史瑞杰 趙武云 戴 飛 宋學(xué)鋒 趙一鳴 王 鋒

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù)是近年來我國西北旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)突破性技術(shù)，該技術(shù)的大面積推廣和應(yīng)用，為西北旱區(qū)糧食單產(chǎn)大幅提高、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐[1-3]。該技術(shù)通過機(jī)械化作業(yè)方式，完成大壟、小壟、膜面覆土模式下的種床構(gòu)建，同時結(jié)合膜下壟溝種植技術(shù)，確保作物生長所需水分和養(yǎng)分，可達(dá)到膜下抑蒸、種床增溫、蓄水保墑、集雨抗旱、水肥高效利用等效果[1-6]。生產(chǎn)實(shí)踐證明，全膜雙壟溝播技術(shù)抗旱、增產(chǎn)和保墑效果顯著，比普通地膜覆蓋栽培單產(chǎn)增長近30%，推廣應(yīng)用面積呈逐年遞增趨勢[6-8]。

近年來，張緒成等[9]和謝軍紅等[10]對不同耕作方式、培肥模式下旱地全膜雙壟溝播玉米的生長和產(chǎn)量進(jìn)行了研究；魏萬成等[11-12]對旱地玉米全膜雙壟溝土壤水熱效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和農(nóng)藝優(yōu)化；石林榕等[13]針對玉米播種環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了直插穴播機(jī)強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置，對前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；張仕林等[5,14]對全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)鎮(zhèn)壓作業(yè)過程進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)；辛尚龍等[15]根據(jù)玉米全膜雙壟溝播農(nóng)藝要求，研發(fā)了玉米穗莖兼收對行聯(lián)合收獲機(jī)；王久鑫等[16]對玉米全膜雙壟溝殘膜回收機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)；戴飛等[17-19]研制了一系列全膜雙壟溝微壟、單幅、雙幅、橫腰帶覆土式覆膜覆土聯(lián)合作業(yè)機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)，其中橫腰帶覆土方式有效減少了大風(fēng)揭膜和地表徑流。關(guān)于全膜雙壟溝膜面氣流場與種床覆土互作過程的研究未見報(bào)道，種床構(gòu)建方式仍以農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)選擇為主。

黃土高原地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，冬春季寒冷干燥多風(fēng)沙，夏秋季炎熱多暴雨，大風(fēng)天氣對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)生產(chǎn)有較大影響[20]。全膜雙壟溝頂凌覆膜時容易發(fā)生大風(fēng)揭膜、揚(yáng)塵等現(xiàn)象，為進(jìn)一步提升全膜雙壟溝種床構(gòu)建質(zhì)量、合理膜面覆土、減少揚(yáng)塵，探究種床覆土與空氣流場間互作規(guī)律，本文以不同風(fēng)速、不同風(fēng)向下全膜雙壟溝種床氣流場為基礎(chǔ)，采用CFD-DEM耦合技術(shù)，通過離散元顆粒表征土壤顆粒，得出不同風(fēng)速、不同風(fēng)向下全膜雙壟溝種床覆土與空氣流場間的互作機(jī)制，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，為全膜雙壟溝種床構(gòu)建及覆土理論提供參考。

1 全膜雙壟溝農(nóng)藝要求與風(fēng)速風(fēng)向

1.1 全膜雙壟溝農(nóng)藝要求

全膜雙壟溝播技術(shù)在起壟時要求大小壟總寬1 100 mm，其中大壟寬700 mm，高100～150 mm，小壟寬400 mm，高100～150 mm，起壟完成后地膜完全覆蓋大小壟體，在大壟面和小壟溝內(nèi)覆土鎮(zhèn)壓，形成大壟面、小壟溝及橫腰帶覆土，并在小壟溝內(nèi)完成膜上打孔，便于雨水滲入土壤[4-7](圖1)。但農(nóng)戶覆膜覆土?xí)r沒有理論指導(dǎo)依據(jù)，完全依據(jù)地形地貌與自身經(jīng)驗(yàn)選擇覆膜方向，一般覆膜方向與正北方向夾角范圍為0°～90°(圖2)。

