氣吸式三七播種器吸孔流場仿真研究

楊 航，莫 蝶，殷春梅，黃國賢

(云南工程職業(yè)學院，云南昆明 650304)

云南省是全國最主要的三七生產(chǎn)基地,截至2016年，云南省三七種植面積高達2.67萬hm2，產(chǎn)量突破2 500萬kg，約占全球三七產(chǎn)量的97%[1]。國外的小麥和蔬菜等精密種植儀器都已經(jīng)成熟[2]，但是目前沒有出現(xiàn)成熟的三七種子精密播種器。精密播種器按照其類型分為機械式和氣力式2種。氣力式精密播種器又分為氣吸式、氣吹式、氣壓式播種器，而氣吸式播種器具有通用性強、使用可靠、結(jié)構(gòu)簡單等特點。史嵩等[3]通過研究氣壓式精量播種器的氣壓與導槽之間的參數(shù)關(guān)系以減小對種子的重播、漏播的指數(shù)。劉月琴等[4]利用離散元的方法對種子的離散度、作用力和速度進行分析，得到轉(zhuǎn)速和振動頻率使吸種性能提高的參數(shù)范圍。楊麗等[5]針對氣吸式播種器漏播率較高和地頭漏的問題，分析了工作區(qū)域和托盤的主要結(jié)構(gòu)，得到最佳的速度和真空范圍，以降低漏播率等問題。高筱鈞等[6]從三七播種器的工作原理出發(fā)研究了機器的前進速度和吸孔角度對播種器性能的影響，得到播種器的前進速度和播種角度的最佳范圍。任永飛等[7]根據(jù)氣吸式播種器原理，分析真空室內(nèi)的速度與負壓的影響因素，并進行排種器吸孔與軸心的夾角在30°～45°播種器的播種效果最好。

筆者主要研究氣吸式播種器的吸孔流場的流動特性。滾筒是吸氣式三七種子播種器的主要部件之一，其內(nèi)部為全真空室。吸孔附在外滾筒表面并且與滾筒內(nèi)部的真空壓室相連接。在播種器工作過程中，滾筒內(nèi)部的空氣通過空心軸被排到外部進而形成負壓腔，從而使?jié)L筒上的吸孔兩端形成一定的壓強差；種子依靠壓強差依附在滾筒口的吸孔上，并隨著滾筒轉(zhuǎn)動；當滾筒轉(zhuǎn)動到隔氣板形成正壓腔，種子在重力的作用下脫落到種植裝置內(nèi)。由于目前的氣吸式三七種子播種器的播種精準度和播種效率還不太理想，因此需要對其進一步研究。筆者設計3種滾筒上的吸孔，利用CFD理論和數(shù)值模擬方法對3種不同類型的吸孔進行數(shù)值模擬，為三七種子播種器吸孔在設計和優(yōu)化上提供參考。

1 材料與方法

1.1種子在種植過程中的受力分析假設在整個種植過程中各個氣孔之間不相互影響并且氣孔周圍的氣流是穩(wěn)定的，將種子看作剛性球研究吸孔對一顆種子的作用力情況。根據(jù)流體力學理論，種子在流場中受到流體的阻力，阻力對種子產(chǎn)生吸附作用。設氣體的密度為ρ，阻力位Fd，對種子所產(chǎn)生的吸附力如下：

式中，Cd為種子的阻尼系數(shù)，大小和種子的形態(tài)有關(guān)，由于三七種子形狀接近球狀，所以其約為0.4；A為種子的面積；v0為氣體在吸孔處的流速；d為種子的直徑。

1.2吸孔模型的建立吸孔作為精準吸取種子的關(guān)鍵，其精度是播種效率的關(guān)鍵所在。為了確定吸孔直徑的范圍，在設計過程中需要對三七種子的尺寸范圍進行分析。根據(jù)實際過程中的測量確定三七種子的平均直徑為5 mm左右。根據(jù)三七種子的物理特性，并結(jié)合實際的播種情況，確定3種吸孔類型分別為直孔、T型孔和錐形孔(圖1)。

圖1 3種不同的吸孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of different suction structures

1.3氣吸式吸孔的數(shù)值模擬

式中，ρ為流體的密度；μ為動力黏度；k為湍流動能；μt為湍流黏度；u為氣體流速；P為靜壓；ε為湍流耗散率；Gk為平均速度梯度湍流動能項；Gb為浮力湍流動能項；YM為可壓縮湍流脈動擴張；G1ε、G2ε、G3ε分別為經(jīng)驗系數(shù)；σk、σε為湍流動能和湍流耗散率相對用的普朗特常數(shù)；Sk、Sε為源項。

