基于DEM-CFD耦合的玉米氣吸式排種器仿真與試驗

丁 力 楊 麗 武德浩 李東毅 張東興 劉守榮

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.農業部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

玉米是重要的糧食作物，隨著種植面積不斷擴大和產量的逐年提高，玉米機械化精密播種顯得尤為重要[1]。排種器作為精密播種的核心部件，其工作性能直接影響播種質量[2-3]。目前，氣吸式排種器因具有對種子外形要求不嚴、不需要精選分級、不損傷種子、能適應較高速度播種作業等優點，而被廣泛應用[4-7]。氣吸式排種器依靠真空氣室內的真空度經吸孔將種子吸附，要求氣室內具有一定的真空度且壓力分布均勻[8]，因此,國內外學者對吸氣室的形狀、位置和氣源真空度做了大量研究[9-14]。但是，氣吸式排種器在實際工作過程中，種子的運動會對流場產生較大影響[15]，僅用Fluent模擬仿真，與實際情況相差較大。

近些年，DEM-CFD氣固兩相流耦合在工業、農業領域得到廣泛應用[16-20]，解決了很多生產實際問題。在國外DEM-CFD氣固耦合主要應用于工程領域，如水力旋流器、吸塵器等；國內主要應用在玉米氣吹式排種器上，很少應用于玉米氣吸式排種器。本文針對DEM-CFD計算量大的問題，首先利用Fluent軟件選取玉米氣吸式排種器氣道最佳進氣口位置參數；然后建立玉米種子Bonding模型，通過DEM-CFD耦合的方式分析排種器實際工作過程中型孔壓強的變化規律，對型孔壓強關鍵參數提取分析，驗證所選進氣口參數的合理性；對常用作業速度條件下排種器工作狀況進行模擬仿真，選取合格指數、重播指數、漏播指數3個作業指標，進行試驗對比分析。

1 排種器結構與工作原理

排種器的結構如圖1所示，首先將排種器分為充種區、自清種區、清種區、攜種區、卸種區5個區域[21]。玉米種子從進種口下落至排種器底部，進氣口通入負壓，種盤在傳動軸的帶動下順時針轉動，玉米種子在種盤另一側負壓的作用下吸附在型孔上，隨著種盤一起轉動，多余的種子被清種鋸齒和清種毛刷清除，吸附力具有優勢的種子繼續轉動到達卸種機構上部，位于種盤后盤面的卸種輪隨著型孔的轉動也隨之轉動，將型孔吸附的種子頂出，同時空氣腔室的負壓也被阻斷，種子在重力、離心力和卸種輪頂出力的共同作用下掉入投種口，完成排種作業。

圖1 排種器結構模型Fig.1 Structure model of seed metering device1.進種口 2.種盤 3.清種鋸齒 4.清種毛刷 5.進氣口 6.卸種機構 7.卸種輪 Ⅰ.充種區 Ⅱ.自清種區 Ⅲ.清種區 Ⅳ.攜種區 Ⅴ.卸種區

2 排種器氣室進氣口設計

氣吸式排種器是靠負壓形成的壓差將種子吸附于種盤上，且氣室流場壓力越穩定，越有利于提高排種器排種的均勻性，降低漏播率[22-24]。因此，負壓氣室的形狀和進氣口位置參數將對整個氣室流場壓力的均勻度產生直接影響，由于負壓氣室的形狀受排種器整體結構限制，形狀相對固定，而進氣口位置參數將直接影響排種器工作區域的流場壓力分布，進而影響排種質量。

2.1 流場因素水平的確定

增加充種區型孔兩端壓差可有效提高排種器充種性能，在自清種區、清種區壓差不易過大，能穩定過渡并減小，否則會影響清種效果，在攜種區壓強應穩定過渡，防止壓差驟降，影響落種穩定性，在卸種區應需阻斷負壓，保證順利排種。

依據以上分析，同時依據文獻[24-25,29]的氣吸式排種器流場分析結果，選取氣室接口位置、進氣口垂直角和進氣口水平角3個因素，設置不同水平，進行仿真分析，試驗因素水平如圖2所示。

圖2 進氣口位置參數各因素水平示意圖Fig.2 Factors level sketch of air inlet position parameters

2.2 負壓區流場仿真分析

2.2.1幾何建模及前處理

仿真模型利用SolidWorks進行幾何建模，如圖3a所示。為了控制變量，選用相同的進氣口直徑，然后導入ICEM-CFD中進行六面體非結構化網格劃分，定義空氣入口和出口，將所有型孔處接觸面定義為INTERFACE，其余邊界定義為WALL，生成網格文件，如圖3b所示。

