基于Fluent 的組合氣吸式排種器關(guān)鍵部件仿真研究

王敬 李玉道 宋占華 田富洋 閆銀發(fā) 孫學(xué)振

摘 要： 以棉花小區(qū)播種機排種器為研究對象，采用模擬仿真試驗技術(shù)研究組合氣吸式排種器排種過程，在排種器的吸氣口截面設(shè)置不同的邊界條件（包括壓強和氣流速度），在開放條件下分析導(dǎo)向槽盤上導(dǎo)向槽的速度場和壓力場。結(jié)果表明，距導(dǎo)向槽盤中心越遠的位置，其氣流速度和壓強越小。設(shè)置排種器吸氣口界面的邊界條件相同，針對氣吸盤和導(dǎo)向槽盤組合后形成的氣吸孔開展氣流場仿真分析。入口處氣流壓強300 Pa、速度21.97 m/s，此時氣吸孔氣流場壓強2 481.8 Pa、氣流速度61.67 m/s，該仿真結(jié)果與試驗所測得的結(jié)果基本一致。試驗驗證并確定排種器幾何參數(shù)、動力參數(shù)對氣流場的變化和影響規(guī)律，可為設(shè)計試制播種機提供參考。

關(guān)鍵詞：組合氣吸式；排種器；仿真分析；Fluent；小區(qū)播種機；棉花

中圖分類號：S223文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0090-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.016

0 引言

現(xiàn)階段棉花小區(qū)試驗已成為選育良種至關(guān)重要的方式，相對于棉花大田種植來說，小區(qū)育種要求株距、行距、播深更嚴(yán)格，小區(qū)與小區(qū)之間分界明顯，兩小區(qū)之間種子不能混雜，因此棉花小區(qū)的種植精度、試驗條件一致性等要求更為嚴(yán)格[1-5]。小區(qū)播種機可以實現(xiàn)株距、行距、播深連續(xù)可調(diào)，排種精確、清種徹底高效，然而目前缺少與棉花小區(qū)作業(yè)相適應(yīng)而且可進行大面積應(yīng)用與推廣的精量排種器。為提高棉花小區(qū)試驗時的準(zhǔn)確性，優(yōu)化品種繁育適用的作業(yè)機械，降低育種過程中人為誤差，需研究棉花小區(qū)播種機排種器幾何參數(shù)、動力參數(shù)與排種準(zhǔn)確性之間的關(guān)系，為棉花小區(qū)播種機械裝備的設(shè)計與研發(fā)提供理論依據(jù)。

現(xiàn)階段國內(nèi)外研究人員基于精密排種技術(shù)開展了小區(qū)育種播種機方面的研究，并取得諸多成果。陳進等[6] 采取有限元法仿真研究了排種器吸孔處的氣流場，利用CFD Fluent 仿真軟件模擬出吸種口中的油菜種受力情況，結(jié)果表明，增大吸孔直徑和增加吸室真空度可提高吸孔能力。張敏等[7] 采取 CFD/Fluent 程序仿真研究了吸盤式水稻排種器吸孔的氣流場，對于優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)與獲取相關(guān)參數(shù)提供重要的參考作用。廖慶喜等[8] 利用ANSYS Workbench 等軟件，優(yōu)化排種器的機構(gòu)、運動參數(shù)，并進行了仿真試驗。史嵩等[9] 利用EDEM 軟件對氣壓組合孔式排種器充種性能進行了模擬與仿真驗證，結(jié)果表明，擾動強度最大的排種盤的充種性能較其他排種盤更優(yōu)。陳海濤等[10] 應(yīng)用ADMAS 等軟件對大豆小區(qū)播種機機理進行了仿真，結(jié)果表明，弧形軌跡插裝式排種系統(tǒng)的空行程距離縮短到0.5 m 以內(nèi)，并且能夠快速實現(xiàn)無混雜換種。楊薇等[11] 設(shè)計了一種種腔自凈型氣吸式精量排種器，通過Fluent 軟件模擬驗證了當(dāng)剩余種子≤10 粒、清種時間≤1 s 的情況下，清種真空度>3 kPa 時，可保證剩余種子全部清出。張凱等[12] 使用Fluent 軟件開展了吸種器內(nèi)部氣流場的分布分析，得到了吸種器內(nèi)部壓力分布云圖和吸種孔截面云圖，并基于離散元法（DEM）建立種子顆粒模型，對排種器仿真模型進行簡化和網(wǎng)格劃分，完成了小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD 耦合仿真試驗，得出當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速20 r/min、真空度2.2 kPa 時，排種性能最佳。姜業(yè)明[13] 分析了吸孔形狀對吸種性能的影響規(guī)律，基于CFD-DEM 耦合原理進行排種器性能仿真試驗，探究排種盤型孔排列方式對排種均勻性的影響，以此為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化，選取倒角型吸孔和三角排列型型孔為排種盤的較優(yōu)結(jié)構(gòu)。劉榮榮[14]利用有限元分析軟件對不同參數(shù)條件下的排種器內(nèi)部氣流場進行仿真模擬，探尋排種器流場分布特征，并結(jié)合種子物理特性參數(shù)及在吸種過程中的理論分析結(jié)果得到每個吸孔具有穩(wěn)定吸附種子的區(qū)域，為后續(xù)研究精準(zhǔn)吸附、達到合理控制穴粒數(shù)的目的打下基礎(chǔ)。