圖1 全膜雙壟溝播技術(shù)示意圖

圖2 農(nóng)戶自主選擇種床構(gòu)建方向作業(yè)圖

1.2 風(fēng)速風(fēng)向

黃土高原地區(qū)1957—2009年間平均風(fēng)速為2.36 m/s，水蝕區(qū)、水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)和風(fēng)蝕區(qū)年均風(fēng)速分別為1.94、2.17、2.6 m/s，并均經(jīng)過0.001的極顯著性檢驗(yàn)[20-21]。本文選取國家氣象局設(shè)置在甘肅省定西市臨洮縣境內(nèi)的52986號觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，臨洮縣地處洮河下游，南北狹長，地勢由東南向西北傾斜，境內(nèi)以黃土地貌為主，近年來主要推廣全膜雙壟溝播技術(shù)；該站點(diǎn)經(jīng)度103.87°，緯度35.37°，海拔1 893.8 m，氣壓傳感器海拔1 895 m，數(shù)據(jù)選取時間為1981年1月至2010年12月。根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該站點(diǎn)全年平均風(fēng)速為1.32 m/s，極大風(fēng)速平均值18.07 m/s，最大極大風(fēng)速出現(xiàn)在6月，平均風(fēng)速26.5 m/s，最小極大風(fēng)速出現(xiàn)在12月，平均風(fēng)速13.6 m/s，站點(diǎn)主導(dǎo)風(fēng)向常年以北風(fēng)為主，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 1981年1月—2010年12月52986號觀測站點(diǎn)平均數(shù)據(jù)

2 膜面氣流場仿真

2.1 模型建立

計(jì)算流體動力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)是在質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程控制下對流體進(jìn)行的數(shù)值模擬[22]。本文根據(jù)臨洮縣地勢及風(fēng)向特點(diǎn)，以52986號觀測站點(diǎn)年平均風(fēng)速1.32 m/s、年平均極大風(fēng)速18.07 m/s、月平均極大風(fēng)速26.5 m/s為仿真數(shù)據(jù)來源，以農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)選擇覆膜方向范圍0°～90°的最小值、中間值、最大值為全膜雙壟溝種床方向，即以正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，以0°、45°、90°為種床方向，分別建立T1(0°)、T2(45°)、T3(90°)3個全膜雙壟溝種床模型，模擬不同方位的膜面氣流場。采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行全膜雙壟溝膜面氣流場數(shù)值模擬，在SolidWorks中采用反向畫法繪制全膜雙壟溝三維模型(圖3a)，將模型簡化處理，膜面覆土視為表面光滑的整體，簡化后另存為.x_t格式導(dǎo)入ANSYS Workbench Mesh模塊中，將壁面重新命名為interface、outface和wall，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對T1、T2、T3三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時對網(wǎng)格進(jìn)行加密，膨脹層由項(xiàng)目自行控制，劃分網(wǎng)格完成后以.msh格式導(dǎo)出[22]。其中T1模型共產(chǎn)生604 955個節(jié)點(diǎn)，3 484 834個網(wǎng)格；T2模型共產(chǎn)生414 165個節(jié)點(diǎn)，2 378 721個網(wǎng)格；T3模型共產(chǎn)生364 498個節(jié)點(diǎn)，2 092 202個網(wǎng)格，平均質(zhì)量較好(圖3b)。

圖3 T1三維模型與CFD分析網(wǎng)格

2.2 參數(shù)設(shè)置

將T1、T2、T3模型.msh網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，檢查網(wǎng)格時沒有負(fù)體積生成，可以進(jìn)行流體域仿真計(jì)算[23]。設(shè)置仿真模型為RNGk-ε湍流模型，重力方向?yàn)閅軸負(fù)方向，將interface面設(shè)置為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度分別為1.32、18.07、26.50 m/s，將outface設(shè)置為壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其他面均為絕熱壁面，類型為wall，流體介質(zhì)為空氣，密度為1.2 kg/m3，黏度1.8×10-5Pa·s，殘差精度10-3，最后設(shè)置仿真時間步長為50，每步時間長0.01 s，共計(jì)算0.5 s。

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件Tecplot，得到不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型膜面氣流場速度等值線云圖(圖4)。

