氣力滾筒式小粒圓形種子排種器孔口結構仿真分析

謝海軍，李志偉，張 靜

(華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

小粒種子是指平均直徑小于Φ3mm的種子[1]，主要包括蔬菜、油菜、苜蓿、谷子、芝麻、花卉、林業和包衣煙草等。目前，針對小粒徑種子播種主要有育苗移栽和直播[2]，我國超2/3蔬菜栽培采用穴盤育苗移栽，工廠化穴盤育苗是實現種苗商品化供應主要方式。精量播種機是工廠化穴盤育苗的核心設備，前期研究表明，排種器轉速、吸孔結構及正負氣壓對播種機的空穴率、單粒率、多粒率3項指標有顯著影響[3-5]。近年來，國內外學者對氣力排種器的研究，有通過試驗的手段尋求各因素水平間的最佳組合，也有利用CDF軟件對排種器氣流場進行仿真[6-13]。本文運用ANSYS/FLUNET軟件氣力滾筒式排種器氣流場動力學模型，在吸附種子的條件下，仿真分析了吸孔結構分別為沉孔、錐孔和直孔對排種器吸種效果的影響。

1 吸孔結構模型

在薄板厚度相同的條件下，設置有沉孔吸孔、錐孔吸孔和直孔吸孔。利用ANSYS軟件FLUNET模塊建立吸孔氣流場區域的CFD結構模型如圖1所示。圖1中，1為氣流入口邊界，2為氣流出口邊界，3為吸孔，4為種子，其余邊界為固定壁面邊界。采用自由網格劃分方式，單元截面形狀為三角形，單位長度間隔個數為100，在吸孔附近對網格進行進一步細化，更有利于計算結果。

圖1 吸種孔結構問題區域

2 吸孔氣流場仿真

2.1 模型假設

ANSYS/FLUENT是一個用于分析二維和三維流體流動場常用工具[14]，由于在排種器上的吸孔中的氣流場是軸對稱流動，所以氣流場分析可以簡化為二維軸對稱流體流動問題進行求解。仿真分析時對模型進行如下假設：①流場氣體為不可壓縮氣體；②室溫恒為25℃;③吸孔入口壓力恒為1.01×105Pa，出口壓力為0Pa；④排種器吸孔進氣口氣流速度分布是均勻；⑤在所有壁面上施加無滑移邊界條件。

2.2 仿真方法

仿真試驗方法為在吸孔直徑分別為Φ0.6mm、Φ0.8mm和Φ1.0mm分別以負壓為-3.0kPa對孔口結構為沉孔、錐孔、直孔的吸孔進行氣流場仿真，得到3種孔口結構下的吸孔入口中心氣流速度及種子表面平均氣壓，探討沉孔、錐孔、直孔的吸種和攜種效果。

2.3 仿真結果

負壓為-3.0kPa時，孔徑為Φ0.6mm的沉孔、錐孔和直孔氣流場的速度云圖和吸孔入口處壓力云圖如圖2所示。

(a) 沉孔速度云圖 (b) 沉孔壓力云圖

(c) 錐孔速度云圖 (d) 錐孔壓力云圖

(e) 直孔速度云圖 (f) 直孔壓力云圖

由圖2可知：負壓為-3.0kPa、吸孔直徑為Φ0.6mm時，沉孔型吸孔入口氣流平均速度為22.79m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-0.844kPa；錐孔型吸孔入口氣流平均速度為18.83m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-1.976kPa；沉孔型吸孔入口氣流平均速度為36.40m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-0.406kPa。

負壓為-3.0kPa時，孔徑為Φ0.8mm的沉孔、錐孔和直孔氣流場的速度云圖和吸孔入口處壓力云圖如圖3所示。

由圖3可知：負壓為-3.0kPa、吸孔直徑為Φ0.8mm時，沉孔型吸孔入口氣流平均速度為24.84m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-0.819kPa；錐孔型吸孔入口氣流平均速度為22.65m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-2.651kPa；沉孔型吸孔入口氣流平均速度為33.09m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-0.469kPa；

負壓為-3.0kPa時，孔徑為Φ1.0mm的沉孔、錐孔和直孔氣流場的速度云圖和吸孔入口處壓力云圖如圖4所示。

(a) 沉孔速度云圖 (b) 沉孔壓力云圖

(c) 錐孔速度云圖 (d) 錐孔壓力云圖

(e) 直孔速度云圖 (f) 直孔壓力云圖

(a) 沉孔速度云圖 (b) 沉孔壓力云圖

(c) 錐孔速度云圖 (d) 錐孔壓力云圖

(e) 直孔速度云圖 (f) 直孔壓力云圖

由圖4可知：負壓為-3.0kPa、吸孔直徑為Φ1.0mm時，沉孔型吸孔入口氣流平均速度為24.59m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-0.973kPa；錐孔型吸孔入口氣流平均速度為21.59m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-2.602kPa；沉孔型吸孔入口氣流平均速度為31.70m/s，被吸附種子表面平均氣壓為-0.393kPa。

由仿真結果可知：將吸孔入口氣流速度和種子表面負壓統計如表1所示。

表1 吸孔入口氣流速度和種子表面負壓統計

3 仿真結果分析

根據流體力學理論，氣流對種子的吸附力為種子的繞流阻力[15]。繞流阻力的計算公式為

(1)

