蘿卜精量播種機(jī)吸嘴流場(chǎng)數(shù)值模擬

湯亮+葉方平+龔發(fā)云+曲遠(yuǎn)輝

摘要：設(shè)計(jì)了一款自走式蘿卜精量聯(lián)合播種機(jī)，對(duì)吸嘴部分產(chǎn)生的速度流場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究，探討其對(duì)吸種效果的影響。為考察不同真空壓力條件下的吸種效果，以CFD軟件為計(jì)算平臺(tái)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)吸嘴內(nèi)部速度流場(chǎng)的分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)真空壓力分別為60、65、70、80 kPa時(shí)，得到這些真空度所對(duì)應(yīng)的播種器吸嘴附距離分別為3.28、3.33、3.35、3.45 mm；最終確定吸嘴的吸附距離隨著真空度的加大而增大。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；真空吸嘴；流場(chǎng)分析；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：S776.24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）19-4708-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.053

Numerical Simulation of Nozzle Flow Field of the Radish Precise Seeder Suction

TANG Liang，YE Fang-ping，GONG Fa-yun，QU Yuan-hui

（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract： A self-propelled combining seeder for precise radish was designed. The velocity distribution flow field of suction nozzle part was studied to examine the impact on sucking seed. In order to investigate the effects of different kinds of vacuum suction pressure， using CFD software as the computing platform， structured grid and a standard k-ε turbulence model for the distribution of the velocity field inside the nozzle were studied. Results showed that when the vacuum pressure was 60， 65， 70， 80 kPa， the corresponding vacuum seeder nozzle attached to distance was 3.28， 3.33， 3.35， 3.45 mm， respectively. The adsorption distance of nozzle increased with the increase of the vacuum degree.

Key words： seeding-machine； vacuum nozzle； flow field analysis； numerical simulation

中國(guó)蘿卜的種植面積已超過(guò)100萬(wàn)hm2，其中大部分蘿卜生產(chǎn)仍是露地栽培，采用傳統(tǒng)小農(nóng)生產(chǎn)模式，缺乏科學(xué)的生產(chǎn)管理，生產(chǎn)存在著較為嚴(yán)重的要素資源浪費(fèi)、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題[1，2]。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)蘿卜播種機(jī)械廠家為數(shù)不多，蘿卜種植的機(jī)械化還有待提高，極少量進(jìn)口的播種機(jī)價(jià)格高，且不適應(yīng)中國(guó)蘿卜種植模式，收獲效果差，制約了中國(guó)蘿卜作物機(jī)械化生產(chǎn)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[3]。

為解決蘿卜種植中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，促進(jìn)蘿卜生產(chǎn)機(jī)械化水平的進(jìn)一步提升，設(shè)計(jì)了一款自走式蘿卜精量聯(lián)合播種機(jī)，設(shè)計(jì)中的排種器采用的氣吸式精量排種器，使用真空負(fù)壓的原理進(jìn)行吸種和排種，由于吸種的過(guò)程難以預(yù)測(cè)，所以需要對(duì)吸嘴部分產(chǎn)生的速度流場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究，探討其對(duì)吸種效果的影響。孫曉東[4]研究了吸氣管路有漏洞、氣壓下降等因素導(dǎo)致氣吸力減小，種子沒(méi)吸住致使一部分或全部漏播的因素，姜秀美等[5]研究了圓形排種盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排種過(guò)程的影響。為了考察不同真空壓力條件下的吸種效果，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)吸嘴內(nèi)部速度流場(chǎng)的分布進(jìn)行了研究。

1 蘿卜播種機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)蘿卜播種過(guò)程的特殊性，為了提升蘿卜播種過(guò)程中的工作效率，設(shè)計(jì)的蘿卜播種機(jī)機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)架、主軸、刮土板、施肥機(jī)構(gòu)、水箱、植保機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝器、穴灌水機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、鋪膜機(jī)構(gòu)及間隔填土壓膜機(jī)構(gòu)等。機(jī)架部分包括大梁、懸掛裝置、鎮(zhèn)壓地輪和風(fēng)機(jī)等。鎮(zhèn)壓地輪由鋼架和橡膠組成，通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)排種器和排肥器工作。具體形式如圖1所示。

