油麥兼用氣送式集排器輸種管道氣固兩相流仿真與試驗

雷小龍 廖宜濤 張聞宇 李姍姍 王 都 廖慶喜

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070)

油麥兼用氣送式集排器輸種管道氣固兩相流仿真與試驗

雷小龍 廖宜濤 張聞宇 李姍姍 王 都 廖慶喜

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070)

為研究種子在油麥兼用氣送式集排器輸種管道中的遷移規(guī)律，運(yùn)用EDEM-CFD耦合仿真方法分析了輸種管道直徑、長度、橫縱管道長度比(k)和接頭形式對種子運(yùn)動特性和氣流場的影響；臺架試驗研究了輸種管道結(jié)構(gòu)對排種性能的影響。結(jié)果表明：種子在輸種管道中受力與速度主要沿管道軸線方向，與氣流速度相同，種子遷移的動力主要源自流體阻力。管道出口處種子速度隨k增加呈先降后升的趨勢，輸種管道結(jié)構(gòu)顯著影響各行平均排種量和各行排量一致性變異系數(shù)。當(dāng)輸種管道直徑、長度和k分別為42 mm、1.0 m和2/3時，管道出口處種子速度、兩相流相對速度和壓強(qiáng)損失較小，排種性能較優(yōu)。接頭為彎管的輸種管道出口處種子速度明顯高于接頭為折線形管道，兩相流相對速度表現(xiàn)為彎管低于折線形接頭；彎管半徑100 mm的輸種管道氣流場和種子分布均勻，壓強(qiáng)損失較小。供種裝置轉(zhuǎn)速為10～40 r/min時，排種油菜、小麥時各行排量一致性變異系數(shù)分別低于4.0%和5.0%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率分別低于1.0%和0.1%。

油菜； 小麥； 氣送式集排器； 輸種管道； 氣固兩相流； 排種性能

引言

精量播種和通用性強(qiáng)是提高油菜、小麥等作物產(chǎn)量和機(jī)具利用率的重要途徑[1-2]，氣送式集排器具有適應(yīng)作物種類多、高速和高效等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外播種機(jī)排種器發(fā)展的主要趨勢[3]。國外以大型氣送式播種機(jī)為主，幅寬和工作效率均較高，適應(yīng)大型農(nóng)場播種作業(yè)和旱區(qū)作業(yè)，不適應(yīng)我國當(dāng)前土地經(jīng)營方式與水旱輪作種植模式，且價格昂貴。氣送式集排器采用機(jī)械供種、氣流輸送分配成行的播種方式[4]，其中輸種管道影響種子在管道中的分布狀態(tài)和分配效果。

輸種管道結(jié)構(gòu)不僅影響種子的運(yùn)動狀態(tài)，對播種機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和壓強(qiáng)損失等也會產(chǎn)生影響。常金麗等[5]根據(jù)排種系統(tǒng)的整體高度設(shè)計了垂直輸送管道的長度，并計算了壓強(qiáng)損失。相關(guān)學(xué)者也開展了物料在管道中運(yùn)動的動力學(xué)研究，計算了鉛垂管道和彎管的壓強(qiáng)損失[6-7]。由于種子在輸種管道內(nèi)形成的氣固兩相流較復(fù)雜，用數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確描述種子的運(yùn)動特性及氣流場，需采用輔助軟件進(jìn)行分析。近年來，隨著離散單元法(DEM)和計算流體動力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究多相流和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具[8-10]。龔智強(qiáng)等[11]運(yùn)用Fluent軟件研究了吸種區(qū)域氣流場中種子的受力情況，確定了影響種子受力的因素。林達(dá)平等[12]利用Fluent軟件模擬了細(xì)顆粒在管道內(nèi)流動時的運(yùn)動特性。杜俊等[13]利用CFD-DEM方法對氣固兩相流在帶有彎管的氣力輸送管道內(nèi)的流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬。韓云龍等[14]采用數(shù)值模擬方法分析了管道結(jié)構(gòu)形式對顆粒物沉降的影響。氣固耦合廣泛用于研究顆粒、顆粒與顆粒間和顆粒與殼體間的運(yùn)動狀態(tài)及氣流場的特征[15-17]。并且，氣固耦合在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域被用于研究顆粒在氣流場的分布及優(yōu)化工作參數(shù)[18-19]。

