邢凱，高曉宏，戴曉軍，王強，張平，周海燕

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，呼和浩特市，010010；2.土壤植物機器系統(tǒng)技術國家重點實驗室，北京市，100083)

0 引言

隨著我國生態(tài)建設與土地改革的不斷推進，對大型播種機的需求日益增加，如何提高播種機作業(yè)效率，成為國內(nèi)研究的熱點。目前，提高播種機作業(yè)效率的有效辦法是增加播種行數(shù)，奧地利AEROSEM 4002播種機的播種行數(shù)為32行；法國ESPRO 6000工作幅寬為6 m，播種行數(shù)可達40行；美國DB90系列氣吸式條播機工作幅寬可達27 m，播種行數(shù)54行，DB120系列播種機工作幅寬36 m，播種行數(shù)48行。國內(nèi)大型氣力式播種機仍處于發(fā)展階段，9BQM-3.0免耕播種機作業(yè)幅寬為3 m，播種行數(shù)為18行。對比國內(nèi)外大型播種機，當作業(yè)幅寬為3 m或3 m以上時，大部分采用氣力式，因為氣力式播種機具有排種速度快、種箱寬度不受作業(yè)寬度影響、集中排種可降低排種器堵塞的概率、可實現(xiàn)開溝器整體折疊，減小運輸寬度等優(yōu)點。分配器是氣力式播種機的重要部件，其結構直接影響排種均勻性和排種過程對種子的破壞程度。目前，對氣力式播種機分配器的研究集中于大田作物和肥料領域，對于牧草領域研究較少，特別是禾本科類牧草。鄒翌等[1]利用EDEM-Fluent耦合仿真方法，對水稻在分配器中的運動過程進行數(shù)值模擬，優(yōu)化分配器結構參數(shù)，結合試驗驗證確定了最佳分配器結構；常金麗等[2]根據(jù)集中式排種器的技術要求，對排種定量器、分配器和風機進行設計，對平蓋、圓錐蓋和上凸蓋三種不同結構分配器進行對比試驗，結果表明上凸蓋結構最節(jié)約能量。李中華等[3]利用Fluent軟件對苜蓿種子在分配器中運動狀態(tài)進行模擬分析，分析結果表明Y形分配器中氣流比較流暢，避免渦流產(chǎn)生。楊慶璐等[4]通過離散元法與計算流體動力學耦合仿真方法進行分肥裝置顆粒運動數(shù)值分析，模擬仿真和臺架試驗結果表明，分配器旋蓋錐角為120°、波紋管直徑為80 mm時，氣流和肥料兩相在分肥裝置中流動性和均勻性最好。文獻[5-10]采用EDEM-Fluent耦合方法，對農(nóng)業(yè)機械機構進行仿真優(yōu)化設計。

離散元法與計算流體力學耦合分析方法已成功應用于玉米、水稻等大田作物播種過程研究，而針對牧草種子播種過程的研究較少，特別是應用于禾本科牧草種子領域的研究鮮有報道。本文以設計的氣力式播種機分配器為研究載體，借助工程離散元仿真軟件(Engineering discrete element method，EDEM)及CFD流體仿真軟件Fluent，進行不同結構分配器對披堿草籽粒工作效果的分析，通過顆?！獨饬黢詈戏抡婕霸囼灒綄げ煌愋头峙淦魃仙w板對披堿草顆粒排種過程的影響。

1 氣力式播種機排種系統(tǒng)工作原理與分配器結構

1.1 氣力式播種機排種系統(tǒng)工作原理

氣力式播種機排種系統(tǒng)如圖1所示，主要由分配器、種箱、中央排種器、風機、噴射器、輸種管、排種管、攪拌器和出風管等部分組成。工作時，種箱內(nèi)的牧草種子經(jīng)過中央排種器，定量的流入噴射器中，風機產(chǎn)生的高速氣流進入噴射器，在噴射器下腔產(chǎn)生負壓，種子在重力和負壓的作用下流入噴射器內(nèi)并與空氣均勻混合，高速氣流沿輸種管將種子向上加速輸送，在分配器中完成分配工作，分配均勻的種子沿排種管被輸送至各個開溝器，實現(xiàn)了中央排種器統(tǒng)一排種，使種箱的位置與結構不在受開溝器行數(shù)與位置的影響。

圖1 氣力式播種機排種系統(tǒng)