圖4 不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型膜面氣流場速度等值線云圖

由圖4可知，在豎直平面內(nèi)，當(dāng)空氣流速為1.32 m/s時，T1模型橫腰帶覆土表面及小壟溝覆土表面空氣最大流速為1.6 m/s，大壟面覆土表面及大壟面、小壟面空氣流速呈扇形逐漸向四周遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4a)；T2模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為1.1 m/s，大壟面與小壟溝壟面空氣流速向四周遞減，且大壟面、小壟溝壟面左側(cè)空氣流速明顯大于右側(cè)空氣流速，遞減無規(guī)律，整個流體域內(nèi)氣流速度均小于空氣流速(圖4d)；T3模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為1.8 m/s，同樣逐漸向上空呈階狀遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4g)。當(dāng)空氣流速為18.07 m/s時，T1模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為22 m/s，大壟面覆土表面及大壟面、小壟面空氣流速呈扇形逐漸向四周遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4b)；T2模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為20 m/s，大壟壟面與小壟溝壟面空氣流速向四周遞減，且大壟面、小壟溝壟面左側(cè)空氣流速明顯大于右側(cè)空氣流速，遞減無規(guī)律，整個流體域內(nèi)氣流速度均小于空氣流速(圖4e)；T3模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為30 m/s，同樣逐漸向上空呈階狀遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4h)。當(dāng)空氣流速為26.5 m/s時，T1模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為30 m/s，大壟溝覆土表面及大壟面、小壟面空氣流速呈扇形逐漸向四周遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4c)；T2模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為30 m/s，大壟面與小壟溝壟面空氣流速向四周遞減，且大壟面、小壟溝壟面左側(cè)空氣流速明顯大于右側(cè)空氣流速，遞減無規(guī)律，整個流體域內(nèi)氣流速度均小于空氣流速(圖4f)；T3模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為40 m/s，同樣逐漸向上空呈階狀遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4i)。

綜上所述，當(dāng)空氣流速恒定時，橫腰帶覆土表面空氣最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大壟面覆土表面空氣流速與標(biāo)準(zhǔn)空氣流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知，當(dāng)空氣風(fēng)速恒定時，T3模型膜面及覆土表面空氣流速最大，T1模型影響次之，T2模型影響最?。粴饬髋c覆膜方向呈90°時，種床覆土受氣流影響最大，發(fā)生大風(fēng)揭膜現(xiàn)象概率最大，所需覆土質(zhì)量最大，極易發(fā)生揚(yáng)塵現(xiàn)象。故全膜雙壟溝覆膜覆土?xí)r應(yīng)避免氣流與覆膜方向夾角過大，應(yīng)在0°～45°依地形地貌合理選擇。

3 膜面氣流場與種床覆土互作過程仿真

3.1 CFD-DEM氣固耦合模型建立

全膜雙壟溝種床模型采用2.1節(jié)畫法，對模型進(jìn)行簡化后采用相同方法劃分網(wǎng)格，種床表面視為光滑地膜，無覆膜土壤(圖5)。土壤顆粒形態(tài)主要有塊狀、核狀、片狀和柱狀[24-25]，全膜雙壟溝覆膜土壤經(jīng)過旋耕機(jī)作用后土壤顆粒纖細(xì)、粒徑較小，故土壤顆粒離散元模型全部采用球形顆粒，為減少仿真時間及計(jì)算負(fù)荷，在不影響仿真效率前提下，將全膜雙壟溝覆膜土壤顆粒半徑擴(kuò)大10倍建模。

