋高度貢獻率從大到小依次為、、、、。為了獲得授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用對氣流出口流速變異系數(shù)與氣流覆蓋高度的影響，對影響2個指標顯著的交互作用繪制響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖5。

圖5 各因素交互作用對各指標影響的響應(yīng)曲面

由圖5a知，當氣流出口長度為150 mm時，隨著授粉管內(nèi)徑、氣流出口寬度的增加，授粉管內(nèi)徑對氣流出口流速變異系數(shù)的影響是單調(diào)減小的，即有利用提高氣流出口流速的均勻性；氣流出口寬度對氣流出口流速變異系數(shù)的影響呈先減小后增加的趨勢。當氣力式授粉管內(nèi)徑為75～80 mm、氣流出口寬度為5～7.5 mm時，氣流出口流速變異系數(shù)存在極小值，此范圍內(nèi)氣流出口處流速度分布均勻，是較佳的授粉管內(nèi)徑、氣流出口寬度范圍。

由圖5b知，當授粉管內(nèi)徑為70 mm時，隨著氣流出口長度、氣流出口寬度的增加，氣流出口長度對氣流出口流速變異系數(shù)的影響先減小后增大，但趨勢不明顯；氣流出口寬度對氣流出口流速變異系數(shù)的影響呈先減小后增大的趨勢。當氣流出口長度為100～150 mm、氣流出口寬度為5～7 mm時，氣流出口流速變異系數(shù)存在極小值，即氣流速度分布均勻，是較佳的氣流出口長度與寬度范圍。

由圖5c知，當氣流出口寬度為7 mm時，隨著授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度的增加，授粉管內(nèi)徑對氣流覆蓋高度的影響是單調(diào)遞減的，即氣流覆蓋高度逐漸減?。粴饬鞒隹陂L度對氣流覆蓋高度的影響呈單調(diào)增加的趨勢。當授粉管內(nèi)徑為60～65 mm、氣流出口長度為150～200 mm時，氣流覆蓋高度存在極大值，此時氣流的覆蓋高度較大。

由圖5d知，當授粉管內(nèi)徑為70 mm時，隨著氣流出口長度與寬度的增加，氣流出口長度對氣流覆蓋高度的影響是單調(diào)遞增的，氣流出口寬度對氣流覆蓋高度的影響也是呈單調(diào)增加的趨勢。當氣流出口長度為160～200 mm、氣流出口寬度為7～10 mm時，氣流覆蓋高度存在極大值，此時氣流覆蓋高度較大。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了獲得最佳的授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要綜合考慮授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度、氣流出口寬度對氣流出口氣流速度變異系數(shù)與氣流覆蓋高度的影響，試驗將2個指標設(shè)置相同權(quán)重，進行雙目標的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。其中要達到的目標為氣流出口氣流速度變異系數(shù)最小、氣流覆蓋高度最大，其約束條件為

通過優(yōu)化得到的授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)為授粉管內(nèi)徑64.49 mm，氣流出口長度、寬度分別為200、7.25 mm，此時氣流出口流速變異系數(shù)為9.10%，氣流覆蓋高度187.57 mm。為了方便加工，授粉管選用標準不銹鋼圓管，取其直徑與優(yōu)化值接近的不銹鋼圓管，最終確定授粉管的結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑61.5 mm（壁厚1 mm）、氣流出口長度為200.0 mm、氣流出口寬度為7.5 mm，以此參數(shù)構(gòu)建模型進行仿真得到的流速變異系數(shù)為9.14%，氣流覆蓋高度186.31 mm，基本接近最優(yōu)值。