1.2 分配器結構

氣力式播種機排種系統(tǒng)使排種過程實現(xiàn)了統(tǒng)一排種、統(tǒng)一輸送，與傳統(tǒng)機械式排種相比，其各行播種均勻性主要受分配器性能的影響。設計時應避免分配器內(nèi)氣流產(chǎn)生滯流、渦流和急劇收縮現(xiàn)象，以便節(jié)約能量和降低排量一致性變異系數(shù)[11-13]。如圖2所示，分配器主要由上蓋板、下蓋板、導種管、排種管和堵頭等部分組成。上蓋板根據(jù)結構的不同可分為平蓋、圓錐蓋和上凸蓋三種。對于上凸蓋的研究中，鄒翌等[1]研究表明，排種過程中，氣流流動中管道截面突然擴大，由于慣性流體規(guī)模不可能按照管道形狀突然擴大，因此在管壁的拐角處形成旋渦，導致大量的機械能變成熱能而消散。另外，從小直徑管道流出的流體有較高的流速，必然要碰撞到大直徑管道中較低流速的流體，產(chǎn)生局部損失[14]。而對于圓錐蓋的研究中，常金麗等[2]研究指出當圓錐蓋與分配器下蓋板之間的距離太近時，會影響氣種混合流的流出，使風機轉速提高，能量消耗變大。因此，為探究分配器上蓋板對牧草種子分配效果的影響，本文設計了平蓋、圓錐蓋和上凸蓋三種不同結構分配器，通過仿真模擬和試驗來研究其優(yōu)缺點。

圖2 分配器結構圖

2 模型建立

本研究基于Fluent 19.2與EDEM2020軟件對氣力式播種機分配器排種過程進行數(shù)值模擬。由于披堿草顆粒在分配器中所占體積分數(shù)不足10%，因此仿真模型采用標準k-ε模型非穩(wěn)態(tài)的Lagrangian耦合算法。Lagrangian耦合不僅能夠實現(xiàn)氣固兩相之間的動量、能量交換，還能計算離散相顆粒對連續(xù)相的影響[1, 15]。

2.1 幾何模型

考慮到幾何模型中小孔和較尖銳的角會對仿真結果有較大影響，在不影響仿真結果的前提下，對模型進行化簡，得到如圖3所示模型。其中圖3(a)為俯視圖，分配器外接9個排種管，排種管直徑30 mm；圖3(b)為平蓋式分配器流體域A-A剖面圖，圖3(c)為圓錐蓋式分配器流體域A-A剖面圖，圖3(d)為上凸蓋式分配器流體域A-A剖面圖。

(a)俯視圖

2.2 離散元模型

披堿草顆粒的物理特性參數(shù)對仿真結果影響較大，本研究選取了千綠002號披堿草種子為研究對象，隨機抽取50粒，測量其三維尺寸、密度等物理特性參數(shù)。計算得平均三維尺寸為長6 mm、寬2 mm、高2 mm，披堿草種子模型可以由直徑為2 mm、1.6 mm、1.2 mm、0.8 mm 的球形顆粒一字堆疊而成，如圖4所示。

(a)披堿草種子

在平行于入口上方20 mm處，設置顆粒工廠虛擬平面，平面形狀大小與入口相同。根據(jù)披堿草排種量8 kg/hm2和氣力式播種機作業(yè)速度3.5 hm2/h，可求得顆粒工廠創(chuàng)建顆粒速度為7.78 g/s；設置重力9.8 m/s2，方向沿導種管向下；由于披堿草種子經(jīng)除芒后表面無黏附力，故選Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。披堿草種子和分配器變量參數(shù)如表1所示。

表1 變量參數(shù)

2.3 流場模型

對于流體仿真模擬，網(wǎng)格模型質量直接影響著求解效率和計算結果準確性。本文將SolidWorks建立的分配器內(nèi)流場幾何模型，導入Fluent Meshing進行網(wǎng)格劃分。采用基于“馬賽克”技術的Poly-Hexcore體網(wǎng)格生成法，能夠實現(xiàn)六面體網(wǎng)格與多面體網(wǎng)格共節(jié)點連接，從而在保證工作完全自動化的狀態(tài)下，提升網(wǎng)格中六面體的數(shù)量，以達到提升求解效率和精度的目的[16]。通過對模型進行網(wǎng)格無關性驗證，確定適合求解的網(wǎng)格數(shù)量為13萬。并使用網(wǎng)格質量提升工具Auto Node Move對網(wǎng)格模型進行優(yōu)化，經(jīng)網(wǎng)格質量檢測，得到網(wǎng)格最大外斜率為0.69，基本滿足要求，網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型