圖5 全膜雙壟溝種床三維模型

離散元物料屬性包括泊松比、剪切模量、密度等，接觸參數(shù)包括靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)、恢復(fù)系數(shù)等，文獻(xiàn)[24-26]中土壤特征參數(shù)、土壤-土壤接觸參數(shù)已確定，由文獻(xiàn)[27]中可得地膜特征參數(shù)聚乙烯地膜泊松比為1.34，而泊松比隨著物料的彈性程度增大而增大，離散元仿真時采用最大值0.5，土壤-地膜滑動摩擦因數(shù)由文獻(xiàn)[24-26]確定，土壤-地膜靜摩擦因數(shù)采用斜面法確定，恢復(fù)系數(shù)采用自由落體試驗(yàn)確定[28]。斜面法試驗(yàn)時將覆膜土壤放置在內(nèi)襯厚度0.01 mm地膜的金屬槽內(nèi)，金屬槽一端緊貼地面，另一端緊靠支撐架，并緩慢抬升金屬槽，待覆膜土壤開始下滑時停止抬升金屬槽并測量土槽與水平面夾角，重復(fù)10次試驗(yàn)后根據(jù)μ=tanθ計(jì)算得到土壤-地膜靜摩擦因數(shù)平均值(圖6a)。自由落體試驗(yàn)時覆膜土壤由450 mm高處自由落至地膜表面，使用高速攝像機(jī)記錄土壤顆粒彈起高度(圖6b)，恢復(fù)系數(shù)e計(jì)算公式為

圖6 全膜雙壟溝覆膜土壤-地膜靜摩擦因數(shù)與恢復(fù)系數(shù)測定

(1)

式中v1——土壤顆粒碰撞前速度，m/s

v2——地膜碰撞前速度，碰撞前地膜靜止不動，v2=0 m/s

v′1——土壤顆粒碰撞后速度，m/s

v′2——地膜碰撞后速度，碰撞后地膜靜止不動，v′2=0 m/s

h——碰撞前土壤顆粒高度，mm

h′——碰撞后土壤顆粒彈起高度，mm

土壤顆粒與地膜接觸參數(shù)如表2所示。

表2 EDEM中物料屬性及接觸參數(shù)

將T1、T2、T3三維模型另存為.x_t格式后導(dǎo)入EDEM，同時按照表2為T1、T2、T3模型新建材料并添加材料屬性，在T1、T2、T3模型大壟壟面、小壟壟溝、橫腰帶覆土上方分別建立顆粒工廠，在Y軸負(fù)方向添加顆粒初始速度為0.5 m/s，同時增大計(jì)算域范圍，根據(jù)文獻(xiàn)[17-19]設(shè)置生成大壟面覆土顆粒質(zhì)量19.3 kg，小壟壟溝覆土顆粒質(zhì)量7.8 kg，橫腰帶覆土顆粒質(zhì)量1.44 kg。

3.2 CFD-DEM氣固耦合參數(shù)設(shè)置

氣固耦合仿真時參照2.2節(jié)將T1、T2、T3模型.msh網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent與EDEM軟件中，依照2.3節(jié)、3.1節(jié)進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置。EDEM仿真過程中particles-particles、particles-geometry接觸模型均采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型，并添加removeparticles.dll文件。Fluent-EDEM耦合仿真時進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，二者仿真時間步長和數(shù)據(jù)保存間隔必須呈整數(shù)倍才能完成數(shù)據(jù)傳遞[29-30]，因此在EDEM計(jì)算時采用瑞麗時間的16.34%，時間步長為2×10-5s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s；Fluent中設(shè)置仿真時間步長為1×10-4s，每50個時間步長保存數(shù)據(jù)1次，共仿真10 000個時間步長，仿真時間為1 s。Fluent與EDEM仿真參數(shù)設(shè)置完成后開啟EDEM耦合接口，在Fluent中加載udf耦合接口文件，連接成功后由Fluent控制仿真計(jì)算。

3.3 CFD-DEM氣固耦合結(jié)果分析

CFD-DEM耦合仿真結(jié)束后，在EDEM后處理模塊和CFD-Post后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與分析。在CFD-Post后處理軟件中導(dǎo)入Fluent計(jì)算結(jié)果文件，在T1模型中在Z軸500、1 250、2 000 mm處分別建立平行于XY平面的3個平面；在T2模型中在X軸-200、350、900 mm處分別建立平行于YZ平面的3個平面；在T3模型中在Y軸-550、0、550 mm 處分別建立平行于XZ平面的3個平面，并生成T1、T2、T3模型在3個平面上氣流速度云圖和矢量云圖(圖7)，并導(dǎo)出T1、T2、T3模型中間位置的3個平面各網(wǎng)格坐標(biāo)的速度值。在EDEM后處理模塊中顯示T1、T2、T3模型土壤顆粒在1 s時刻的運(yùn)動形態(tài)及所處位置(圖8)，并導(dǎo)出隨機(jī)選擇的3組土壤顆粒運(yùn)動坐標(biāo)。將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)在Excel中進(jìn)行處理，得到1 s時刻，不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面土壤顆粒運(yùn)動速度云圖(圖9)和氣流場中移動曲線(圖10)。