3.4 試驗驗證

為驗證仿真試驗結(jié)果的正確性，設(shè)計了驗證試驗平臺如圖6，主要由機架、授粉管、渦街流量計（型號：LUGB-MIK-DN65，量程：53～780 m3/h，精度等級：1.5級）、鼓風機（型號：CZR-LY80，額定流量1 080 m3/h）和流量閥等組成。授粉管為標準不銹鋼管，外徑63.5 mm（壁厚1 mm），氣流出口長度、寬度分別為200、7.5 mm；鼓風機為授粉管的氣源，利用渦街流量計測量管路中的空氣流量，并通過流量閥調(diào)節(jié)流速至計算設(shè)定值。試驗時按氣流出口平均流速21 m/s的設(shè)定值調(diào)節(jié)授粉管氣流量至設(shè)定流量，并沿氣流出口長度方向等間距選取30個測點，利用手持熱線式風速儀（型號：DT-8880，量程：0.1～25.0 m/s，精度：0.01 m/s）測量各測點氣流速度，并計算氣流速度變異系數(shù)。

1.機架 2.授粉管 3.渦街流量計 4.鼓風機 5.流量閥

授粉管氣流出口流速設(shè)定為21 m/s時，檢測氣流出口長度方向等距分布的30個測點的氣流速度，并計算氣流速度平均值。重復測量3次，結(jié)果如表4。由表4知，授粉管氣流出口流速設(shè)定為21 m/s時，授粉管氣流出口平均流速測定值接近設(shè)定值，相差僅0.27～0.36 m/s，相對誤差為1.28%～1.71%，氣流出口流速較準確；同時，實際測量獲得的流速變異系數(shù)為8.83%～9.25%，與仿真結(jié)果（9.14%）相近，滿足授粉對氣流出口流速均勻、穩(wěn)定的要求。

表4 氣流速度變異系數(shù)

4 結(jié) 論

1）在授粉管內(nèi)徑為60～80 mm、氣流出口長度為100～200 mm、氣流出口寬度為4～10 mm的范圍內(nèi)，授粉管內(nèi)徑、氣流出口寬度授粉管內(nèi)徑與氣流出口寬度的交互作用、氣流出口長度與氣流出口寬度的交互作用以及氣流出口寬度平方對氣流出口流速變異系數(shù)影響極顯著（<0.01），氣流出口長度、授粉管內(nèi)徑平方對氣流出口流速變異系數(shù)影響顯著（<0.05），各因素及交互作用對流速變異系數(shù)影響從大到小依次為氣流出口寬度平方、授粉管內(nèi)徑與氣流出口寬度之積、氣流出口長度與寬度之積、授粉管內(nèi)徑、氣流出口寬度、授粉管內(nèi)徑平方、氣流出口長度，授粉管內(nèi)徑與氣流出口長度交互作用對流速變異系數(shù)影響不顯著（>0.05）；授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度與寬度及二者的交互作用、授粉管內(nèi)徑與寬度的交互作用對氣流覆蓋高度的影響極顯著（<0.01），影響主次關(guān)系依次為氣流出口寬度、授粉管內(nèi)徑、氣流出口長度、氣流出口長度與寬度的交互作用、授粉管內(nèi)徑與氣流出口長度的交互作用，授粉管內(nèi)徑與氣流出口寬度的交互作用對氣流覆蓋高度的影響不顯著（>0.05）。

2）以流速變異系數(shù)最小、氣流覆蓋高度最大進行雙目標優(yōu)化，獲得授粉管較佳的結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑64.49 mm、氣流出口長度、寬度分別為200、7.25 mm。

3）為便于加工，授粉管采用內(nèi)徑為61.5 mm的標準不銹鋼管，氣流出口長度、寬度分別為200、7.5 mm，在氣流出口流速設(shè)定為21 m/s時，氣流出口流速的仿真值與實測值接近，相對誤差為1.28%～1.71%；氣流出口流速變異系數(shù)為8.83%～9.25%，與仿真結(jié)果相近，流速分布均勻，表明授粉管流體力學模型準確，仿真結(jié)果可靠。

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Optimization of the structural parameters of pollination pipe for pneumatic hybrid rice breeding pollination machines

Yao Fuqiang, Wang Yongwei※, Hao Yifeng, Wei Zhenbo, Yu Jiayuan, Chen Mengyuan, Huang Xinyao , Wang Jun

(,,310058,)