為提高氣送式集排器的通用性和排種均勻性，前期已設(shè)計一種油麥兼用傾斜錐孔輪式供種裝置，可實(shí)現(xiàn)油麥兼用及變量供種[20]。鑒于種子在輸種管道的運(yùn)動狀態(tài)及分布影響集排器的排種均勻性，種子與氣流形成的氣固兩相流又難以通過數(shù)學(xué)模型描述，本文采用離散元仿真軟件EDEM與計算流體動力學(xué)軟件Fluent耦合的方法，對種子在輸種管道中的遷移過程進(jìn)行氣固兩相流模擬。仿真研究輸種管道結(jié)構(gòu)對種子運(yùn)動特性和氣流場的影響，并通過試驗研究輸種管道結(jié)構(gòu)對集排器排種性能的影響，明確較優(yōu)的管道結(jié)構(gòu)形式。

1 油麥兼用集排器輸種管道結(jié)構(gòu)

1.1 油麥兼用集排器結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 油麥兼用氣送式集排器與輸種管道結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure sketches of air-assisted centralized metering device and seed conveying tube for rapeseed and wheat1.地輪 2.播種機(jī)機(jī)架 3.供氣管道 4.風(fēng)機(jī) 5.中間過渡軸 6.變速裝置 7.種箱 8.供種裝置 9.分配器 10.增壓管 11.輸種管道 12.供料裝置 13.導(dǎo)種管 14.雙圓盤開溝器 15.橫向管道 16.接頭 17.縱向管道

油麥兼用氣送式集排器主要由供種裝置、供料裝置、分配器、輸種管道、增壓管、風(fēng)機(jī)和開溝器等組成，如圖1a所示。播種機(jī)工作時，地輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動中間過渡軸轉(zhuǎn)動，從而帶動變速裝置與供種裝置轉(zhuǎn)動，供種裝置根據(jù)農(nóng)藝播種要求提供的均勻種子流與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流在供料裝置中混合形成氣固兩相流，在輸種管道中氣固兩相流充分混合，同時輸送種子流至增壓管進(jìn)入分配器中均勻分配成行，進(jìn)入導(dǎo)種管至開溝器，完成播種過程。以幅寬為2 000 mm的油麥兼用型氣送式集排器為研究對象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 氣送式集排器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of air-assisted centralized metering device

輸種管道是連接供料裝置與增壓管的關(guān)鍵部件，影響分配器的安裝位置、管道壓強(qiáng)損失和種子速度等，進(jìn)而可能影響排種均勻性等，其結(jié)構(gòu)如圖1b所示。輸種管道包括橫向管道、縱向管道和接頭3部分，橫向管道與供料裝置連接，縱向管道與增壓管連接，橫向管道與縱向管道間通過接頭連接起來。種子在橫向管道(長度為l)向縱向管道(長度為h)運(yùn)動過程中改變種子遷移軌跡，氣流與種子相互作用推動種子遷移，將氣固兩相流送入分配器。

1.2 輸種管道主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣固耦合模型

種子在輸種管道中運(yùn)動狀態(tài)主要受輸種管道結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為管道直徑、管道長度和接頭類型，工作參數(shù)主要包括風(fēng)速與料氣輸送比。

1.2.1 輸種管道主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)

根據(jù)顆粒在輸種管道的輸送理論[5]，入口風(fēng)速可表示為

(1)