圖7 不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面氣流場速度云圖與矢量圖

圖8 1 s時不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面土壤顆粒運(yùn)動速度云圖

圖9 不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面橫截面網(wǎng)格速度分布圖

圖10 不同風(fēng)速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面土壤顆粒受風(fēng)力位移變化曲線

由圖7a～7c、圖9a可知，當(dāng)風(fēng)速為1.32 m/s時，T1模型3個截面中大壟面、小壟溝空氣流速均為0.5 m/s，均小于空氣流速，大壟面覆土表面空氣流速趨于0.8 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于0.9 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為1.1～1.2 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于1.4 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速稍有影響，氣流分布與壟體形狀基本吻合，氣流速度呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢；當(dāng)風(fēng)速為18.07 m/s時，T1模型3個截面中大壟面空氣流速均為5 m/s，小壟溝空氣流速均為4 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于6 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于10 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為11～13 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于19 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布與壟體形狀吻合度較高，氣流速度同樣呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢；當(dāng)風(fēng)速為26.5 m/s時，T1模型3個截面中大壟面、小壟溝空氣流速均為10 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于24 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于24 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為18～24 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于26 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布偏離壟體形狀，氣流速度同樣呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢。

由圖7d～7f、圖9b可知，當(dāng)風(fēng)速為1.32 m/s時，T2模型3個截面中大壟面空氣流速為0.6 m/s，小壟溝空氣流速為0.2 m/s，均小于空氣流速，大壟面與小壟溝間形成1個渦流，風(fēng)速達(dá)到1.2～1.4 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于0.6 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于0.8 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為1.0～1.2 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于1 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速稍有影響，氣流路徑受壟面起伏的影響，流速分布不均，與壟體形狀有差異，氣流速度呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢；當(dāng)風(fēng)速為18.07 m/s時，T2模型3個截面中大壟面空氣流速為12 m/s，小壟溝空氣流速為8 m/s，均小于空氣流速，大壟面與小壟溝間形成1個渦流，風(fēng)速達(dá)到14～18 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于12 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于8 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為8～12 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于14 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流路徑受壟面起伏的影響，流速分布不均，與壟體形狀差異較大，氣流速度同樣呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢；當(dāng)風(fēng)速為26.5 m/s時，T2模型3個截面中大壟面空氣流速為15 m/s，小壟溝空氣流速為5 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于15 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于20 m/s，大壟面與小壟溝間形成1個渦流，風(fēng)速達(dá)到20～25 m/s，覆土表面空氣流速趨于15～20 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為15～20 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于20 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流路徑受壟面起伏的影響，流速分布不均，與壟體形狀差異較大，氣流速度同樣呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢。

由圖7g～7i、圖9c可知，當(dāng)風(fēng)速為1.32 m/s時，T3模型3個截面中大壟面空氣流速為1 m/s，小壟面空氣流速為1.8 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于1.0～1.2 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于0.4～0.8 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為1.6～1.8 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于1.4 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速稍有影響，氣流分布與大壟壟體形狀呈相似狀，氣流速度呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢；當(dāng)風(fēng)速為18.07 m/s時，T3模型3個截面中大壟面空氣流速為22 m/s，小壟面空氣流速為30 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于20～22 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于6～10 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為14～18 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于22 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布與大壟壟體形狀呈相似狀，氣流速度呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢；當(dāng)風(fēng)速為26.5 m/s時，T3模型3個截面中大壟面空氣流速為35 m/s，小壟面空氣流速為45 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于25～35 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于10～25 m/s，橫腰帶覆土區(qū)域空氣流速為25～45 m/s，其余區(qū)域空氣流速趨于30 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布與大壟壟體形狀呈相似狀，氣流速度呈現(xiàn)由壟面向四周擴(kuò)散增長趨勢。