分配器中流體相為不可壓縮空氣，采用標準k-ε無滑動接觸模型。根據(jù)披堿草懸浮速度和播種時的田間環(huán)境，設置入口條件為Velocity-inlet，入口風速25 m/s，方向沿導種管向上。出口邊界設置9個出口，邊界類型設為outflow。

2.4 分配器排種過程仿真

Fluent與EDEM耦合采用的是基于Oulerian模型的耦合接口，是Altair針對Fluent開發(fā)的用于顆?！黧w系統(tǒng)耦合的程序[17]。設置EDEM時間步長為5×10-6s，F(xiàn)luent時間步長1×10-4s，步數(shù)為5 000步，即總仿真時間0.5 s，設置每時間步最大迭代次數(shù)為20，在EDEM和Fluent中設置每0.001 s保存一次數(shù)據(jù)，在EDEM中打開碰撞跟蹤器，以統(tǒng)計顆粒的碰撞信息[18-22]。

3 模擬分析與討論

3.1 不同分配器對氣流壓力影響

在相同邊界條件和求解方法設置下，得到上凸蓋、平蓋和圓錐蓋3種結構分配器沿中心軸線的切面壓力云圖，設置分配器中心軸線AB，排種管中心軸線DC，如圖6所示。

(a)上凸蓋

提取3種分配器AB連線上任意點X的壓力值，設AX的長度為l，以l為橫坐標，X點對應的壓力值為縱坐標，得到分配器中心軸線壓力分布圖，如圖7所示。

圖7 中心軸線壓力分布曲線

從圖6和圖7中可知，3種分配器壓力分布情況大致相同，由A到B壓力先緩慢降低，當氣流進入上蓋板下方的空腔時，壓力降到最低點，隨后開始快速升高，在上蓋板處達到最大值。由C到D壓力逐漸減小，在轉角處會有壓力損失。在上凸蓋和平蓋分配器中，位于上蓋板下方會形成半球形的高壓區(qū)，由于氣流從A向B流動過程中，當氣流抵達上蓋板時，氣流與上蓋板發(fā)生碰撞，運動受阻，而導種管中的氣流繼續(xù)向上運動，導致大量氣體進入上蓋板下方的空腔內(nèi)，使該空腔內(nèi)部壓強升高。而圓錐蓋分配器由于上蓋板的圓錐形狀，當上升的氣流碰撞到上蓋板時，氣流發(fā)生折射，沿水平方向流動，因此不會形成高壓區(qū)。

壓力損失是由于流體的內(nèi)摩擦和流體質點相互之間的碰撞而引起的，是通過摩擦和碰撞將流體的機械能轉化為內(nèi)能。局部流體速度的大小和方向變化、產(chǎn)生旋渦，分離脫流現(xiàn)象都會引起壓力損失[14]。由圖7可知，圓錐蓋型分配器中心軸向壓力曲線位于其他兩種類型分配器壓力曲線上方，這表明圓錐蓋型分配器中心軸線任意點處壓力都高于其他兩種類型分配器對應點處壓力。這是由于圓錐蓋分配器的圓錐體結構使得分配器上部的空腔體積減小，流體在該處的過流斷面變小，阻力增加，導致壓力損失加大。為滿足速度入口和壓力出口等邊界條件，從而使入口壓力以及分配器中壓力變大，因此相對于其他兩種分配器能耗增加，這也證實了文獻[2]中試驗結論——圓錐蓋型分配器所需風機轉速最高，即能量消耗最大。同時，對比平蓋和上凸蓋型分配器中心軸向壓力曲線，可以發(fā)現(xiàn)在l小于670 mm時，上凸蓋壓力曲線在平蓋壓力曲線上方，這表明在導種管內(nèi)上凸蓋型分配器的壓力大于平蓋型分配器；在l大于670 mm時，兩分配器在中心軸線上的壓力快速提升，并且平蓋分配器壓力超過上凸蓋分配器。相比于平蓋型分配器，上凸蓋型分配器由于上蓋板下方的空腔較大，流體在空腔內(nèi)發(fā)生的內(nèi)摩擦較為激烈，產(chǎn)生的壓力損失也較大。這表明上凸蓋型分配器對氣流的碰撞具有一定的緩沖作用，可減小由碰撞而導致種子的損傷。當l=0時，3種分配器位于入口處流體的速度、位置相同，根據(jù)不可壓縮流體的伯努利方程、風機升壓與功率計算公式[23-24]可知，動壓相等，靜壓越大，所需風機的功率就越大。因此，圓錐蓋型分配器所需風機功率最大，平蓋型分配器所需風機功率最小。