式中vg——入口風(fēng)速，m/skL——物料粒度系數(shù)ρp——顆粒密度，Mg/m3kd——物料特性系數(shù)L——管道長度，m

當(dāng)顆粒的粒徑在1～10 mm時，kL取值為16～20，由于油菜和小麥的當(dāng)量直徑低于5 mm，因此取kL為16。油菜、小麥密度分別為1 060、1 350 kg/m3。物料特性系數(shù)kd取值為(2～5)×10-5，而輸種管道長度一般不超過2 m，研究中忽略物料特性系數(shù)對風(fēng)速的影響。為保證輸種管道氣流的速度，保留10%的冗余時油菜、小麥的輸種速度分別為18.12、20.45 m/s。

料氣輸送比是衡量種子在氣流中的質(zhì)量比例，可表示為

(2)

其中

(3)

式中ψ——料氣輸送比Gp——單位時間顆粒輸送質(zhì)量，g/sGg——單位時間氣流輸送質(zhì)量，g/s

ρg——空氣密度，取1.205 kg/m3D——輸種管道直徑，m

綜合式(1)～(3)，得

(4)

根據(jù)油麥兼用的播種量要求，在前進(jìn)速度為3.6 km/h時，單位時間油菜、小麥的播種量范圍分別為0.63～1.43 g/s和10.49～35.98 g/s。由于種子在輸種管道中的氣固兩相流為稀相流，料氣輸送比ψ取值范圍為0.1～1.0，本研究取值為0.9，得到輸種管道直徑為41.96 mm。結(jié)合管道實(shí)際尺寸，修正輸種管道直徑為42 mm。

1.2.2 氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型

為分析種子在氣流場中的運(yùn)動狀態(tài)，采用計算流體力學(xué)和離散元法分析氣固兩相流的特性。輸種管道內(nèi)氣體流動屬于不可壓縮湍流運(yùn)動，顆粒在氣流場中的運(yùn)動遵循牛頓第二定律。

湍流運(yùn)動嚴(yán)格遵循質(zhì)量守恒和動量守恒規(guī)律，在計算流體力學(xué)中對應(yīng)的方程為連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程[16]，表達(dá)式為

(5)

(6)

其中

(7)

式中εg——?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù)，%p——?dú)庀鄩簭?qiáng)，Paτ——粘性應(yīng)力張量Rgp——單元網(wǎng)格的氣固兩相流間的動量交換量

g——重力加速度，m/s2

Fp,i——作用于顆粒i的合力n——特定網(wǎng)格內(nèi)的顆粒數(shù)量 ΔV——網(wǎng)格的體積

由于顆粒占輸種管道中氣流體積小于10%，采用Lagrangian方法分析顆粒在輸種管道無碰撞的運(yùn)動。在氣流場中，顆粒受到重力、浮力、流體阻力、Saffman升力和Magnus升力等的作用，即

(8)

(9)

式中FD——流體阻力，NFGB——重力與浮力的合力，NFSa——Saffman升力，NFMa——Magnus升力，NIp——顆粒轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2ωp——顆粒的角速度，rad/sT——顆粒扭矩，N·mvp——顆粒速度，m/st——時間

作用在顆粒上的流體阻力為

(10)

式中CD——阻力系數(shù)

阻力系數(shù)CD[21]計算式為

(11)

其中

式中dp——顆粒直徑，mμg——?dú)怏w粘度，Pa·sRep——顆粒雷諾數(shù)

重力與浮力的合力FGB為

(12)

式中mp——種子質(zhì)量，kg

顆粒受到的升力包括Saffman升力和Magnus升力等作用力，Saffman升力FSa又稱剪切升力，是由于固體顆粒在有速度梯度的流場中運(yùn)動時，顆粒兩側(cè)流速不同產(chǎn)生的由低速向高速方向的升力；Magnus升力FMa是固體顆粒在流場中自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個與流場流動方向垂直的由逆流指向順流側(cè)方向的力。

(13)

其中

(14)

式中CSa——剪切升力系數(shù)ReS——顆粒的剪切流雷諾數(shù)

剪切升力系數(shù)為

CSa=

(15)

式中γ——顆粒剪切流雷諾數(shù)與顆粒雷諾數(shù)比值

(16)