圖3 仿真模型及網格劃分Fig.3 Simulation model and mesh generation1.入口 2.型孔 3.出口

將生成的網格文件導入Fluent軟件，在Fluent中設置氣吸式排種器壓強為3 kPa[26]，湍流模型選用RNGk-ε模型，并設定相關參數，采用一階迎風差分格式，利用simple算法求解，定義最大運算步數1 000，收斂條件為0.000 1，采用混合初始化后進行運算[27]。

2.2.2仿真及結果分析

為了減少仿真次數，采用正交試驗方法，試驗因素水平如表1所示。利用Fluent后處理report功能生成在不同區域得到每組試驗型孔與種子作用面負壓平均值，結果如表2所示，表中A、B、C表示氣室接口位置、進氣口垂直角和進氣口水平角的水平值。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of test

表2 三因素試驗結果Tab.2 Results of three-factor test

注：壓強都為負壓。

采用極差分析法進一步分析，結果如表3所示。通過極差分析，3個因素影響程度不相同，對于充種區型孔壓強、自清種區型孔壓強、清種區型孔壓強、攜種區型孔壓強這4個指標而言，極差最大的均為因素A；對于充種區型孔壓強和自清種區型孔壓強，因素B的影響大于因素C，且影響由大到小為A、B、C。對于清種區型孔壓強和攜種區型孔壓強，因素C的影響大于因素B，且影響由大到小為A、C、B，為了避免漏播現象，應使型孔處壓差盡可能大，得出壓差最大的因素水平最優組合，結果如表4所示。

表3 仿真試驗結果極差分析Tab.3 Range analysis of simulation test result

表4 因素水平最優組合Tab.4 The best combination of factors level

由表4可知，對于各指標，進氣口垂直角因素的最優水平是B2，進氣口水平角因素的最優水平為C2，而對于氣室接口位置因素水平，4個指標都不相同；由文獻[24，28]可知，采用氣力充種的排種器，其充種環節尤為重要，它基本決定了排種性能。再由表4充種區型孔壓強極差分析可知，A1B2C2為最優組合。

對充種區型孔壓強指標采用方差分析，通過判斷顯著性水平作出進一步判斷，結果如表5所示。

表5 方差分析(充種區型孔壓強)Tab.5 Variance analysis

注：*表示差異顯著(0.01

由方差分析可知，對于充種區型孔壓強指標，氣室接口位置對其有顯著性影響，再根據前文所述，充種環節是排種最為重要環節，因此，選取A1B2C2為最終流場結構。

3 排種器工作過程耦合仿真分析

排種器在工作過程中種子吸附于型孔會使流場發生變化，且種子處在氣流場、顆粒場和重力場并存的復雜環境中，各參數變化極其復雜[29]。因此，采用DEM-CFD氣固耦合的方式，通過仿真分析排種器實際工作中流場的變化規律。

3.1 仿真模型建立與方法

3.1.1玉米種子Bonding模型建立

氣固雙向耦合過程中要求仿真顆粒體積小于流場網格最小體積[29]，為解決這一問題，采用Bonding黏結模型填充玉米籽粒：即利用多個體積小于流場網格的小球形顆粒對玉米模型填充，并將所有填充的小球利用Bonding力黏結在一起，將黏結在一起的模型作為玉米籽粒的仿真模型。

以應用較為廣泛的鄭單958種子為模型，將玉米種子分為大扁形、小扁形和類圓形3類，利用Bonding力黏結的小顆粒填充的模型如圖4所示。圖中從左至右依次為種子的實物圖、三維模型圖和顆粒黏結模型圖。

圖4 玉米種子仿真模型Fig.4 Simulation models of maize grains

3.1.2幾何模型建立

幾何模型是顆粒體所接觸的實體，為了加快計算速度，本文將模型簡化為前殼體、后殼體、種盤、清種鋸齒4部分，在SolidWorks中建立模型，保存為step格式導入EDEM中，如圖5所示。

圖5 EDEM簡化模型Fig.5 Simplified EDEM model

流體區域網格劃分采用滑移網格法，通過該方法將型孔結構劃分為動區域和靜區域兩個區域，在SolidWorks中建立流場三維模型，保存成step格式導入ICEM-CFD中劃分結構化網格，如圖6所示。

圖6 流場三維模型及網格劃分Fig.6 Three-dimensional model and mesh generation of flow field1.種子腔室(靜區域) 2.型孔(動區域) 3.氣室(靜區域)

在EDEM中設置種盤轉速，并設置轉動開始時間和結束時間，同時在Fluent中設置配合流體區域的型孔轉動，轉速設為相同，其余部件設置為固定件，創建顆粒工廠。仿真時，由于仿真過程較為耗時，采用與實際試驗相同的玉米種子數量顯然是不現實的。在滿足可以仿真的前提下，種子數量越少，仿真計算時長越短。經過多次嘗試，發現玉米種子數量為160粒時，種子在排種器中的堆積高度便可以達到仿真要求，為了加快仿真速度，在顆粒工廠內按混合種子比例共生成160粒，其中大扁形85粒、小扁形35粒、類圓形40粒。

