氣吹式播種機(jī)氣室結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)性能的影響分析

李俊偉，胡　斌，楊文偉，羅　昕，李俊虹

(石河子大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，新疆 石河子　832003)

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氣吹式播種機(jī)氣室結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)性能的影響分析

李俊偉，胡斌，楊文偉，羅昕，李俊虹

(石河子大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，新疆 石河子832003)

摘要：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外育苗播種機(jī)供種方式的研究，設(shè)計(jì)了一種基于氣吹式供種的新方案，并對(duì)種箱氣室進(jìn)行了理論分析研究，包括種箱氣室內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型研究。同時(shí)，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)形狀的氣室，運(yùn)用Fluent軟件平臺(tái)，分別在不同高度，不同寬度、不同入口速度情況下進(jìn)行正交數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，找出各因素對(duì)種箱氣室出口流場(chǎng)均勻性和出口速度的影響規(guī)律及結(jié)果，顯示種箱氣室的入口速度和氣室寬度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響，種箱氣室結(jié)構(gòu)形狀是氣室出口速度的大小及流場(chǎng)均勻性為主要影響因素。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后期樣機(jī)的制作及其試驗(yàn)提供了有效的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：育苗播種機(jī)；氣吹供種；氣室結(jié)構(gòu)；fluent；流場(chǎng)分析

0引言

針對(duì)現(xiàn)有育苗播種機(jī)空穴率多、單粒率少，難以滿足尺寸小、外形不規(guī)整、流動(dòng)性差的加工番茄種子“一穴一粒”精量播種技術(shù)要求，從改善種子流動(dòng)性和種子吸附瞬間的空間位置姿態(tài)穩(wěn)定性入手，提出氣吹供種的新思路，并通過(guò)采用理論研究與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種基于氣吹供種方式的滾筒式番茄育苗播種機(jī)[1-2]。

對(duì)于滾筒式育苗播種機(jī)器而言，實(shí)際取種區(qū)域只有靠近滾筒附近的種子才能有效吸附[3]，所以對(duì)于氣吹式供種而言，只需要在滾筒附近20mm以內(nèi)區(qū)域施加正壓氣力即可，而種箱氣室的流場(chǎng)均勻性是保證滾筒上每一排吸孔取種均勻性的必備條件。所以，合理設(shè)計(jì)種箱氣室對(duì)氣吹式育苗播種機(jī)而言至為關(guān)鍵。

1氣吹供種原理及種箱氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　氣吹供種工作原理

基于氣吹供種的滾筒式育苗播種器結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。其主要由電機(jī)、變頻器、輸送帶、種箱、種箱供種板、番茄種子、吸種滾筒、滾筒機(jī)架、穴盤(pán)、輸送帶機(jī)架、吸吹兩用渦旋風(fēng)泵、負(fù)壓氣路調(diào)壓閥和正壓氣路調(diào)壓閥等組成。工作原理：首先供種板上種子在重力作用下沿著引導(dǎo)板滑動(dòng)到滾筒吸孔附近；吸孔附近種子在種箱氣室正壓作用下，產(chǎn)生近似的懸浮狀態(tài)，種子間接觸減少，相互分離呈沸騰狀態(tài)，便于滾筒吸種。

1.電機(jī)　2.變頻器　3.輸送帶　4.種箱　5.種箱供種板

工作時(shí)，變頻器調(diào)整電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和輸送帶傳動(dòng)；吸吹兩用渦旋氣泵負(fù)壓氣路連接支撐滾筒的負(fù)壓軸，正壓氣路連接供種板下方正壓室；通過(guò)負(fù)壓軸往滾筒內(nèi)腔通負(fù)壓，滾筒表面吸孔同負(fù)壓相通，吸孔通過(guò)兩側(cè)負(fù)壓差的作用吸附種子；滾筒繞負(fù)壓軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中先經(jīng)過(guò)左側(cè)種子箱下方滾筒刷清理滾筒壁上的雜物，再經(jīng)過(guò)氣吹式種子箱，種箱內(nèi)供種板上的種子在正壓氣室的作用下“沸騰”跳動(dòng)，滾筒經(jīng)過(guò)供種板時(shí)完成吸氣取種。

1.2　氣室結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組通過(guò)理論及懸浮測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得番茄種子的懸浮速度為3.7m/s左右[2]，因此為使種箱供種板上番茄種子沸騰，施加的氣吹力不需要很大。為了保證滾筒附近8個(gè)吸孔施加的正壓氣吹力均勻，設(shè)計(jì)長(zhǎng)條狀氣室(見(jiàn)圖2)中間加隔板分成相同的8個(gè)單獨(dú)氣室，只需要對(duì)每個(gè)單獨(dú)氣室做流場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)找出氣室寬度、高度、結(jié)構(gòu)形狀的最優(yōu)組合即可。