種子在輸種管道的運(yùn)動包括直線運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動2種方式，種子運(yùn)動方向與流體阻力FD方向一致，則種子在橫向管道和縱向管道的受力存在差異。因此，橫縱管道直徑、長度和接頭結(jié)構(gòu)對氣流場分布、種子運(yùn)動、種子與管壁間碰撞以及種子遷移軌跡等均會產(chǎn)生影響，導(dǎo)致種子在氣流場中的運(yùn)動特性較復(fù)雜，難以通過數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確描述，采用EDEM-CFD耦合能較好地闡釋種子在氣流場中的運(yùn)動狀態(tài)。通過理論分析結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)為構(gòu)建仿真模型和設(shè)置邊界條件提供依據(jù)，確定了輸種管道三維模型和氣流進(jìn)出口初始條件等；氣固兩相流數(shù)學(xué)模型為數(shù)值模擬選擇耦合方法、種子在氣流場的受力類型和氣流流動參數(shù)提供參考。

2 氣流場中種子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)值模擬

2.1 EDEM-CFD耦合仿真方法

圖2 EDEM-CFD耦合仿真流程圖Fig.2 Flow chart of EDEM-CFD coupling

在EDEM-CFD耦合仿真中，計算流體力學(xué)和離散元法分別采用Fluent 12.0和EDEM 2.2軟件進(jìn)行仿真。輸種管道中的流體視為不可壓縮的流體，EDEM-CFD耦合仿真過程如圖2所示，氣流場由CFD求解器進(jìn)行求解，通過EDEM-CFD耦合方法計算作用于顆粒上的流體阻力、重力和浮力等，仿真各個步長內(nèi)顆粒的運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)仿真時間未到設(shè)定值時，不斷迭代計算單位步長內(nèi)的氣流場和顆粒運(yùn)動狀態(tài)。

2.2 仿真模型和仿真參數(shù)設(shè)置

采用Workbench 12.0劃分網(wǎng)格，使用分塊的四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)如圖3所示。對于氣流相，入氣口設(shè)為氣流速度入口；入料口和出料口設(shè)為氣流速度出口。入料口為種子連續(xù)進(jìn)入供料裝置中的通道，入氣口為高速氣流入口，出料口為種子與氣流的氣固兩相流出口。

圖3 輸種管道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Grid structure of seed conveying tube1.入氣口 2.入料口 3.供料裝置 4.輸種管道 5.出料口

由于種子在氣流場所占體積分?jǐn)?shù)低于10%，EDEM-CFD耦合仿真選用Eulerian- Lagrangian方法耦合。根據(jù)理論分析，氣流作用于顆粒上的力選擇Freestream Equation流體阻力、Saffman升力和Magnus升力模型。氣體流動為湍流運(yùn)動，連續(xù)相的氣流場模擬采用Fluent軟件中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；EDEM仿真中選取Hertz-Mindlin無滑動接觸模型。仿真中模型外殼材料為鋁合金，種子和鋁合金的材料特性及其相互間的力學(xué)特性[22-23]和氣流場參數(shù)見表2。由于EDEM仿真的時間步長要遠(yuǎn)低于CFD，EDEM和CFD的時間步長分別設(shè)為5×10-6s和1×10-3s，總仿真時長為2.0 s。

2.3 仿真方法

為驗證理論分析的合理性和分析輸種管道結(jié)構(gòu)對氣流場、種子運(yùn)動特性的影響，開展了輸種管道直徑D、輸種管道長度L和橫縱管道長度比k對氣固兩相流影響的仿真研究，L為橫向管道長度l與縱向管道長度h之和，k為橫向管道長度l與縱向管道長度h之比。仿真模型中輸種管道直徑D設(shè)36、42、48 mm 3個水平，輸種管道長度L設(shè)0.5、1.0、1.5、2.0 m共4個水平，橫縱管道長度比設(shè)1/4、2/3、1、3/2、4共5個水平。仿真時通過導(dǎo)入不同的輸種管道幾何模型，排種油菜、小麥的入口風(fēng)速分別為16 m/s和20 m/s，接頭采用半徑R為100 mm的圓弧形管道。