播種部分包括種子箱、氣吸式排種盤、圓盤式開(kāi)溝器、覆土器、鎮(zhèn)壓輪、四桿仿形機(jī)構(gòu)、吸氣管等，氣吸式排種器安裝在圓盤式開(kāi)溝器上面，覆土器和鎮(zhèn)壓輪安裝在圓盤式開(kāi)溝器的后面，呈后仿形。播種的粒距是由排種盤的吸種孔數(shù)及其轉(zhuǎn)速兩者共同決定的，使用時(shí)選用了吸種孔數(shù)多但排種盤轉(zhuǎn)速較低的傳動(dòng)組合，這樣有利于提高吸種的可靠性和降低空穴率。

施肥部分由肥料箱、排肥器、輸肥管、開(kāi)溝器及傳動(dòng)裝置等組成。肥料箱安裝在大梁上，排肥器為水平星輪式，水平安裝在肥箱底部。排肥量可通過(guò)改變肥箱內(nèi)隔板上的活門開(kāi)度大小或排肥軸的傳動(dòng)比進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種排肥器適合排施干燥的粒狀化肥，從出肥口排出的肥料落入種子的旁側(cè)，由覆土板進(jìn)行覆土。

播種機(jī)設(shè)計(jì)為氣吸式精密播種機(jī)，共2行，播種株距為10 cm，行距為20 cm。由于在播種過(guò)程中播種機(jī)需要較大的動(dòng)力，所以在工作時(shí)播種機(jī)一般與豐收-180、上海-50等大中型拖拉機(jī)聯(lián)合使用，以此適合在土地平整、面積大的土地上進(jìn)行作業(yè)。

2 蘿卜播種機(jī)吸嘴流場(chǎng)建模

播種機(jī)工作時(shí)，種子在排種器的種箱中，排種盤將氣室和種箱隔開(kāi)，氣室通過(guò)軟管與風(fēng)機(jī)相連。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，使氣室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，在壓差的作用下，排種盤上的吸孔便成了氣流通道而產(chǎn)生吸力，種箱內(nèi)種子被吸孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到刮種器的部位時(shí)，刮種器將多余的種子刮掉，只留一粒種子繼續(xù)隨排種盤旋轉(zhuǎn)到投種區(qū)，負(fù)壓消失，種子在自重的作用下掉入溝內(nèi)[5]。種子的最小直徑是1.9 mm，先前已經(jīng)根據(jù)流體力學(xué)中受力的平衡方程算得了吸附種子的最低氣流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉(zhuǎn)軸對(duì)稱圖形，為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)模型所以在分析流場(chǎng)時(shí)僅分析過(guò)回轉(zhuǎn)軸的截面，如圖2所示，建立的幾何模型近似于喇叭狀，其幾何尺寸如表1所示。

3 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以看成是對(duì)方程的求解，而方程是經(jīng)過(guò)離散來(lái)進(jìn)行求解的，那么對(duì)于流體的流動(dòng)問(wèn)題，都要求解質(zhì)量守恒方程，當(dāng)流動(dòng)是湍流時(shí)，還要解附加湍流輸運(yùn)方程。因?yàn)椴シN機(jī)吸嘴內(nèi)部流體流動(dòng)特性比較復(fù)雜，所以用數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)播種機(jī)吸嘴流體的特性，對(duì)設(shè)計(jì)高效可靠的播種機(jī)吸嘴、評(píng)價(jià)和改造現(xiàn)有播種機(jī)的性能十分必要。要保證模擬計(jì)算的可靠和有效，需要對(duì)各個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行充分的了解和掌握，選擇準(zhǔn)確適合的數(shù)學(xué)計(jì)算模型尤為關(guān)鍵。

3.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律可以表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

液相湍動(dòng)能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？著

？籽■+？籽■（vl？著）=■（■■？著）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt為湍流黏性系數(shù)，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動(dòng)能的增量[6]，表2為相關(guān)常數(shù)值設(shè)定情況。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 邊界條件的確定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。在本次數(shù)值模擬過(guò)程中使用二維單精度求解器，首先選擇合理的邊界條件來(lái)模擬實(shí)際環(huán)境，氣流入口處為壓力入口邊界（pressure-inlet），出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界（no-slip）。選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，在求解參數(shù)的過(guò)程中根據(jù)模擬的實(shí)際問(wèn)題選擇流動(dòng)方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍動(dòng)能方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式（First Order Upwind）。由于在Fluent軟件中有四種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過(guò)程中采用基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法。