3.1.3仿真參數確定

排種器采用有機玻璃3D打印而成，根據所用材料確定相關參數如表6、7所示[30]。在EDEM中設置時間步長為1×10-5s，Fluent中時間步長設置為EDEM的50～100倍，選取5×10-4s作為EDEM中時間步長；設置Fluent步數為6 000步，即仿真時間為3 s，設置每個時間步最多迭代80次；為了加快仿真速度，減少存儲空間，在EDEM和Fluent內，每0.01 s保存一次數據。

表6 玉米和排種盤物理特性Tab.6 Physical characteristics of maize and seed metering plate

表7 玉米和排種盤碰撞參數Tab.7 Collision parameters between maize and seed metering plate

3.2 型孔流場仿真分析

為了節約仿真時間，前文僅用Fluent得到了不同型孔表面壓強變化，而排種器實際工作過程中玉米種子吸附于型孔時，會使得型孔大部分區域被玉米種子所阻擋，從而使真空室中的流場出現變化[31]。為了研究玉米種子對流場的變化情況，首先標記型孔流場，如圖7所示。選取排種器工作穩定后的時間段，以3.47 s時的流場結構為例，將型孔按如圖7所示順時針編號，依次截取通過型孔中心的法向面，觀察型孔壓強變化，如圖8所示。

圖7 排種器型孔編號Fig.7 Type hole number of metering device

圖8 型孔切面壓強云圖Fig.8 Pressure nephogram of type hole section

從圖8可以明顯看出，充種區的型孔部分壓強明顯大于其他區域的壓強，每個區域的壓強都能穩定過渡，除充種區外，其他區域的型孔壓強都隨著編號的增大而減小，在編號21到27的型孔，由于沒有和氣道接觸，因此壓強為0。且壓強由大到小為充種區、自清種區、清種區、攜種區、卸種區。在充種區中，編號為5和6的型孔壓強最大，這也是種子吸附于型孔，突破種群阻力的關鍵部分，較大的壓強可以使種子牢牢吸附于型孔上，減少漏充的可能。氣吸式排種器吸附壓強計算式為

(1)

其中

λ=(6～10)tanγ

(2)

式中HCMAX——真空度最大值，kPa

C——種子重心離排種盤距離，cm

m——單粒種子質量，kg

d——型孔直徑，cm

v——排種盤吸孔中心處的線速度，m/s

r——種盤吸孔處轉動半徑，m

g——重力加速度，取9.8 m/s2

λ——種子綜合摩擦因數

γ——種子自然休止角

K1——吸種可靠系數，取1.8～2.0

K2——工作可靠性系數，取1.6～2.0

在充種區需考慮K1、K2，在卸種區可以忽略[32]。為使種子能牢固地被吸附在型孔上,吸室里的實際真空度必須大于HCMAX。根據文獻[33]，取tanγ為0.265，K1為1.9，K2為1.8，求得排種器在8～14 km/h作業速度下所需真空度的最小值如表8所示。

表8 真空度最小值Tab.8 Minimum of vacuum degree

提取每個型孔與種子作用面壓強，發現充種區負壓壓強最小值為2 401 kPa，攜種區負壓壓強最小值為605 kPa，均大于理論計算所需壓強最小值，因此，所有型孔壓強都能滿足吸附要求。

3.3 排種器工作過程模擬

為了驗證仿真條件下所建立的Bonding顆粒的正確性和仿真參數的合理性，本文以改變排種盤轉速為例，同時依據文獻[30]中作業速度，選取排種器常用作業速度8、10、12、14 km/h。研究不同條件下排種器仿真試驗的排種性能，并通過臺架試驗進行對比。

3.3.1仿真過程

由于仿真過程的可視性，可以直接采用觀測的方式統計出每個型孔中的玉米種子數量，進而計算出仿真的合格指數、重播指數和漏播指數，并與臺架試驗進行對比。

由于DEM-CFD仿真過程計算量巨大，十分耗時，因此，選取80個型孔中的玉米籽粒進行統計，其仿真過程和統計過程分別如圖9和表9所示。

圖9 DEM-CFD仿真過程Fig.9 Simulation process of DEM-CFD

3.3.2仿真結果分析

根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，由每組仿真試驗統計的數據計算合格指數、重播指數和漏播指數，如表10所示。