為獲得較優(yōu)的接頭結(jié)構(gòu)，開展接頭結(jié)構(gòu)對種子在氣流場中運(yùn)動特性影響的仿真。接頭包括彎頭和折線型2種形式，如圖4所示。彎頭的半徑(R)取50 mm、100 mm和150 mm；折線形接頭的傾角(θ)設(shè)30°、45°、60°共3種形式，高度h1為100 mm。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Computational parameters used in simulations

圖4 輸種管道接頭結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Joint’s structure sketches of seed conveying tube

2.4 仿真結(jié)果與分析

2.4.1 管道直徑對氣流場和種子運(yùn)動特性的影響

管道出口處種子的合力、合速度、氣流速度和兩相流相對速度均隨管徑增加而降低(表3)，壓強(qiáng)損失以管徑42 mm為最低。種子分布隨輸種管道直徑增加呈密集的趨勢(圖5)。輸種管道直徑為42 mm條件下，油菜、小麥種子在輸種管道分布均較均勻，兩相流相對速度和壓強(qiáng)損失較小，與理論分析結(jié)果一致，能夠滿足油菜、小麥的輸送要求。

2.4.2 管道長度對氣流場和種子運(yùn)動特性的影響

輸種管道直徑和長度分別為42 mm和0.5 m時，管道出口處種子的合力和合速度高于其他長度處理(表4)，種子主要沿管壁運(yùn)動。管道長度在1.0～2.0 m范圍內(nèi)出口處種子速度差異較小，種子最大速度高于出口速度(圖6a)，其原因是橫向管道較長時，種子速度在橫向管道中達(dá)到最高。該輸種管道長度下種子與氣流混合較均勻(圖6)，表明當(dāng)輸種管道長度達(dá)到1.0 m時，種子分布均勻，壓強(qiáng)損失較小，因此本研究取輸種管道長度為1.0 m。

表3 輸種管道直徑對氣流場和種子運(yùn)動特性的影響Tab.3 Effects of conveying tube diameter on airflow field and seed motion characteristics

圖5 不同輸種管道直徑下種子分布狀態(tài)Fig.5 Seed distributions in conveying tube under different tube diameters表4 輸種管道長度對氣流場和種子運(yùn)動特性的影響Tab.4 Effects of conveying tube length on airflow field and seed motion characteristics

管道長度L/m橫縱管道長度比k合力/N氣流速度/(m·s-1)出口種子速度/(m·s-1)兩相流相對速度/(m·s-1)種子轉(zhuǎn)速/(r·min-1)壓強(qiáng)損失/Pa1/42.28×10-418.0310.117.9281332.1910.422/32.27×10-417.899.038.8683321.7932.190.512.25×10-417.649.148.4989838.8926.143/21.59×10-417.718.459.2682561.1922.8841.23×10-417.948.369.5974284.8925.931/43.20×10-518.099.558.5370187.3926.182/36.36×10-517.718.369.3569395.7912.481.015.06×10-518.097.1110.9789420.2901.893/26.55×10-517.926.3711.5569309.6923.2841.06×10-417.937.1410.7998980.6917.251/47.21×10-518.058.359.7059143.0929.872/38.13×10-517.867.3410.5379115.3943.611.511.12×10-417.927.1410.7743422.5956.543/28.07×10-517.716.1411.5755767.9933.4549.93×10-517.817.1210.6961515.8927.511/44.06×10-518.158.759.4061800.5950.202/31.38×10-417.707.2610.4433101.7943.612.011.25×10-417.927.1310.7842764.2956.543/21.45×10-417.826.8810.9454586.1938.8641.00×10-417.848.079.7782843.1958.50

圖7b表明管道出口處種子速度隨k增加呈先降后升的趨勢。在輸種管道長度為1.0 m和橫縱管道長度比k為2/3、1、3/2條件下，種子在輸種管道的分布均較均勻，種子與氣流能充分混合(圖8)。綜合考慮兩相流相對速度和氣固相混合均勻性，本研究選取k為2/3。