圖2　種箱氣室結(jié)構(gòu)圖

2基于Fluent的種箱氣室模型構(gòu)建

根據(jù)前期理論及實(shí)際情況要求分析，設(shè)計(jì)了3種氣室結(jié)構(gòu)，如圖3所示；具體參數(shù)如表1所示。

圖3　3種種箱氣室結(jié)構(gòu)圖

氣室形狀氣室高度H/mm氣室寬度B/mm入口速度/m·s-1I301510Ⅱ301510Ⅲ301510

3基于Fluent的種箱流場(chǎng)仿真及結(jié)果分析

3.1　仿真參數(shù)設(shè)置

在Fluent軟件平臺(tái)里[4]，對(duì)設(shè)計(jì)的3種氣室進(jìn)行相應(yīng)的邊界條件的設(shè)置[5-6]，在Gambit中將入口邊界條件設(shè)置為Velocity-INLET(速度入口)，出口邊界條件設(shè)置為PRESSURE-OUTLET(壓力出口)。在有湍流和回流的出口邊界壓力出口邊界條件比outflow邊界條件更容易收斂。入口邊界條件都是φ12，其余面設(shè)置成wall 面；繼而進(jìn)行仿真求解器的設(shè)置，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后即可運(yùn)行求解。

3.2　仿真結(jié)果分析

3.2.1氣室結(jié)構(gòu)形狀對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響分析

氣室流場(chǎng)計(jì)算與結(jié)果如圖4所示。

氣室Ⅰ

氣室Ⅱ

氣室Ⅲ

由圖4可以看出：在入口速度相同的情況下，氣室Ⅲ相對(duì)氣室Ⅰ、Ⅱ出口面的氣流場(chǎng)速度分布較均勻，3種氣室結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)均勻性依次為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，3種氣室結(jié)構(gòu)出口面的平均速度分別為4.25、4.5、4.75m/s。速度流場(chǎng)的不均勻性主要發(fā)生在近壁區(qū)域，主要是由于邊壁的限制、射流受阻，同時(shí)孔口出口處周?chē)鷼怏w被帶走，形成低壓促成氣體折回，沿兩側(cè)邊界回流。

由圖5可以看出(圖例所示實(shí)心倒三角黑色表示入口壓力分布圖，空心菱形表示出口壓力分布圖)：入口速度相同，入口直徑相同，不同氣室結(jié)構(gòu)的入口壓力分布曲線基本相同；比較Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種氣室結(jié)構(gòu)出口面的壓力分布，發(fā)現(xiàn)出口壓力分布均勻性Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，與前面出口流場(chǎng)速度分布均勻性分析結(jié)構(gòu)一致。仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

氣室Ⅰ

氣室Ⅱ

氣室Ⅲ

氣室形狀氣室高度H/mm氣室寬度/mm入口速度/m·s-1均勻性平均速度/m·s-1I301510基本均勻4.25Ⅱ301510均勻4.5Ⅲ301510較均勻4.75

3.2.2氣室高度對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響分析

選擇入口速度為10m/s，寬度B為15mm,高度H分別為20、24、27、30mm的第三種氣室結(jié)構(gòu)(即氣室Ⅲ)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

(a)　高度20mm

(b)　高度24mm

(c)　高度27mm

(d)　高度30mm

氣室高度/mm氣室形狀氣室寬度/mm入口速度/m·s-1均勻性平均速度/m·s-120Ⅲ1510不均勻524Ⅲ1510基本均勻4.727Ⅲ1510均勻4.530Ⅲ1510較均勻4.75

由圖6可以看出：隨著高度的增加，氣室流場(chǎng)均勻性逐漸增加，高度從20mm到27mm ,流場(chǎng)的均勻性顯著增加。這是因?yàn)闅饬鲝臍馐胰肟谶M(jìn)入之后形成了向周?chē)鷶U(kuò)散的錐體狀流動(dòng)場(chǎng)，有限空間內(nèi)射流，由于邊壁的限制，射流受阻，同時(shí)孔口出口處周?chē)鷼怏w被帶走，形成低壓促成氣體折回，沿兩側(cè)邊界回流隨著高度增加，氣室內(nèi)的流場(chǎng)得到充分發(fā)展，速度散點(diǎn)分布越來(lái)越集中。而高度從27mm增到30mm時(shí),氣室內(nèi)射流趨于穩(wěn)定，均勻性逐漸放緩，高度對(duì)氣室出口流場(chǎng)均勻性的影響減緩。

由圖7可以看出：隨著氣室高度從20mm到27mm的增加，氣室出口平均速度逐漸降低。這是由于進(jìn)入氣室的氣流在不斷的射流過(guò)程中，帶入周?chē)鷼怏w，使得射流外邊界不斷向外擴(kuò)散；而且由于氣流間的動(dòng)量、能量交換、氣體內(nèi)部的粘性效應(yīng)及管道內(nèi)的沿程損失,使氣室內(nèi)的氣體速度隨著高度的增加逐漸降低。

圖7　出口面平均速度隨氣室高度變化曲線

3.2.3氣室寬度對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響分析

選擇入口速度為10m/s，高度為30mm,寬度分別為13、15、17、19mm的第3種氣室結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