3.2 不同分配器對顆粒碰撞次數(shù)的影響

通過統(tǒng)計顆粒與分配器壁面總碰撞次數(shù)，得到圖8所示結果，可以看出在相同工作條件下，圓錐蓋型分配器碰撞次數(shù)最多，上凸蓋和平蓋型分配器碰撞次數(shù)較少且相差不大。在EDEM模型中構建Geometry Bin，其范圍為分配器中導種管以上的部分，通過統(tǒng)計Bin中的顆粒數(shù)量，可以判斷分配器頭部種子滯留情況。當排種器工作達到穩(wěn)定狀態(tài)時，上凸蓋型分配器Bin中披堿草種子約有500粒，平蓋型分配器Bin中約有450粒，圓錐蓋型分配器Bin中約有380粒，可以發(fā)現(xiàn)上凸蓋型分配器對種子有較強滯留效果，其次為平蓋，種子滯留最少為圓錐蓋型排種器。

圖8 顆粒碰撞次數(shù)

3.3 不同分配器對顆粒速度的影響

間隔相同時間，隨機選取10個顆粒進行單顆粒軌跡、速度和碰撞分析。圖9為分配器工作穩(wěn)定后顆粒運動狀態(tài)圖，從左向右依次為上凸蓋、平蓋和圓錐蓋型分配器。從圖9可以看出，圓錐蓋分配器頭部顆粒密度明顯低于其他兩種分配器，因此圓錐蓋分配器中種子相對不易滯留。提取單個顆粒速度(豎直方向)與時間曲線如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，顆粒進入導種管后，在氣流的作用下作加速度減小的加速運動(豎直方向)，直到與上蓋板發(fā)生碰撞，速度減小，方向反轉，隨后向下作減速運動。在碰撞過程中，顆粒入射和反射軌跡之間會形成入射角與反射角，通過觀察顆粒跡線發(fā)現(xiàn)，圓錐蓋分配器反射角大于平蓋分配器與上凸蓋分配器；這是由于上凸蓋和平蓋分配器中顆粒發(fā)生碰撞的面為水平面，而圓錐蓋分配器中顆粒發(fā)生碰撞的面為錐面，導致顆粒入射角增大，反射角變大。

(a)上凸蓋

圖10 顆粒速度曲線

圖10中L點為顆粒發(fā)生碰撞前最后一個數(shù)據(jù)統(tǒng)計點，F(xiàn)點為顆粒發(fā)生碰撞后第一個數(shù)據(jù)統(tǒng)計點。統(tǒng)計10個顆粒豎直方向最大速度平均值Vmax(L點)、豎直方向最小速度平均值Vmin(F點)、x方向平均速度Vx(F點)和y方向平均速度Vy(F點)，得到表2所示結果。

表2 顆粒平均速度

通過觀察顆粒跡線和速度曲線發(fā)現(xiàn)，3種分配器沿豎直方向的平均最大速度均在11 m/s左右，相差很小。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，上凸蓋和平蓋分配器中顆粒在發(fā)生碰撞后沿分配器徑向的平均速度為2.5 m/s，而圓錐蓋分配器徑向的平均速度為5.9 m/s，這是由于圓錐蓋分配器中顆粒發(fā)生碰撞后反射角相對較大，導致徑向速度變大。同時發(fā)現(xiàn)，顆粒徑向速度越大，越難以隨著氣流進入排種管，由于顆粒速度越快，其在一定流場范圍內(nèi)存在的時間越短，流場對其做功越小，對其軌跡影響就越小。平蓋排種器中平均每個顆粒碰撞次數(shù)為3次，上凸蓋分配器中平均每個顆粒碰撞次數(shù)為3次，圓錐蓋分配器中平均每個顆粒碰撞次數(shù)為4次，可以發(fā)現(xiàn)圓錐蓋分配器中種子發(fā)生碰撞次數(shù)多于其他兩種類型分配器，見圖8顆粒碰撞次數(shù)統(tǒng)計結果。