圖6 不同管道長度內(nèi)油菜種子分布狀態(tài)Fig.6 Seed distributions in conveying tube under different lengths for rapeseed

圖7 油菜種子速度在輸種管道內(nèi)的變化趨勢Fig.7 Changing trends of seed velocity in conveying tube for rapeseed

圖8 不同橫縱管道長度比條件下管道內(nèi)油菜種子分布狀態(tài)Fig.8 Seed distributions in conveying tube under different ratios of lateral to longitudinal tube lengths for rapeseed

2.4.3 輸種管道接頭形式對種子運(yùn)動特性的影響

由表5可知，接頭為彎管的輸種管道出口處種子速度明顯高于接頭為折線形管道，兩相流相對速度和壓強(qiáng)損失表現(xiàn)為彎管低于折線形接頭。管道出口處的種子速度隨彎管半徑增加而增加，而兩相流相對速度隨之降低，壓強(qiáng)損失以彎管半徑100 mm最低。

彎管內(nèi)氣流速度分布均勻性優(yōu)于折線形接頭(圖9)；彎管半徑為100、150 mm比半徑為50 mm的氣流速度分布更均勻。彎管半徑為100 mm的彎管入口截面的氣流分布均勻，未出現(xiàn)氣流渦流區(qū)和滯留區(qū)。種子在折線形接頭的縱向管道中的分布狀態(tài)更集中(圖10)，種子與管壁碰撞加劇。從種子分布狀態(tài)來看，彎管半徑為50 mm和100 mm的結(jié)構(gòu)與管壁有較多碰撞，彎管半徑為150 mm的管道中的種子沿管壁運(yùn)動。綜合來看，彎管半徑100 mm的輸種管道氣流場和種子分布均勻，壓強(qiáng)損失較小。

表5 輸種管道接頭形式對氣流場和種子運(yùn)動特性的影響Tab.5 Effects of joint’s structure on airflow field and seed motion characteristics

圖9 不同輸種管道接頭形式的氣流分布圖Fig.9 Airflow distributions under different joint’s structures of seed conveying tube

圖10 不同輸種管道接頭形式油菜種子分布狀態(tài)Fig.10 Seed distributions under different joint’s structures of seed conveying tube

圖11 油菜、小麥種子在輸種管道的受力與速度變化曲線Fig.11 Changing curves of force and velocity of seed in seed conveying tube for rapeseed and wheat

2.4.4 種子在輸種管道中遷移過程分析

為分析種子在輸種管道中的遷移過程，對種子在輸種管道長度為1.0 m和k為2/3的管道中的受力和速度進(jìn)行分析(圖11)。種子在供料裝置種子入口中(OA段)受重力作用，種子沿Z方向運(yùn)動；種子受到氣流的作用沿橫向管道運(yùn)動(AB段)，種子受力達(dá)到極大值，主要為Y方向受力(即種子運(yùn)動方向)，種子合速度和Y方向速度急劇增加，Z方向速度有所增加。種子沿Y方向遷移使種子與氣流相對速度減小，種子受力減小，速度增加。當(dāng)種子通過彎管進(jìn)入縱向管道(BC段)，種子運(yùn)動由Y方向改變?yōu)?Z方向，-Z方向受力和速度均快速增加至穩(wěn)定值。因此，種子在輸種管道中受力與速度主要沿管道軸線方向，與氣流速度相同；推動種子遷移主要源自于流體阻力。

3 臺架試驗

3.1 試驗材料與方法

以華油雜62和鄭麥9023為試驗材料，華油雜62的千粒質(zhì)量為4.67 g，含水率為7.15%；鄭麥9023的千粒質(zhì)量為44.87 g，含水率為8.44%。試驗設(shè)備及裝置如圖12所示，油麥兼用氣送式集排器的增壓管長度為300 mm，分配器均勻?qū)⒎N子流分成8行。