綜上所述，眾多研究對氣吸式排種器進行了大量的仿真分析，但針對棉花小區(qū)播種機排種器的研究仍處于起步階段。為此，本研究開展基于Fluent 的組合氣吸式排種器排種過程仿真分析研究，利用Solidworks、ADMAS、Fluent、EDEM 等軟件對棉花小區(qū)播種機關(guān)鍵部件進行模擬仿真，探討關(guān)鍵部件的幾何、動力參數(shù)對吸種過程影響的機理。通過分析排種器氣流場壓力、速度云圖的變化規(guī)律和壓力、速度變化曲線，以驗證、確定排種器幾何參數(shù)、動力參數(shù)對氣流場的變化和影響規(guī)律，為設(shè)計試制播種機提供參考。

1 仿真模型構(gòu)建及仿真參數(shù)確定

1.1 組合氣吸孔和導(dǎo)向槽幾何模型

使用Solidworks 分別建立組合氣吸孔和導(dǎo)向槽三維幾何模型，如圖1 所示。密閉空間真空室由入風(fēng)口、導(dǎo)向槽和氣吸盤槽組成，棉花種子通過風(fēng)機給予入口的負(fù)壓吸附在氣吸孔處，隨氣吸盤和強制排種盤轉(zhuǎn)動由排種口排出。

1.2 仿真參數(shù)

將使用Fluent18.0 對幾何模型進行仿真分析，通過對幾何模型進行網(wǎng)格劃分、仿真模擬來觀察氣吸孔和導(dǎo)向槽的氣流場變化，并取得能使種子吸附壓強和速度發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。通過ICEM CFD 18.0 的Mesh 對模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小0.001 5，劃分后的網(wǎng)格模型如圖2a 和圖2b 所示。其中，圖2a 網(wǎng)格的總節(jié)點數(shù)191 122 個、網(wǎng)格的總單元數(shù)1 113 912 個；圖2b網(wǎng)格的總節(jié)點數(shù)190 835 個、網(wǎng)格的總單元數(shù)1 112 226個。

網(wǎng)格劃分完成后，需要對網(wǎng)格的質(zhì)量進行檢查，如圖2c 和圖2d 所示，通過Edit Mesh 中的Display MeshQuality 進行網(wǎng)格的質(zhì)量、最小角度、最大角度和最小節(jié)點角度等的檢查，經(jīng)檢查網(wǎng)格的質(zhì)量均在ICEM 網(wǎng)格質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

2 仿真模擬試驗

由于氣體在氣室內(nèi)時刻變化，仿真時選擇瞬態(tài)變化。為保證仿真計算結(jié)果的正確性，需根據(jù)雷諾數(shù)Re來確定仿真的物理模型是層流模型還是紊流模型，即Re<2300，氣流一般是層流；Re>4000，氣流一般是紊流；當(dāng)2300

式中 Re——雷諾數(shù)

ρ——空氣密度，kg/m3

v——入口處氣體速度，m/s

d——入口處管道直徑，m

η——黏性系數(shù)，Pa·s

在溫度20 °C 時， ρ=1.29 kg/m3、v=21.97 m/s、η=1.8×10?5 Pa·s、d=0.022 mm，由式（1）可以計算得到Re≈34639.47>>2300，因此應(yīng)該選擇紊流模型。紊流模型包括標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型、RNG 模型、Realizable 模型。對于紊流流動，Modle 中標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型是首選的物理模型，對于入口處的雷諾數(shù)大于規(guī)定值，選擇紊流模型非常適應(yīng)。通過Fluent 的分析指南和參考文獻，本研究選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 紊流模型。