由圖8a～8c、圖10a可知，當(dāng)風(fēng)速為1.32 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較小，土壤顆粒移動最大距離為3.8 mm，最小移動距離為0.004 mm，橫腰帶覆土、大壟面覆土、小壟溝覆土顆粒移動時沿壟面或壟溝移動；當(dāng)風(fēng)速為18.07 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較大，土壤顆粒移動最大距離為51.6 mm，最小移動距離為0.6 mm，少量橫腰帶與大壟面覆土邊緣土壤顆粒被吹至小壟溝內(nèi)，隨部分小壟溝土壤顆粒沿壟溝移動；當(dāng)風(fēng)速為26.5 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動最大，土壤顆粒移動最大距離為182.85 mm，最小移動距離為0.71 mm，大部分橫腰帶覆土與大壟面覆土邊緣土壤顆粒被吹至小壟溝內(nèi)，隨部分小壟溝土壤顆粒沿壟溝移動。

由圖8d～8f、圖10b可知，當(dāng)風(fēng)速為1.32 m/s時，T2模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較小，土壤顆粒移動最大距離為1.86 mm，最小移動距離為0.07 mm，橫腰帶覆土、大壟面覆土顆粒移動時流向小壟溝內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速為18.07 m/s時，T2模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較大，土壤顆粒移動最大距離為132.67 mm，最小移動距離為0.006 mm，少量橫腰帶覆土、大量大壟面迎風(fēng)面覆土土壤顆粒被吹至小壟溝內(nèi)，并在小壟溝內(nèi)堆積；當(dāng)風(fēng)速為26.5 m/s時，T2模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動最大，土壤顆粒移動最大距離為298.46 mm，最小移動距離趨于0 mm，大量橫腰帶覆土、大壟面迎風(fēng)覆土和小壟溝內(nèi)覆土土壤顆粒被吹至相鄰小壟溝內(nèi)，并在小壟溝內(nèi)堆積，導(dǎo)致大壟面與小壟溝覆土量趨于零。

由圖8g～8i、圖10c可知，當(dāng)風(fēng)速為1.32 m/s時，T3模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較小，土壤顆粒最大移動距離為4.12 mm，最小移動距離為0.004 mm，橫腰帶覆土、大壟面覆土、小壟溝覆土顆粒移動時沿壟面或壟溝移動；當(dāng)風(fēng)速為18.07 m/s時，T3模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較大，土壤顆粒移動最大距離為164.94 mm，最小移動距離為0.75 mm，少量橫腰帶覆土、大量大壟面迎風(fēng)面覆土土壤顆粒被吹至小壟溝內(nèi)，并在小壟溝內(nèi)堆積；當(dāng)風(fēng)速為26.5 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動最大，土壤顆粒移動最大距離為433.83 mm，最小移動距離為1.55 mm，大量橫腰帶覆土、大壟面迎風(fēng)面覆土和小壟溝內(nèi)覆土土壤顆粒被吹至相鄰小壟溝內(nèi)，并在小壟溝內(nèi)堆積，導(dǎo)致大壟面與小壟溝覆土量趨于零。

綜上所述，當(dāng)空氣流速恒定時，覆土過程中種床及顆粒對氣流影響程度由大到小依次是T3、T1、T2，氣流對顆粒影響程度由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知，當(dāng)空氣風(fēng)速恒定時，T3模型膜面覆土受氣流影響最大，膜面覆土移動距離最大，大量橫腰帶覆土、大壟面迎風(fēng)面覆土和小壟溝覆土土壤顆粒被吹至相鄰小壟溝內(nèi)或空氣層，產(chǎn)生土壤顆粒在小壟溝內(nèi)堆積、揚(yáng)塵現(xiàn)象，致使大壟面與小壟溝覆土量趨于零，種床覆土構(gòu)建失效，引起保墑效果不理想、大風(fēng)揭膜等現(xiàn)象，影響作物生長及經(jīng)濟(jì)效益。