(a)　寬度13mm

(b)　寬度15mm

(c)　寬度17mm

(d)　寬度19mm

圖9　出口面平均速度隨氣室寬度變化曲線

Fig.9Air chamber outlet mean velocity along with the width changing curve

表4　不同氣室寬度結(jié)構(gòu)流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果

由圖8仿真結(jié)果可知：隨著種箱氣室寬度的增加，氣室出口的流場(chǎng)均勻性逐漸降低；寬度為13、15mm時(shí)氣室出口的流場(chǎng)均勻性都較好，寬度從15mm變化成19mm，氣室出口的流場(chǎng)均勻性顯著性的降低，尤其寬度成19mm時(shí)，氣室出口流場(chǎng)已經(jīng)變得非常的紊亂。由圖9可知：氣室寬度為13、15、17mm、出口面的速度平均值分別為5.5、4.75、4m/s，氣室寬度在保證出口面速度流場(chǎng)均勻性的有效范圍內(nèi)，隨著寬度的增加，出口面的速度平均值逐漸降低。

4氣室出口流場(chǎng)均勻性綜合性能模擬正交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用三水平四因素正交表L9(3)4，氣室高度和寬度都是依據(jù)單因素仿真實(shí)驗(yàn)找出的有效值，氣室利用Fluent 自帶的Gambit軟件創(chuàng)建模型，實(shí)驗(yàn)根據(jù)各因素不同的水平組合更改模型，轉(zhuǎn)入Fluent 進(jìn)行有限元計(jì)算。其中，A種箱氣室結(jié)構(gòu)，B氣室高度H(mm)，C氣室寬度B(mm)，D入口速度(m/s)。表5及表6為正交試驗(yàn)因素的水平表。

表5　氣室正交實(shí)驗(yàn)因素水平表a

表6　氣室正交實(shí)驗(yàn)因素水平表b

續(xù)表6

實(shí)驗(yàn)方案及仿真計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7　實(shí)驗(yàn)方案及仿真計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件SPSS進(jìn)行處理，極差分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表8所示，從表8中可以看出：氣室高度的極差值最小，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果影響最小，因而把它作為誤差估計(jì)，用以檢驗(yàn)其他因素作用的顯著性[7-8]。剔除變量B因素，用SPSS重新計(jì)算，得方差分析結(jié)果如表9所示。

表8　實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析

續(xù)表8

表9實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析

Table 9The results of variance analysis

因變量:出口速度

源III型平方和df均方FSig.校正模型7.022a61.170113.8650.009截距130.3401130.34012681.757.000A氣室結(jié)構(gòu)0.22120.11010.7300.085C氣室寬度1.84720.92489.8650.011D入口速度4.95422.477241.0000.004B氣室高度0.02120.010誤差0.02120.010總計(jì)137.3839校正的總計(jì)7.0428

a.R2=0.997，調(diào)整R2=0.988。

由極差、方差分析結(jié)果分析可知：各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要次序?yàn)椋喝肟谒俣?> 氣室寬度 > 氣室結(jié)構(gòu) > 氣室高度。而各個(gè)因素的水平對(duì)結(jié)果的強(qiáng)弱順序是：A3 > A2 > A1，B3 > B2 > B1，C1 > C2 > C3，D3 > D2 > D1。種箱氣室的入口速度和氣室寬度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響(PA=0.004<0.05、PB=0.011<0.05)，種箱氣室結(jié)構(gòu)形狀是氣室出口速度的大小及流場(chǎng)均勻性較主要影響因素，種箱氣室高度相對(duì)其他影響因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是相對(duì)最弱的。

5結(jié)論

對(duì)種箱氣室進(jìn)行了理論分析研究，包括種箱氣室內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型研究，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)形狀的氣室在不同高度、不同寬度、不同入口速度情況下正交數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，找出了各因素對(duì)種箱氣室出口流場(chǎng)均勻性及出口速度的影響規(guī)律。本研究為后續(xù)物理樣機(jī)的試制與試驗(yàn)提供了理論分析基礎(chǔ)。

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Flow Field Performance Analysis of Seed-box Gas Chamber Structure in Cylinder Precision Tomato Seeder Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Li Junwei, Hu Bin, Yang Wenwei, Luo Xin， Li Junhong

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832003,China)

Abstract：Through the study of domestic and foreign seeder for the kind of way, a new method was designed based on the Pneumatic suspension seed supply. And the box chamber was studied theoretically,including internal flow mathematical model of the seed-box air chamber. Design three kinds of structural shapes of the gas chamber with different height, different width, different inlet velocity. In order to find out the effect of each factor on the export of a box chamber flow field uniformity and the exit velocity ,the orthogonal numerical simulation experiment was carried out by the Fluent software platform. The results showed that the inlet velocity and chamber width of the species have significant effect on the experimental results (PA=0.004<0.05, PB=0.011<0.05). The structural shape of the seed-box chamber was the main factor affecting the outlet velocity of the gas chamber and the flow field uniformity.The simulation results provide a theoretical basis for the production and testing of the latter prototype.

Key words：seedling planter； pneumatic suspension seed supply； air chamber structure； fluent； flow field performance analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0069-07

作者簡(jiǎn)介：李俊偉(1987-),男，湖南寧遠(yuǎn)人，講師，(E-mail)emillee2011@163.com。通訊作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) hb_mac@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265045)

收稿日期：2015-10-07