1.3.2利用Gambit流場的前處理。Gambit軟件是一款針對與CFD高質(zhì)量的前處理器，具有強大的幾何建模和網(wǎng)格劃分的能力。由于其具有強大的布爾運算，使之可以建立各種復雜的幾何模型；又可以智能化地生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，當需要對某幾何區(qū)域進行網(wǎng)格加密時，直接選中需要加密的區(qū)域設定加密的精度范圍，Gambit智能運算出適合需要的網(wǎng)格質(zhì)量。

該研究直接在Gambit中建立3種吸孔模型，對需要計算的幾何區(qū)域進行離散化處理，生成四邊形網(wǎng)格，然后對模型進行命名并輸出mesh文件。

1.3.3Fluent條件的設置。將mesh文件導入到fluent中，并設置為二維單精度求解器；檢查網(wǎng)格質(zhì)量是否存在負體積的情況。根據(jù)流體力學方程選擇求解方式為基于壓力基、定常流，選擇k-雙方程模型運用有限體積法對微分方程進行離散化處理；在操作條件為標準大氣壓下，設置流體介質(zhì)為空氣并將其作為不可壓縮流體，并且忽略重力的影響；在近壁面處采用標準壁面函數(shù)處理并設置為無滑移邊界條件。入口條件為速度入口，空氣流動速度為20 m/s，湍流強度和水力直徑分別為8%和1 mm。出口條件為壓力出口，設定壓力為0。采用SIMPLE二階算法[10-13],將殘差收斂結(jié)果設置為106，并實時監(jiān)控殘差變化曲線，最后求解計算步為1 000，計算并求解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1不同吸孔形狀的數(shù)值模擬比較3種不同的孔型壓力圖(圖2)，可以得到3種不同的孔型壓力分布有著很大的差異。模型1直孔的壓力最大處分布在邊緣處且面積較小，其中壓力最大為2 140 Pa左右；模型3 T型孔的壓力最大處靠近邊緣處，而在中心孔處較小，最大壓力達到2 000 Pa左右；而錐形孔壓力分布明顯趨于中心線處且最大壓力達到10 000 Pa。

比較3種孔型的速度云圖:由流體力學理論可知當流量一定時，流道橫截面面積越大其流速越小。通過流體仿真分析可以看到直線型的管道速度變化不大，平均速度在19.5～25.0 m/s，近壁面處的速度隨著距離的減小而逐漸減??；錐形孔由收縮管道和直管兩部分組成，在錐形孔形狀突變處速度達到137.0 m/s，但是在錐形管的入口中心處的速度在80.0～90.0 m/s，在入口的收縮管邊緣處的速度銳減到40.0～50.0 m/s。T型入口中心的速度在38.0～42.0 m/s，其速度分布方式呈橢圓形在入口邊緣的速度為0～5.0 m/s。相比較3種的流速得到錐形孔的速度較大，速度降也比較大，對種子的吸附力較大，所以錐形孔的吸附性能好。

2.2吸孔直徑對吸附性能的影響選取錐形孔為研究對象并且設計1.0、1.5、2.0 mm 3種不同錐形孔的直徑，在使用相同的邊界條件下，分別對3種不同孔徑的數(shù)值模擬(圖3)。

注：a.模型1壓力云圖;b.模型2壓力云圖;c.模型3壓力云圖;d.模型1速度云圖;e.模型2速度云圖;f.模型3速度云圖Note:a.Model 1 pressure nephogram;b.Model 2 pressure nephogram;c.Model 3 pressure nephogram;d.Model 1 velocity nephogram;e.Model 2 velocity nephogram;f.Model 3 velocity nephogram圖2 3種不同吸孔形狀的數(shù)值模擬Fig.2 Numerical simulation of three different kind of suction holes

圖3 3種不同吸孔直徑的數(shù)值模擬Fig.3 Numerical simulation of three different kind of suction hole diameters

通過對3種不同吸孔直徑的數(shù)值仿真分析可以得到隨著吸孔直徑的增大，吸孔入口處的速度和壓力在不斷減小，通過速度分析可以得到當吸孔直徑不斷增大時，在進口的兩側(cè)喉管處接近壁面出現(xiàn)高速區(qū)域，并且此區(qū)域隨著吸孔的增大而增大。通過吸孔的壓力分布圖可以得到隨著吸孔直徑的不斷增大，吸孔處的壓力在不斷減小，吸孔直徑喉管部位處的壓力不斷上升，導致吸孔處的壓差減小，從而導致吸孔對種子的吸引力減小，這種現(xiàn)象不利于吸孔對種子的吸附作用。