式中C—無因次系數，與物體形狀、表面狀態和雷偌系數有關；

ρk—空氣密度(g/cm3)；

A—種子在垂直于運動方向平面上的投影面積(m2)；

vx—吸孔附近氣體流速(m/s)。

由表1可知：在負壓和吸孔直徑相同時，直孔吸孔入口的氣流速度最大，沉孔與錐孔吸孔入口氣流速度相差不大；錐孔吸孔種子表面負壓最大，其次是沉孔，直孔吸孔種子表明負壓最小。因此，由氣體擾流公式可知：直孔吸孔入口氣力產生的擾流阻力大，種子的吸附效果好；而沉孔吸孔入口氣流速度與錐孔吸孔入口氣流速度相差不大，所以沉孔吸孔在吸孔入口處產生的擾流阻力相差不大，沉孔與錐孔對種子的吸附效果相近。

在吸孔附近，種子處于具有一定氣體流速的流場中，且氣體流場的分布呈現出放射狀的圓錐體，設錐角為γ。假設種子是球形且滾筒上以吸孔為中心的球面上氣流速度相等，由此可知距吸孔中心x處，種子在垂直于運動方向平面的投影面積A[15-16]為

A=2πx2(1-cosγ)

(2)

假定氣體不可壓縮，根據質量守恒定律可得，吸孔為中心的球面上氣流速度vx為

(3)

式中Q—氣體流量(m3/h)。

由文獻[17]可知，滾筒吸孔處的氣流速度為

(4)

式中R—氣體常量；

Te—氣體絕對溫度(K)；

k—氣體比熱容(J/kg·℃)；

p—氣室負壓(Pa)；

P0—大氣壓(Pa)。

假設氣體不可壓縮，則直徑為d的吸孔內氣體流量Q為

(5)

吸孔附近的種子在氣體繞流作用下被吸起時的平衡方程為

(6)

式中dz—種子直徑(m2)；

ρz—種子密度(g/cm3)。

由式(1)～ 式(5)聯立可得

(7)

由式(7)可知：吸孔對種子的作用范圍與種子的物料特性與吸孔結構和負壓有關。

由表1可知：沉孔截面突變，有氣體回流現象，產生明顯渦流損耗；而錐孔截面漸變，無回流現象，負壓損耗小，所以錐孔吸孔對種子表面負壓大于沉孔吸孔對種子的負壓。錐孔對種子的吸附范圍大于沉孔吸孔，對種子吸附后的穩定性優于沉孔吸孔。因此，錐孔吸孔吸種效果優于沉孔吸孔。

在負壓和吸孔直徑相同時，直孔吸孔入口處氣流速度大與錐孔吸孔入口氣流速度，但由于直孔吸孔在種子在垂直于運動方向平面上的投影面積較小，所以在吸種階段，直孔吸孔和錐孔吸孔在吸孔入口產生擾流阻力大小有待試驗驗證。但是，錐孔吸孔對種子表面的負壓遠大于直孔吸孔對種子負壓，且錐孔吸孔與種子接觸面較大，所以對于小粒徑種子，錐孔吸孔吸附多粒種子的概率增大。

4 試驗

4.1 試驗材料

氣力滾筒排種器試驗平臺如圖5所示，播種對象為甘藍種子，直徑為1.4mm。

1.穴盤 2.種箱 3.清種裝置 4.滾筒 5.輸送裝置 6.機架 7.控制箱

4.2 試驗方法

利用氣力滾筒排種器試驗平臺，對影響單粒率的吸孔口結構形式，在滾筒轉速和負壓相同的條件下進行試驗。

試驗中，滾筒轉速10r/min，負壓為-3.0kPa，吸孔直徑分別為Φ0.6、Φ0.8、Φ1.0mm，以甘藍種子為播種對象，選擇孔徑分別為錐孔和直孔進行試驗，統計吸孔單粒率。

4.3 試驗結果

進行吸孔直徑對單粒率影響的試驗，相同的試驗條件下，吸孔直徑分別為0.6、0.8、1.0mm時，錐孔吸孔單粒率分別為88.2%、90.3%、91.2%；直孔吸孔的單粒率分別為91.3%、93.2%和94.2%。

試驗表明：對于小粒徑種子，直孔吸孔吸種效果優于錐孔吸孔。錐孔吸孔的對種子的吸附作用范圍大，增大吸孔吸附多粒種子的概率。因此，對于小粒徑種子播種，直孔吸孔對種子的吸種效果較好。

5 結論與討論

1)在吸孔直徑相同時，錐孔吸孔對種子表面負壓大于沉孔吸孔對種子的負壓， 對種子吸附后的穩定性優于沉孔吸孔。因此，錐孔吸孔吸種效果優于沉孔吸孔。

2)在吸孔直徑相同時，直孔吸孔入口氣流速度大于錐孔吸孔入口氣流速度，但是直孔吸孔對種子的作用范圍小于錐孔吸孔。

3)驗證試驗表明：對于小粒徑種子播種，直孔吸孔對種子的吸種效果優于錐孔吸孔。

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