4 結(jié)果與分析

4.1 真空度與氣流速度的關(guān)系

如圖3顯示的是當(dāng)吸嘴內(nèi)的真空度為60 kPa時(shí)，其速度流場(chǎng)的分布情況。分析其速度分布的情況：在吸嘴口處氣流速度急劇增加，在吸嘴內(nèi)氣流速度達(dá)到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心處，同一半徑的截圓上的節(jié)點(diǎn)速度大小差異不大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查看中心對(duì)稱線上各節(jié)點(diǎn)具體的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 處，氣流速度達(dá)到了8.18 m/s。即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.28 mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為65 kPa時(shí)候結(jié)果如圖4。從圖4可以看出吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到8.13 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.33 mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為70 kPa時(shí)候結(jié)果如圖5。從圖5可以看出，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到8.38 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.35 mm以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為80 kPa時(shí)候結(jié)果如圖6，從圖6可以看出，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm節(jié)點(diǎn)處速度已達(dá)到8.23 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.45 mm以內(nèi)，即可把種子吸附。

4.2 真空度與種子吸附距離

應(yīng)用流體力學(xué)平衡方程計(jì)算得到種子被吸附起的臨界氣流速度7.97 m/s，以此為考察依據(jù)，分析了不同真空壓力下的種子吸附距離，將真空度與對(duì)應(yīng)的吸附距離的關(guān)系，見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa時(shí)，真空度與吸附距離近似正比關(guān)系。在真空度超過(guò)60 kPa后，隨著真空度增大，吸附距離增幅較大。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)蘿卜播種機(jī)吸嘴實(shí)際應(yīng)用情況的分析，運(yùn)用二維軟件建模后，確立了在CFD數(shù)值計(jì)算中的邊界條件問(wèn)題。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)不同真空條件下的吸嘴內(nèi)部流場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值求解，以入口圓形區(qū)域的數(shù)值中心線為界，氣吸流場(chǎng)具有對(duì)稱分布的特征，隨著真空度的增大，吸附距離也隨之增大，同時(shí)也說(shuō)明了CFD數(shù)值計(jì)算方法縮短了研發(fā)時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊 健.蘿卜生產(chǎn)成本收益及全要素生產(chǎn)率分析[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 蘇彩霞，廖慶喜.我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)在機(jī)理研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（2）：18-19.

[3] 馬 勇，李 偉，侯連民.我國(guó)胡蘿卜栽培技術(shù)與機(jī)械化生產(chǎn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孫曉東.小議氣吸式精量播種機(jī)常見(jiàn)問(wèn)題及故障排除方法[J].民營(yíng)科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀倫，呂翠珍.32BHQ-2型氣吸式花生精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)制造，2012（2）：97-99.

[6] 龔發(fā)云，葉方平，湯 亮.折流板幾何結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器性能影響的數(shù)值模擬[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（5）：1-4.

2 蘿卜播種機(jī)吸嘴流場(chǎng)建模

播種機(jī)工作時(shí)，種子在排種器的種箱中，排種盤將氣室和種箱隔開(kāi)，氣室通過(guò)軟管與風(fēng)機(jī)相連。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，使氣室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，在壓差的作用下，排種盤上的吸孔便成了氣流通道而產(chǎn)生吸力，種箱內(nèi)種子被吸孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到刮種器的部位時(shí)，刮種器將多余的種子刮掉，只留一粒種子繼續(xù)隨排種盤旋轉(zhuǎn)到投種區(qū)，負(fù)壓消失，種子在自重的作用下掉入溝內(nèi)[5]。種子的最小直徑是1.9 mm，先前已經(jīng)根據(jù)流體力學(xué)中受力的平衡方程算得了吸附種子的最低氣流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉(zhuǎn)軸對(duì)稱圖形，為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)模型所以在分析流場(chǎng)時(shí)僅分析過(guò)回轉(zhuǎn)軸的截面，如圖2所示，建立的幾何模型近似于喇叭狀，其幾何尺寸如表1所示。

3 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以看成是對(duì)方程的求解，而方程是經(jīng)過(guò)離散來(lái)進(jìn)行求解的，那么對(duì)于流體的流動(dòng)問(wèn)題，都要求解質(zhì)量守恒方程，當(dāng)流動(dòng)是湍流時(shí)，還要解附加湍流輸運(yùn)方程。因?yàn)椴シN機(jī)吸嘴內(nèi)部流體流動(dòng)特性比較復(fù)雜，所以用數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)播種機(jī)吸嘴流體的特性，對(duì)設(shè)計(jì)高效可靠的播種機(jī)吸嘴、評(píng)價(jià)和改造現(xiàn)有播種機(jī)的性能十分必要。要保證模擬計(jì)算的可靠和有效，需要對(duì)各個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行充分的了解和掌握，選擇準(zhǔn)確適合的數(shù)學(xué)計(jì)算模型尤為關(guān)鍵。