在Fleunt 中進行計算時，要對模型賦予材料類型，內(nèi)部材料選擇為空氣，外部的壁面設(shè)置為鋁；假設(shè)流體為定常流動、不可壓縮、連續(xù)流動、瞬態(tài)過程，以及氣流的密度和黏度系數(shù)為常溫下的定值；對于入口和出口的設(shè)置，給定入口壓力和風(fēng)速的大小和方向，出口保持默認(rèn)。將INTERFACE 通過Mesh Interface 連接成一個面，設(shè)置殘差監(jiān)視的數(shù)值都為0.01，其他均保持默認(rèn)，監(jiān)視殘差參數(shù)是否收斂；通過CalculationActivities 設(shè)置每過20 步自動保存； 設(shè)置迭代步數(shù)200 步、時間設(shè)置1 s，其他設(shè)置保持默認(rèn)即可。由圖3 可知，最后迭代的次數(shù)4 組試驗都沒有超過175次就已經(jīng)達到收斂，收斂的速度還是比較快的。

3 仿真試驗結(jié)果

3.1 導(dǎo)向槽和密閉真空室

導(dǎo)向槽壓力云圖如圖4 所示，表示入口設(shè)置的壓強在300、400、500 和600 Pa 時，導(dǎo)向槽的壓力云圖變化狀況。導(dǎo)向槽速度云圖如圖5 所示，表示氣流的速度在21.97、24.1、27.3 和30.86 m/s 時，導(dǎo)向槽的速度云圖變化狀況。

由圖4 和圖5 可知，導(dǎo)向槽的氣體速度變化受圓盤上速度分布的影響，顏色越淺代表速度越小。隨著入口的壓力越大，圓盤上的速度較大的天藍色區(qū)域也不斷地向外擴展；入口速度的不斷增加，壓力云圖的變化黃色區(qū)域也不斷向外移動。導(dǎo)向槽氣流場的速度總體是繞轉(zhuǎn)動中心向外不斷減小，壓力是繞轉(zhuǎn)動中心向外不斷減小，由于導(dǎo)向槽右半邊位置與導(dǎo)向槽盤固定裝置的槽在同一位置，因此中間會有一個較大的峰值變化。

導(dǎo)向槽壓強變化趨勢如圖6 所示，在曲線的變化中有一個波峰的變化較為明顯，同時也說明導(dǎo)向槽的壓強和速度大體趨勢是遠離轉(zhuǎn)動中心時逐漸減小，越靠近轉(zhuǎn)動中心壓強和速度越大。在導(dǎo)向槽兩端的周圍由于參數(shù)的增大速度也會隨之變大，因此導(dǎo)向槽的兩端位置壓強和速度反而會突然增大，這是由于導(dǎo)向槽盤固定裝置的槽的大小與厚度變化，以及導(dǎo)向槽的槽寬變化與氣流場分布不均勻變化引起的。

選取導(dǎo)向槽氣流場速度曲線和壓強曲線的最左端、中間位置和最右端3 個位置的壓強和速度值進行分析，對3 個位置的壓強和速度取平均值，得到在入口設(shè)置不同氣流壓強和氣流速度時導(dǎo)向槽氣流場的壓強均值和速度均值，與試驗測量的氣流場壓強均值和速度均值相應(yīng)對比。

對比結(jié)果如圖7 所示，表明導(dǎo)向槽的氣流場速度試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)比較接近，壓強和速度變化趨勢在試驗和仿真過程中是相對應(yīng)的，證明試驗結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合，驗證了導(dǎo)向槽氣流場的仿真試驗具有有效性。

3.2 組合式氣吸孔和密閉真空室

Fluent 仿真試驗得到如圖8 所示的氣吸孔的壓力云圖變化狀況，其是在風(fēng)機給予一定的壓強和風(fēng)速時，氣吸孔氣流場壓強的等值線圖，將氣吸孔從右到左編制為1～7 號。

由圖8 可知，孔1、孔2 和孔3 顏色的差別較大，因此壓力變化較大，壓力分布不均勻，即孔1、孔2 和孔3 吸附種子的壓強變化急劇，吸種的穩(wěn)定性較差；對于孔3、孔4、孔5、孔6 和孔7 的壓力云圖的變化，顏色的差別無明顯變化，孔4 和孔7 的壓力分布比較均勻，對于種子的吸附作用比較穩(wěn)定。在孔4 和孔7氣流場都比較穩(wěn)定的情況下，從不同的氣吸孔下選擇一個較大的壓強和風(fēng)速將會有利于種子的吸附穩(wěn)定性。