圖12 油麥兼用氣送式集排器試驗裝置實(shí)物圖Fig.12 Platform of air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat1.風(fēng)機(jī) 2.調(diào)壓閥 3.減速電動機(jī) 4.種箱 5.供種裝置 6.種子袋 7.分配器 8.增壓管 9.輸種管道 10.彎頭 11.試驗臺架

為分析管道結(jié)構(gòu)對油麥兼用集排器排種性能的影響，并驗證EDEM-CFD耦合仿真的合理性，開展了輸種管道長度和橫縱管道長度比k2個因素對排種性能影響的試驗。輸種管道長度L設(shè)0.5 m、1.0 m和1.5 m 3個水平，橫縱管道長度比k設(shè)1/4、2/3和4共3個水平，輸種管道直徑和彎管半徑分別為42 mm和100 mm，油菜、小麥入口風(fēng)速分別為16 m/s和20 m/s。為考察供種速率對排種性能的影響，試驗中排種油菜、小麥時供種轉(zhuǎn)速為10～40 r/min，增量為10 r/min。

試驗以GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī) 試驗方法》為依據(jù)，開展輸種管道對排種性能影響的試驗。用種子袋收集排種管排出的種子，稱量凈質(zhì)量，采集時間為1 min，重復(fù)5次，計算不同處理下各行排種量、各行排量一致性變異系數(shù)、排種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率[20,24]。應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行方差分析。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 模型驗證

為檢驗EDEM-CFD氣固耦合仿真及參數(shù)的合理性，對比分析了高速攝像和仿真時種子在輸種管道中的分布狀態(tài)，如圖13所示。對比試驗和仿真時種子的分布狀態(tài)可知，種子在輸種管道中均處于離散狀態(tài)。由于種子運(yùn)動軌跡具有隨機(jī)性，種子在輸種管道的分布不完全相同，但趨勢一致。文獻(xiàn)[22]已驗證EDEM仿真模型及參數(shù)的合理性，綜合比較顆粒在管道的分布狀態(tài)，表明該氣固兩相流模型與參數(shù)選擇是合理的。

圖13 高速攝像與仿真中種子狀態(tài)Fig.13 Seed distributions between image using high-speed camera and simulation

3.2.2 輸種管道結(jié)構(gòu)對排種性能的影響

表6表明，各行平均排種量隨輸種管長度增加呈降低的趨勢。排種油菜時，輸種管道長度與橫縱管道長度比間交互作用極顯著影響各行排量一致性變異系數(shù)，當(dāng)管道長度為0.5 m和1.0 m時，各行排量一致性變異系數(shù)以k為2/3最低；當(dāng)管道長度為1.5 m時，k為1/4和4時的各行排量一致性變異系數(shù)均較低。排種小麥時，橫縱管道長度比顯著影響各行排量一致性變異系數(shù)，當(dāng)k為2/3時均較低。輸種管道結(jié)構(gòu)對總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率影響不顯著。該研究的油麥兼用氣送式集排器幅寬2.0 m，當(dāng)輸種管道長度和橫縱管道長度比分別為1.0 m和2/3時，排種性能較優(yōu)，該結(jié)果與EDEM-CFD氣固耦合仿真結(jié)果一致。

表6 輸種管道結(jié)構(gòu)對排種性能的影響Tab.6 Effects of seed conveying tube structure on seeding performance for rapeseed and wheat

注：** 和*分別表示方差分析在P<0.01和P<0.05水平上顯著。

3.2.3 供種速率對排種性能的影響

當(dāng)輸種管道長度和橫縱管道長度比分別為1.0 m和2/3時，供種裝置轉(zhuǎn)速在10～40 r/min范圍內(nèi)的排種性能如表7所示。各行平均排種量隨供種速率增加而增加，排種油菜、小麥時各行排量一致性變異系數(shù)分別低于4%和5%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率分別不超過1.0%和0.1%。表明在該輸種管道結(jié)構(gòu)條件下排種油菜、小麥時能適應(yīng)不同的供種速率，且排種性能滿足JB/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī) 第1部分：技術(shù)條件》和油麥種植要求。