表9 仿真統計過程Tab.9 Process of simulation statistics 粒

表10 仿真結果Tab.10 Results of simulation test

由表10仿真結果可知，在作業速度不大于14 km/h，負壓3 kPa時，合格指數均不小于89.7%，漏播指數不大于7.8%，重播指數不大于2.5%，各項指標優于國標要求，能實現有效排種。

4 試驗驗證與分析

根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，每組試驗采集251粒種子進行統計，每組重復3次，取平均值作為試驗結果記錄分析，以重播指數、漏播指數、合格指數為排種性能評價指標，分別進行氣室結構對比試驗和排種性能仿真驗證試驗。

4.1 氣室結構對比試驗

選取實驗室研發的第1代常規氣室結構氣吸式排種器，使用風壓計對氣室覆蓋型孔風壓進行測定，并與本文的氣吸式排種器進行對比試驗，試驗過程如圖10所示。

選取前文仿真中排種器常用作業負壓3 kPa，使用風壓計測量型孔中心位置風壓，待數值穩定后記錄，選取3次測量取平均值，測量結果如表11所示。

圖10 試驗過程Fig.10 Test process

表11 排種器風壓對比結果Tab.11 Wind pressure comparison results of metering device

由表11可以看出，本文設計的排種器在充種區型孔的負壓遠高于常規氣室結構的第1代排種器，極大地增強了充種效果；在自清種區型孔壓強差別不大；在清種區和攜種區型孔壓強中，第1代排種器大于本文設計排種器，但此時對于氣吸式排種器，種子已經吸附穩定，掉落可能性小，因此影響不大。由此可知，本文所設計的進氣口位置參數極大地增加了充種區風壓，有利于提高排種質量。

4.2 仿真與臺架試驗對比分析

為了驗證DEM-CFD仿真模擬的有效性，使用自主研發的排種檢測儀進行試驗數據統計，試驗過程如圖11所示，試驗結果如表12所示。

圖11 排種試驗過程Fig.11 Process of seed metering test

為了直觀地體現出仿真與臺架試驗的排種性能對比，將仿真與試驗的合格指數、重播指數和漏播指數進行對比，如圖12所示。

從圖12可以明顯看出，仿真和臺架試驗的各項指標趨勢基本相同，隨著作業速度的增加，合格指數不斷下降，重播指數和漏播指數不斷增加。仿真與臺架試驗有著相同的規律。但是從圖12中也發現，其數值均存在著一定的誤差，仿真的合格指數和漏播指數小于臺架試驗，這是由于仿真沒有任何振動，在充種區型孔吸附的種子較多，多余玉米種子經過自清種區僅通過自身重力不能完全掉落，當到達清種區時，眾多玉米種子會在清種鋸齒的碰撞下繼續碰撞已經被吸附的種子，使原本吸附力占據優勢的種子發生掉落，造成漏播問題；同時，仿真采用簡化模型，原本的清種毛刷被簡化，進一步造成眾多種子被吸附而無法清除，導致每粒種子都不能完全被吸附，在種盤轉至攜種區時發生掉落。但是總體而言，仿真與臺架試驗結果較為接近，可以用來仿真分析排種器的工作過程。

表12 試驗結果Tab.12 Result of test

圖12 臺架試驗與仿真排種性能對比Fig.12 Comparison of metering performance between bench test and simulation test

5 結論

(1)為了保證氣吸式排種器氣室流場壓力穩定，提高排種的均勻性和節約仿真時間，通過設計三因素正交試驗，利用Fluent軟件仿真分析了氣吸式玉米排種器進氣口位置參數。以充種區型孔壓強、自清種區型孔壓強、清種區型孔壓強、攜種區型孔壓強為評價指標，通過極差和方差分析，確定了最佳進氣口位置參數。

(2)建立了玉米種子Bonding模型，對流場網格進行劃分，實現了氣吸式玉米排種器DEM-CFD氣固耦合仿真。通過對耦合流場的提取分析，發現壓強由大到小為充種區、自清種區、清種區、攜種區、卸種區，且壓力穩定過渡，沒有渦流損失，與理論計算結果進行對比，表明仿真結果均大于理論計算吸附壓強最小值。

(3)選取第1代常規氣室結構排種器和本文設計排種器進行了風壓對比測定，驗證了所選進氣口位置參數的合理性。通過DEM-CFD氣固耦合仿真得出，當作業速度不大于14 km/h、負壓為3 kPa時，合格指數均不小于89.7%，漏播指數不大于7.8%，重播指數不大于2.5%；在臺架試驗中，在相同的作業速度和負壓下，粒距合格指數均不小于90.3%，重播指數不大于2.7%，漏播指數不大于7%。通過對比分析得出，仿真試驗與臺架試驗結果較為接近，驗證了仿真模擬的可行性。