4 全膜雙壟溝種床構(gòu)建方位優(yōu)化

4.1 速度方向?qū)ΨN床方向的影響

種床覆土表面流場分析表明：當(dāng)空氣流速恒定時，橫腰帶覆土表面空氣最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大壟面覆土空氣流速與標(biāo)準(zhǔn)空氣流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。種床覆土過程分析表明：當(dāng)空氣流速恒定時，整個覆土過程中種床及土壤顆粒對氣流影響程度由大到小依次是T3、T1、T2，氣流對顆粒影響程度由大到小依次是T3、T1、T2?？芍猅3模型種床及覆土表面氣流速度最大，所受氣流影響最大，所需覆土質(zhì)量最大，大風(fēng)揭膜概率最大，膜面覆土移動距離最大，橫腰帶覆土、大壟面覆土及小壟溝覆土被氣流吹向相鄰壟溝或空氣層概率最大，易形成揚(yáng)塵，致使大壟面與小壟溝覆土量趨于零，種床覆土構(gòu)建失效，引起保墑效果不理想、大風(fēng)揭膜等現(xiàn)象，影響作物生長及經(jīng)濟(jì)效益。同時大壟面覆膜交接點(diǎn)極易滲入氣流，引起大風(fēng)揭膜現(xiàn)象，影響作物生長，危及經(jīng)濟(jì)效益。覆膜覆土作業(yè)時應(yīng)避免采用T3模型。種床構(gòu)建失效形式如圖11所示。

圖11 T1、T2、T3模型種床覆土過程失效形式

4.2 太陽光照對種床方向的影響

土壤熱量主要源自太陽輻射能，高緯度地區(qū)由于太陽斜射，全膜雙壟溝種床單位面積接受太陽輻射能少，種床構(gòu)建時應(yīng)選擇接受太陽輻射能最大的方向?yàn)橐薣31]。臨洮縣位于35°03′42″～35°56′46″N，以單日13時太陽輻射最大為例，可知T1、T2、T3模型種床接受太陽輻射能總量由大到小依次是T1、T3、T2；同時不同地理方位的種床溫度有所差別，南坡(向陽坡)受太陽輻射能最多，種床溫度較高，北坡(背光坡)受太陽輻射能最少，種床溫度較低。

4.3 覆膜利用率對種床方向的影響

近年來，國家為提高土地利用率和實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，加速了土地流轉(zhuǎn)和梯田化進(jìn)程，臨洮縣南北狹長，地勢由東南向西北傾斜，不同的全膜雙壟溝種床構(gòu)建方向?qū)Ω乩寐?、種床構(gòu)建效率、作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益等有著較大影響。以上述指標(biāo)為判斷依據(jù)，種床構(gòu)建方向?qū)δ媳弊呦蚋剡m宜程度由大到小依次是T1、T3、T2；對東西走向耕地適宜程度由大到小依次是T3、T1、T2。而T2模型適用于小面積、不規(guī)則耕地。

綜上所述，考慮空氣風(fēng)速風(fēng)向、太陽輻射能、耕地利用率、種床構(gòu)建效率及質(zhì)量、作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益等影響，全膜雙壟溝種床構(gòu)建過程應(yīng)遵循種床覆土位移最小、太陽輻射能最大、構(gòu)建效率最快、受太陽輻射能最多、南坡(向陽坡)耕地優(yōu)先、南北走向耕地優(yōu)先原則。因此，全膜雙壟溝種床構(gòu)建時優(yōu)先采用模型依次是T1、T2、T3。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

全膜雙壟溝膜面氣流場與種床覆土互作過程田間試驗(yàn)在甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司農(nóng)機(jī)裝備工程中心試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)場地面積為0.60 hm2，地勢平坦，南北走向，土壤為黃綿土，含水率14.6%～15.9%，試驗(yàn)時刻為13：00，地表溫度5.99℃，近地表空氣風(fēng)速2.77 m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，試驗(yàn)場地按照全膜雙壟溝種床構(gòu)建農(nóng)藝要求，使用起壟覆膜機(jī)按照T1、T2、T3模型進(jìn)行覆膜覆土作業(yè)，對作業(yè)過程及作業(yè)后模型進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證，選用地膜為甘肅省政府招標(biāo)白色地膜，厚度為0.01 mm。

5.2 試驗(yàn)方法

按照 NY/T 986—2006《鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和DB62/T 1935—2010《全膜雙壟溝鋪膜機(jī)操作規(guī)程及作業(yè)質(zhì)量驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)要求，測定T1、T2、T3模型橫腰帶覆土合格率、大壟面覆土合格率、小壟溝覆土合格率、覆膜效率、耕地利用率和采光面積占有率。測試區(qū)域?qū)挾葹?2 m，長度20 m，經(jīng)人工鋼尺測量得到各組數(shù)據(jù)，采用測定小區(qū)的平均值為測試結(jié)果，田間試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 田間試驗(yàn)