組合氣吸式排種器的氣吸孔上的氣流場是整個氣流場的變化，分析整個氣流場的變化過于復(fù)雜，因此分別選擇最右端的孔1、中間的孔4、最左端的孔7 作對角線，分析在入口處不同的風(fēng)壓情況下，孔1、孔4和孔7 對角線上氣流場的壓強是如何變化的。通過使用后處理軟件CFD-Post 18.0 整理折線圖，最終結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可知，圖中藍色的折線是氣吸孔1，表明孔1 壓強的變化在整個氣流場中是比較明顯的，呈現(xiàn)壓強急劇減小，這與圖8 中氣吸孔的氣流場壓強云圖的變化是符合的；但是在入口壓強300 Pa 時相對于入口壓強為400、500 和600 Pa 變化幅度最小，即相對比較穩(wěn)定，這時，氣吸孔的壓強基本都穩(wěn)定在2 500 Pa 左右。對于孔4 和孔7 的壓強變化是比較均勻的，孔的壓強呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。通過在壓力折線圖的對應(yīng)位置各自選擇5 個點，取得每個氣吸孔的對角線的平均壓強大小，其代表了每個氣吸孔氣流場的壓強。通過對取點數(shù)據(jù)的計算，得到如圖9e 所示的折線圖。

由圖9e 可知，入口在不同的設(shè)定風(fēng)壓和風(fēng)速的狀況下，每個氣吸孔的壓強均值的變化，但是考慮到圖9a～圖9d 所示的孔1 處的壓力變化急劇，導(dǎo)致氣吸孔內(nèi)部氣流場的壓強分布不均勻，為了使氣吸孔1 處的壓強相對較穩(wěn)定，因此孔1 得到的壓強均值選擇為種子穩(wěn)定吸附的壓強值；通過圖9 可以觀察到孔4 和孔7 的壓強分布是比較均勻的。因此要在孔4、孔5、孔6 和孔7 之間選擇壓強和速度較大的氣吸孔，由圖9e 看出在設(shè)置的入口的不同參數(shù)下，孔4 的氣流場壓強的變化更加平緩和均勻，同時孔4 的壓強也要比孔5、孔6 和孔7 的壓強更大，能夠保證棉花種子更加穩(wěn)定的吸附在氣吸孔上。

從入口設(shè)置的不同風(fēng)速和風(fēng)壓觀察氣吸孔氣流場的變化情況，可以計算出在入口的壓力300 Pa、速度21.97 m/s 時，棉花種子能夠穩(wěn)定吸附在氣吸孔的壓強均值2 481.8 Pa、氣吸孔處氣流速度均值61.67 m/s。模擬得到的最佳壓強數(shù)值與試驗所得的氣吸孔氣流場的較好壓強2 600 Pa 是比較接近的。這表明在優(yōu)選的壓強下，排種器的吸種性能相對其他情況而言是比較良好的，有利于提高氣吸式精密排種器的排種性能。

4 結(jié)束語

通過對組合氣吸式棉花小區(qū)播種機排種器的導(dǎo)向槽和氣吸孔進行仿真模擬，根據(jù)棉花種子的理論受力求出吸附種子的臨界壓強2 166.3 Pa，與試驗所得的壓強2 600 Pa 相接近。通過分析導(dǎo)向槽氣流場的壓強云圖和速度云圖變化，得到導(dǎo)向槽氣流場的變化規(guī)律，對比導(dǎo)向槽在4 組參數(shù)下的變化，明確了導(dǎo)向槽在壓強300 Pa 和速度21.97 m/s 時中間部分的變化穩(wěn)定、波動較??；通過對氣吸孔和密閉真空室的仿真模擬數(shù)據(jù)的分析，確定了能夠使組合氣吸式排種器穩(wěn)定吸附棉花種子的最優(yōu)氣流場壓強均值2 481.8 Pa、速度均值61.67 m/s。

通過仿真試驗的分析，明確了導(dǎo)向槽氣流場的變化規(guī)律，驗證了仿真試驗的有效性和可行性，得到了組合氣吸式排種器能夠穩(wěn)定吸附棉花種子的氣流壓強和氣流速度，為后續(xù)組合氣吸式排種器的優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐。

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