表7 供種速率對排種性能的影響Tab.7 Effects of seed feed rate on seeding performance for rapeseed and wheat

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用Fluent軟件中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與EDEM離散元?dú)夤恬詈戏椒M了種子在輸種管道中的運(yùn)動狀態(tài)。仿真分析了輸種管道結(jié)構(gòu)對種子運(yùn)動特性和氣流場的影響。當(dāng)輸種管道長度達(dá)到1.0 m時，出口處種子速度和壓強(qiáng)損失均較小。出口處種子速度隨k增加呈先降后升的趨勢，輸種管道直徑D為42 mm和k為2/3時兩相流相對速度和種子分布均勻性較好。

(2)接頭為彎管的輸種管道出口處種子速度明顯高于接頭為折線形管道，兩相流相對速度表現(xiàn)為彎管低于折線形接頭；彎管半徑100 mm的輸種管道氣流場和種子分布均勻，壓強(qiáng)損失較小，未出現(xiàn)氣流渦流區(qū)和滯留區(qū)。種子在輸種管道中受力與速度主要沿管道軸線方向，與氣流速度相同，種子遷移的動力主要源自流體阻力。

(3)臺架試驗研究了輸種管道結(jié)構(gòu)對排種性能的影響，得出當(dāng)輸種管道長度和橫縱管道長度比分別為1.0 m和2/3時，排種性能較優(yōu)。供種裝置轉(zhuǎn)速為10～40 r/min時，排種油菜、小麥的各行排量一致性變異系數(shù)分別低于4%和5%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率分別低于1.0%和0.1%。

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Simulation and Experiment of Gas-Solid Flow in Seed Conveying Tube for Rapeseed and Wheat

LEI Xiaolong LIAO Yitao ZHANG Wenyu LI Shanshan WANG Du LIAO Qingxi

(CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

In order to study seed movement law of seed conveying tube of air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat, effects of seed conveying tube’s diameter and length, ration of lateral length to longitudinal length (k), and joint’s type on seed motion characteristics and airflow field were analyzed with EDEM-CFD coupling approach. Impact of seed conveying tube’s structure on seeding performance was studied by bench experiments. The results showed that seed movement direction which was the same as airflow direction in seed conveying tube was in axis direction and seed motion source was the drag force. The seed velocity in seed conveying tube’s outlet was increased first and then decreased with the increase of ratio of lateral length to longitudinal length (k). The each row’s averaged seeding quantity and apiece row consistency variation coefficient of seeding quantity were affected significantly by seed conveying tube’s structure. When seed conveying tube’s diameter, length andkwas 42 mm, 1.0 m and 2/3, respectively, seed velocity, relative velocity between particle and airflow and seed distribution were good with lower pressure loss and better seeding performance. Seed velocity of conveying tube with bends was larger than that of conveying tube with mansard joint. The relative velocity of conveying tube with bends was lower than that of conveying tube with mansard joint. Airflow field and seed distribution was uniform with larger seed velocity and lower pressure loss in conveying tube with bends of 100 mm of radius. When rotational speed of seed feed device was within the range of 10～40 r/min, apiece row consistency variation coefficient of seeding quantity of rapeseed and wheat was less than 4.0% and 5.0%, respectively. The stability of full seeding quantity and seed damage rate were no more than 1.0% and 0.1%, respectively, for both rapeseed and wheat. The results provided the basis for structure optimization of air-assisted centralized metering system and improvement of seeding performance.

rapeseed； wheat； air-assisted centralized metering device； seed conveying tube； gas-solid flow； seeding performance

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.007

2016-06-30

2016-08-11

國家自然科學(xué)基金項目(51575218、51275197)、國家油菜產(chǎn)業(yè)體系專項(CARS-13)、湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(2016ABA094)和“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)

雷小龍(1989—)，男，博士生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控研究，E-mail： leixl1989@163.com

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn

S223.2+3

A

1000-1298(2017)03-0057-12