3.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律可以表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

液相湍動(dòng)能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？著

？籽■+？籽■（vl？著）=■（■■？著）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt為湍流黏性系數(shù)，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動(dòng)能的增量[6]，表2為相關(guān)常數(shù)值設(shè)定情況。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 邊界條件的確定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。在本次數(shù)值模擬過(guò)程中使用二維單精度求解器，首先選擇合理的邊界條件來(lái)模擬實(shí)際環(huán)境，氣流入口處為壓力入口邊界（pressure-inlet），出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界（no-slip）。選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，在求解參數(shù)的過(guò)程中根據(jù)模擬的實(shí)際問(wèn)題選擇流動(dòng)方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍動(dòng)能方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式（First Order Upwind）。由于在Fluent軟件中有四種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過(guò)程中采用基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法。

4 結(jié)果與分析

4.1 真空度與氣流速度的關(guān)系

如圖3顯示的是當(dāng)吸嘴內(nèi)的真空度為60 kPa時(shí)，其速度流場(chǎng)的分布情況。分析其速度分布的情況：在吸嘴口處氣流速度急劇增加，在吸嘴內(nèi)氣流速度達(dá)到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心處，同一半徑的截圓上的節(jié)點(diǎn)速度大小差異不大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查看中心對(duì)稱線上各節(jié)點(diǎn)具體的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 處，氣流速度達(dá)到了8.18 m/s。即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.28 mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為65 kPa時(shí)候結(jié)果如圖4。從圖4可以看出吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到8.13 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.33 mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為70 kPa時(shí)候結(jié)果如圖5。從圖5可以看出，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到8.38 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.35 mm以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為80 kPa時(shí)候結(jié)果如圖6，從圖6可以看出，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm節(jié)點(diǎn)處速度已達(dá)到8.23 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.45 mm以內(nèi)，即可把種子吸附。

4.2 真空度與種子吸附距離

應(yīng)用流體力學(xué)平衡方程計(jì)算得到種子被吸附起的臨界氣流速度7.97 m/s，以此為考察依據(jù)，分析了不同真空壓力下的種子吸附距離，將真空度與對(duì)應(yīng)的吸附距離的關(guān)系，見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa時(shí)，真空度與吸附距離近似正比關(guān)系。在真空度超過(guò)60 kPa后，隨著真空度增大，吸附距離增幅較大。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)蘿卜播種機(jī)吸嘴實(shí)際應(yīng)用情況的分析，運(yùn)用二維軟件建模后，確立了在CFD數(shù)值計(jì)算中的邊界條件問(wèn)題。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)不同真空條件下的吸嘴內(nèi)部流場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值求解，以入口圓形區(qū)域的數(shù)值中心線為界，氣吸流場(chǎng)具有對(duì)稱分布的特征，隨著真空度的增大，吸附距離也隨之增大，同時(shí)也說(shuō)明了CFD數(shù)值計(jì)算方法縮短了研發(fā)時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊 健.蘿卜生產(chǎn)成本收益及全要素生產(chǎn)率分析[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 蘇彩霞，廖慶喜.我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)在機(jī)理研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（2）：18-19.

[3] 馬 勇，李 偉，侯連民.我國(guó)胡蘿卜栽培技術(shù)與機(jī)械化生產(chǎn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孫曉東.小議氣吸式精量播種機(jī)常見(jiàn)問(wèn)題及故障排除方法[J].民營(yíng)科技，2011（6）：109-110.

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2 蘿卜播種機(jī)吸嘴流場(chǎng)建模

播種機(jī)工作時(shí)，種子在排種器的種箱中，排種盤將氣室和種箱隔開(kāi)，氣室通過(guò)軟管與風(fēng)機(jī)相連。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，使氣室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，在壓差的作用下，排種盤上的吸孔便成了氣流通道而產(chǎn)生吸力，種箱內(nèi)種子被吸孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到刮種器的部位時(shí)，刮種器將多余的種子刮掉，只留一粒種子繼續(xù)隨排種盤旋轉(zhuǎn)到投種區(qū)，負(fù)壓消失，種子在自重的作用下掉入溝內(nèi)[5]。種子的最小直徑是1.9 mm，先前已經(jīng)根據(jù)流體力學(xué)中受力的平衡方程算得了吸附種子的最低氣流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉(zhuǎn)軸對(duì)稱圖形，為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)模型所以在分析流場(chǎng)時(shí)僅分析過(guò)回轉(zhuǎn)軸的截面，如圖2所示，建立的幾何模型近似于喇叭狀，其幾何尺寸如表1所示。