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合甘肅省全膜雙壟溝覆膜種床構(gòu)建特點(diǎn)，大壟面覆土寬度為90～110 mm，小壟溝覆土寬度35～45 mm，橫腰帶覆土寬度90～110 mm，覆土厚度20～30 mm，覆膜效率和采光面積占有率以最大平均值為宜[5-6,19]。起壟覆膜機(jī)覆膜作業(yè)后，人工測量并計(jì)算得出各試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照試驗(yàn)所定標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出橫腰帶覆土合格率、大壟面覆土合格率、小壟溝覆土合格率、覆膜效率、耕地利用率、采光面積占有率等平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)作業(yè)過程中，機(jī)具運(yùn)行平穩(wěn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知該試驗(yàn)滿足全膜雙壟溝種床構(gòu)建的作業(yè)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)空氣流速較低對種床覆土過程影響較小，但不同的模型對后續(xù)工序和植株生長影響較大，平均種床合格率由大到小依次是T2、T1、T3，而覆膜效率、耕地利用率、采光面積占有率由大到小依次是T1、T3、T2。因此，綜合各因素影響程度，全膜雙壟溝種床構(gòu)建時優(yōu)先采用模型依次是T1、T2、T3，試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果完全一致，相互驗(yàn)證了模型的可靠性。

6 結(jié)論

(1)為進(jìn)一步提升全膜雙壟溝種床構(gòu)建質(zhì)量，合理膜面覆土及減少揚(yáng)塵，探究膜面覆土與氣流間互作規(guī)律，本文以甘肅省定西市臨洮縣境內(nèi)52986號氣象觀測站點(diǎn)1981年1月至2010年12月的年平均風(fēng)速1.32 m/s、年平均極大風(fēng)速18.07 m/s、月平均極大風(fēng)速26.50 m/s為仿真數(shù)據(jù)來源，以正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，以農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)選擇覆膜方向范圍0°～90°的最小值、中間值、最大值為全膜雙壟溝種床方向，分別建立T1(0°)、T2(45°)、T3(90°)3個全膜雙壟溝種床模型，采用CFD-DEM氣固耦合技術(shù)，通過離散元顆粒表征土壤顆粒，得出不同風(fēng)速、不同方向下全膜雙壟溝種床覆土與氣流場間的互作機(jī)制，綜合空氣流場、太陽輻射能、耕地利用率對全膜雙壟溝種床構(gòu)建的影響，對其構(gòu)建方法進(jìn)行了優(yōu)化，最后進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

(2)種床覆土表面流場分析表明：當(dāng)空氣流速恒定時，橫腰帶覆土表面空氣最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大壟面覆土空氣流速與標(biāo)準(zhǔn)空氣流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。種床覆土過程分析表明：當(dāng)空氣流速恒定時，整個覆土過程中種床及土壤顆粒對氣流影響程度由大到小依次是T3、T1、T2，氣流對顆粒影響程度由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知T3模型種床及覆土表面氣流速最大，所受氣流影響最大，膜面覆土移動距離最大，易形成揚(yáng)塵，同時大壟面覆膜交接點(diǎn)極易滲入氣流，引起大風(fēng)揭膜現(xiàn)象，影響作物生長，危及經(jīng)濟(jì)效益。

(3)優(yōu)化后的種床構(gòu)建方法應(yīng)遵循種床覆土位移最小、太陽輻射能最大、構(gòu)建效率最快、南坡(向陽坡)耕地優(yōu)先、南北走向耕地優(yōu)先原則，優(yōu)先采用模型依次是T1、T2、T3。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)空氣流速為2.77 m/s、風(fēng)向北風(fēng)時，平均種床合格率由大到小依次是T2、T1、T3，覆膜效率、耕地利用率、采光面積占有率由大到小依次是T1、T3、T2，試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果完全一致，相互驗(yàn)證了模型的可靠性，本文可為全膜雙壟溝種床構(gòu)建提供參考。