Hybrid rice has made outstanding contributions to solving the world's food problems, and seed production is a key link in the production of hybrid rice. In response to the current urgent need for mechanized pollination equipment for hybrid rice production, a pneumatic hybrid rice pollination machine was designed, it is mainly composed of power chassis, battery, controller, air velocity transducer, side pollination, middle pollination pipe, central pollination pipe, fan and lifting part. Firstly, a computational fluid dynamics model was established for its key component pollination pipe, the structure of the pollination pipe includes inlet, body, deflect, outlet and divider. Moreover, in order to explore the law of flow field distribution of pollination pipe, a single factor experiment was designed, with the diameter of pollination pipe, outlet length and outlet width as factors. The experiment results showed that with the increase of diameter of pollination pipe and the decrease of outlet length and width, the acute angle between the direction of the external airflow and the centerline of the pollination pipe increased, which was consistent with the requirement that the airflow was far as possible perpendicular to the center of the pipe during pollination. The better range of pollination pipe structure parameters was that diameter of pollination pipe was greater than 70 mm, and outlet length and width were 100-150 and 4-8 mm respectively. Furthermore, a three-factor and three-level Box-Behnken simulation experiment was designed taking the variable coefficient of airflow velocity and cover height of airflow as targets with Design Expert software to obtain better pollination pipe structure parameters, and the parameters of the pollination pipe structure were optimized. The results showed that the range of diameter of pollination pipe from 60 mm to 80 mm, outlet length from 100 mm to 200 mm, outlet width from 4 mm to 10 mm, diameter of pollination pipe, outlet width and interaction between diameter of pollination pipe andoutlet width, outlet length and outlet width, square of outlet width had significant effects on variable coefficient of airflow velocity, and the influences of various factors on it as follows from large to small were square of the outlet width, interaction between diameter of pollination pipe andoutlet width, interaction between outlet length and outlet width, diameter of pollination pipe, outlet width, square of diameter of pollination pipe, outlet length; diameter of pollination pipe, outlet length, outlet width and their interaction betweenoutlet length and outlet width, diameter of pollination pipe and outlet width has a significant effect on cover height of airflow, influence of various factors on it as follows from large to small is outlet width, diameter of pollination pipe, outlet length, interaction between outlet length and outlet width,diameter of pollination pipe and outlet length. The optimization of structure parameters of pollination pipe was that diameter of pollination pipe 64.49 mm, outlet length and width was 200 and 7.25 mm, the variable coefficient of airflow velocity was 9.10% at this condition, and cover height of airflow was 187.57 mm. In order to facilitate processing, a standard pollination pipe with an inner diameter of 61.5 mm was selected, and outlet length and width were 200 and 7.5 mm respectively for verification experiments. The measured value of the air outlet flow velocity was basically the same as the simulation value, the measured variable coefficient of airflow velocity was 8.83%~9.25%, and the cover height of airflow was evenly distributed. The research results can provide a theoretical reference for the optimization of the parameters of the pneumatic hybrid rice seed production pollination machine.

hybrid rice; breeding pollination; computational fluid mechanics; parameter optimization; experimental verification

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.003

S23

A

1002-6819(2020)-18-0018-08

姚福強，王永維，郝一楓，等. 氣力式雜交水稻制種授粉機授粉管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(18)：18-25.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.003 http://www.tcsae.org

Yao Fuqiang, Wang Yongwei, Hao Yifeng, et al. Optimization of the structural parameters of pollination pipe for pneumatic hybrid rice breeding pollination machines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 18-25. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.003 http://www.tcsae.org

2020-06-22

2020-09-08

國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFD0701202），國家自然科學基金（31971796），國家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金項目（CARS-01-102），浙江大學大北農(nóng)學科發(fā)展和人才培養(yǎng)基金

姚福強，主要從事雜交水稻制種授粉機械研究。Email：fqyao@zju.edu.cn

王永維，副教授，博士生導師，主要從事雜交水稻制種機械研究。Email：wywzju@zju.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學會會員（E0412000069S）