3 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以看成是對(duì)方程的求解，而方程是經(jīng)過(guò)離散來(lái)進(jìn)行求解的，那么對(duì)于流體的流動(dòng)問(wèn)題，都要求解質(zhì)量守恒方程，當(dāng)流動(dòng)是湍流時(shí)，還要解附加湍流輸運(yùn)方程。因?yàn)椴シN機(jī)吸嘴內(nèi)部流體流動(dòng)特性比較復(fù)雜，所以用數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)播種機(jī)吸嘴流體的特性，對(duì)設(shè)計(jì)高效可靠的播種機(jī)吸嘴、評(píng)價(jià)和改造現(xiàn)有播種機(jī)的性能十分必要。要保證模擬計(jì)算的可靠和有效，需要對(duì)各個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行充分的了解和掌握，選擇準(zhǔn)確適合的數(shù)學(xué)計(jì)算模型尤為關(guān)鍵。

3.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律可以表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

液相湍動(dòng)能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？著

？籽■+？籽■（vl？著）=■（■■？著）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt為湍流黏性系數(shù)，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動(dòng)能的增量[6]，表2為相關(guān)常數(shù)值設(shè)定情況。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 邊界條件的確定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。在本次數(shù)值模擬過(guò)程中使用二維單精度求解器，首先選擇合理的邊界條件來(lái)模擬實(shí)際環(huán)境，氣流入口處為壓力入口邊界（pressure-inlet），出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界（no-slip）。選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，在求解參數(shù)的過(guò)程中根據(jù)模擬的實(shí)際問(wèn)題選擇流動(dòng)方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍動(dòng)能方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式（First Order Upwind）。由于在Fluent軟件中有四種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過(guò)程中采用基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法。

4 結(jié)果與分析

4.1 真空度與氣流速度的關(guān)系

如圖3顯示的是當(dāng)吸嘴內(nèi)的真空度為60 kPa時(shí)，其速度流場(chǎng)的分布情況。分析其速度分布的情況：在吸嘴口處氣流速度急劇增加，在吸嘴內(nèi)氣流速度達(dá)到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心處，同一半徑的截圓上的節(jié)點(diǎn)速度大小差異不大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查看中心對(duì)稱線上各節(jié)點(diǎn)具體的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 處，氣流速度達(dá)到了8.18 m/s。即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.28 mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為65 kPa時(shí)候結(jié)果如圖4。從圖4可以看出吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到8.13 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.33 mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為70 kPa時(shí)候結(jié)果如圖5。從圖5可以看出，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到8.38 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.35 mm以內(nèi)，即可把種子吸附。

真空度為80 kPa時(shí)候結(jié)果如圖6，從圖6可以看出，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm節(jié)點(diǎn)處速度已達(dá)到8.23 m/s，即種子移動(dòng)到離吸嘴距離在3.45 mm以內(nèi)，即可把種子吸附。

4.2 真空度與種子吸附距離

應(yīng)用流體力學(xué)平衡方程計(jì)算得到種子被吸附起的臨界氣流速度7.97 m/s，以此為考察依據(jù)，分析了不同真空壓力下的種子吸附距離，將真空度與對(duì)應(yīng)的吸附距離的關(guān)系，見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa時(shí)，真空度與吸附距離近似正比關(guān)系。在真空度超過(guò)60 kPa后，隨著真空度增大，吸附距離增幅較大。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)蘿卜播種機(jī)吸嘴實(shí)際應(yīng)用情況的分析，運(yùn)用二維軟件建模后，確立了在CFD數(shù)值計(jì)算中的邊界條件問(wèn)題。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)不同真空條件下的吸嘴內(nèi)部流場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值求解，以入口圓形區(qū)域的數(shù)值中心線為界，氣吸流場(chǎng)具有對(duì)稱分布的特征，隨著真空度的增大，吸附距離也隨之增大，同時(shí)也說(shuō)明了CFD數(shù)值計(jì)算方法縮短了研發(fā)時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)：

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