4 性能試驗

4.1 試驗設備與方法

試驗設備為9BM-3.0型牧草免耕播種機，加工試制仿真時用的平蓋型分配器，將其安裝于該播種機上，根據(jù)國家標準GB/T 25421—2010《牧草免耕播種機》，對該排種系統(tǒng)進行綜合性能試驗。選取總排量穩(wěn)定性、各行排量一致性和種子破損率為試驗指標，重復3次測量，取平均值。試驗時，設置風機轉速2 800 r/min，披堿草種子除芒，種箱內(nèi)種子含量大于種箱容積的1/3，在排種管末端用袋子收集排出的種子，電子天平分別測量各排種管播出種子的重量，記錄試驗結果見表3。

表3 排種試驗結果

4.2 試驗指標

4.2.1 各行排量穩(wěn)定性計算

即在固定時間內(nèi)，檢測各行排量是否均勻一致，其中各行排量變異系數(shù)是衡量各行播量一致性的重要指標之一，計算方法如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

Xshi——每行各次排量之和，g；

n1——測定行數(shù)，行；

Ssh——每行排量一致性標準偏差，g；

Vsh——各行排量一致性變異系數(shù)，%。

極限誤差

(4)

式中：Xshmax——每行各次排量之和中的最大值，g；

Xshmin——每行各次排量之和中的最小值，g；

δ——極限誤差，%。

4.2.2 總排量穩(wěn)定性計算

總排量穩(wěn)定性即在固定時間內(nèi)，檢測每次總排量是否均勻一致性，其中總排量的變異系數(shù)是衡量總排量一致性的重要指標，計算方法如式(5)～式(7)。

(5)

(6)

(7)

Xui——每次各行總排量，g；

n2——測定次數(shù)；

Su——總排量穩(wěn)定性標準偏差，g；

Vu——總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)，%。

(8)

式中：Xumax——每行各次總排量中的最大值，g；

Xumin——每行各次總排量中的最小值，g；

δ′——極限誤差，%。

4.2.3 破損率

從各行排出的種子中隨機抽取5份種子樣本，每份質量約100 g，選出其中破碎損傷的種子并稱其質量，計算破碎損傷種子質量占樣本總質量的百分比，再減去試驗前測定的種子原始破損率，按式(9)計算牧草種子破損率。

Sp=Shp-Sqp

(9)

式中：Sp——牧草種子破損率，%；

Shp——播后牧草種子破損率，%；

Sqp——播前牧草種子破損率，%。

4.3 試驗結果及分析

通過排種性能試驗得到表4所示試驗結果，各行排量一致性變異系數(shù)Vsh為4.83%，達到國家標準要求的小于等于13%的要求。總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Vu為3.97%，達到國家標準要求的小于等于6%的要求。披堿種子破碎率Sp為1.36%，達到國家標準要求的小于等于2%的要求。

表4 排種性能試驗結果

5 結論

1)通過分析分配器內(nèi)壓強，明確圓錐蓋型分配器內(nèi)部壓強高于上凸蓋型分配器和平蓋型分配器，從理論上證實了圓錐蓋型分配器能耗是最大的，平蓋能耗最小。

2)通過觀察統(tǒng)計顆粒在分配器內(nèi)運動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)圓錐蓋型分配器內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)高于上凸蓋型分配器，高于平蓋型分配器內(nèi)的顆粒碰撞次數(shù)，圓錐蓋型分配器內(nèi)顆粒的反射角和徑向速度均大于上凸蓋和平蓋型分配器。分析發(fā)現(xiàn)，顆粒徑向速度越大，顆粒受流體作用越小，越難以在流體的作用下進入排種管，會在顆粒發(fā)生多次碰撞，速度減緩后隨氣流進入排種管，因此，圓錐蓋型分配器中披堿草種子發(fā)生的碰撞次數(shù)最多，對種子的傷害最大。

3)加工試制平蓋型分配器，安裝于氣力式播種機上進行排種性能試驗。試驗表明各行排量一致性變異系數(shù)Vsh為4.83%，滿足國家標準要求的不大于13%；總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Vu為3.97%，滿足國家標準要求的不大于6%；種子破損率Sp為1.36%，滿足國家標準要求的不大于2%。