2.3不同負壓下滾筒內(nèi)部流場分析滾筒的二維結(jié)構(gòu)是對稱的，為了方便計算取滾筒的一半作為流場的計算域，作為流場的邊界條件設定吸空氣為進氣孔，空心軸的孔為出口，并將進(出)氣孔設定為壓力式。其結(jié)果是穩(wěn)健收斂的，選取進出氣孔之間的壓力差分別為3、4、5 kPa，分別對其進行流場仿真分析。仿真分析結(jié)果如圖4所示。

注：a、b、c分別為壓差3、4、5 kPa的流場分布Note:a,b and c are flow fields of pressure difference of 3,4 and 5 kPa respectively圖4 滾筒內(nèi)不同壓差的流場分布Fig.4 Distribution of flow field in different pressure differential in drum

根據(jù)圖4可以看出，滾筒內(nèi)部流場分布情況為在滾筒兩側(cè)流速較小，吸氣孔處的氣流速度最大，在相鄰的吸孔中間出現(xiàn)渦流的分布情況，并且隨著壓力的增大，渦流的區(qū)域和強度都在不斷增加。吸孔之間的流場分布相對均勻，不會產(chǎn)生吸孔之間互相干涉的現(xiàn)象。由流體力學基本原理可以得到吸孔的吸附力與氣流的速度呈二次關(guān)系。當壓力差增長時，流場內(nèi)的速度也不斷增長，最大速度從73.0 m/s增長到97.0 m/s。當壓差在5 kPa時，每個吸孔的速度均能達到90.0 m/s，符合在播種過程中吸孔對吸附力的要求。

3 實驗研究

3.1實驗方法實驗過程中材料：經(jīng)過篩選無雜質(zhì)的三七種子；實驗設備為JSP-12多功能排種器性能檢車試驗臺；實驗地點為云南農(nóng)業(yè)大學實驗室。

根據(jù)播種器的理論分析和在實際中的運用情況，將排種器播種的合格指數(shù)、漏播指數(shù)和播種過程中的重播指數(shù)作為三七種子播種器的性能指標。根據(jù)在實際運用過程中的經(jīng)驗分析，將滾筒的轉(zhuǎn)速、吸孔的直徑、滾筒壓差分別進行實驗研究。根據(jù)三七種子播種器在實際過程中的運行情況選擇假設3組不同的對象進行分析，如表1。

表1 三七種子播種器不同條件

3.2實驗結(jié)果通過3種不同的參數(shù)對三七種子播種器的影響可以得到(表2)，3種主要因素對三七種子播種器的合格指數(shù)影響的主次順序為滾筒壓力差、滾筒的轉(zhuǎn)速、吸孔的直徑，所以在組合中該組的最優(yōu)組合為A1B3C3；影響漏播指數(shù)的因素排列順序為滾筒的轉(zhuǎn)速、滾筒的壓力差、吸孔的直徑,在其組合之中該組的最優(yōu)組合為A1B2C3；影響重播指數(shù)的因素為滾筒的轉(zhuǎn)速、吸孔的直徑、滾筒壓力差。通過以上組合可以推論出，所有組合之中最優(yōu)化的組合為A1B2C3。

表2 不同動態(tài)組合下的實驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)首先對種子的受力情況進行分析，確定吸孔為播種器在播種過程中有效播種的關(guān)鍵因素，并設計3種不同形狀的吸孔，分別對影響三七精密種子播種器吸孔的形狀、吸孔的直徑和吸孔在不同壓差下做流場的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，錐形孔對種子的吸附作用最好；不同直徑的吸孔對種子的吸附作用也不一樣，隨著吸孔直徑的增加，吸附種子的吸附能力逐漸減小；在不同壓差的情況下，吸孔之間的氣流間的相互干涉很小，吸孔的速度也隨著壓力差的增大而增大。

(2)對播種器在不同條件下進行動態(tài)組合分析，并確定影響播種器播種合格指數(shù)、漏播指數(shù)以及重播指數(shù)的影響因素。在所選擇的條件中播種器的最優(yōu)組合為滾筒轉(zhuǎn)速在10 r/min、吸孔直徑在1.5 mm、滾筒的壓差在5 kPa,此條件下播種器的播種性能各項指標均達到最優(yōu)狀態(tài)。