氣吸滾筒式棉花精密排種器流場分析

徐國杰，倪向東，康施為，郭世龍，王由之

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

2016年，新疆棉花種植面積1 805.2×103hm2，總產量達359.4萬t，分別占全國的53.4%和67.2 %[1]，已成為全國不可替代的最大產棉區和商品棉基地。播種是棉花生產過程中具有決定性作用的一個環節，在短暫的播種農時內，根據農藝要求，將種子播入土壤，使種子獲得良好的生長發育條件。精密排種器作為精密播種機的核心部件，其性能的好壞直接影響著精密播種的質量。氣吸式排種器對種子形狀要求不高，適應性較好，不傷種，播種精度穩定，播種作業速度高，在播種領域得到了廣泛應用[2-4]。氣吸式精密排種器利用氣流實現充種、清種、攜種過程，排種器氣流場特性對排種器工作性能的影響極為關鍵,直接影響著其播種性能[5]。

本文根據氣吸滾筒式排種器的結構與工作原理，建立充種過程中種子在氣流場中的力學模型；利用Gambit建立排種器仿真簡化模型，進行網格劃分，并運用Fluent軟件數值模擬影響充種性能的吸孔形狀、吸孔直徑及滾筒負壓腔流場特性。同時，采用正交試驗設計方法及方案，研究滾筒轉速、吸孔直徑、氣室負壓對排種性能指標的影響，確定影響排種性能指標的主要因素，從而為氣吸滾筒式精密排種器設計提供理論依據。

1 排種器結構與工作原理

氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器主要由滾筒、氣吹裝置、陣列吸孔、空心軸、鏈輪、種箱、隔壓板及投種器等組成，如圖1所示。

1.滾筒 2.氣吹風嘴 3.陣列吸孔 4.空心軸 5.鏈輪 6.角度調節板 7.風嘴傾角調節裝置 8.負壓室 9.種箱 10.第1隔壓板 11.隔壓室 12.第2隔壓板 13.投種器Ⅰ.充種區 Ⅱ. 清種區 Ⅲ.攜種區 Ⅳ.投種區

工作原理：排種器工作時，風機通過空心軸上的通孔，吸走滾筒內的空氣，形成負壓氣室，使滾筒吸孔兩端產生負壓差。滾筒在鏈輪帶動下繞空心軸轉動，當滾筒轉入充種區時，種子在吸孔負壓氣流的作用下被吸附在吸孔上，并隨滾筒一起轉動，在清種區多余的種子被清除；當滾筒轉動到隔壓室時，隔壓板隔絕了滾筒內的負壓，負壓被切斷消失，種子失去了負壓氣流對其的吸附作用，在重力、離心力和投種器的作用下，完成排種。

2 種子在氣流場中的受力研究

假設充種過程中排種器吸孔附近的氣流場是穩定的，由于氣吸滾筒式排種器吸孔之間的距離遠大于吸孔直徑，忽略各吸孔間的相互影響，研究單個吸孔對單粒種子的作用情況。

假設種子是剛性球體，根據流體力學球體繞流理論可知：種子在流場中受到流體的阻力推動(即繞流阻力)，繞流阻力產生對種子的吸附作用。設氣流密度是ρ，繞流阻力為Fd，根據球體繞流阻力理論，吸附力為

(1)

式中Cd—阻尼力系數，與種子的形狀、表面狀態和雷諾數有關，如果種子形狀近似球體，則其值約為0.44；

A—種子垂直于運動方向上投影面積(m2)；

v0—吸孔周圍的氣流平均速度(m/s)；

d—種子直徑(m)。

由式(1)可知：種子所受的吸附力與氣流速度成二次方關系，與吸孔面積成正比，提高氣流速度和增大吸孔直徑可以大大提高吸種效果。

3 氣吸滾筒流場數值模擬

3.1 流體的基本控制方程

流體流動必須遵守流體力學基本控制方程，即連續性方程、動量方程和能量守恒方程。滾筒內部氣流系統處于湍流狀態，系統還要遵守附加的湍流輸運方程。k-ε湍流模型被廣泛應用在CFD模擬中，其綜合考慮了湍流中的湍流動速度及長度輸運。大量應用案例證明,該模型能真實模擬復雜的三維湍流現象[6-7]。

連續性方程為

(2)

動量方程(Navier-Stokes方程)為

(3)

湍流輸運方程為

(4)

(5)

式中ρ—流體密度；

μ—動力粘度；

k—湍動能；

μt—湍流粘度；

u—流體速度；

p—靜態壓力；

ε—湍動耗散率；

Gk—平均速度梯度引起的湍動能的產生項；

Gb—浮力引起的湍動能產生項；

YM—可壓湍流中脈動擴張的貢獻；

C1ε、C2ε、C3ε—經驗系數，默認值分別為1.44、1.92、0.09；

σk、σε—湍動能和耗散率對應的普朗特數，默認分別為1.0、1.3；

Sk、Sε—源項。

3.2 建模與網格劃分

采用自底向上的拓撲創建方式，利用Gambit軟件建立吸孔形狀、吸孔直徑及滾筒負壓腔簡化仿真模型。滾筒內部氣流系統結構不規則，進行局部加密，劃分為非結構化網格，運用Fluent軟件數值模擬氣吸滾筒式排種器內部負壓區流場特性。

3.3 邊界條件設置

滾筒內腔氣流場為湍流。湍流模型選擇標準k-ε模型，滾筒內壁采用無滑移壁面邊界條件(u=0)，計算時近壁面采用標準壁面函數。確定流體材料為標準大氣壓下的空氣。設定入口條件為壓力入口，入口壓力為0 kPa，出口條件為壓力出口，出口壓力為-5 kPa；設置計算控制參數，采用SIMPLE二階迎風算法[8-11]。

3.4 仿真結果與分析

3.4.1 吸孔形狀對吸種性能的影響

選擇吸孔直徑為3.5 mm的直孔、錐孔和沉孔作為研究象，仿真結果如圖2所示。

由流體力學理論可知：在氣流量相等的條件下，過流截面面積越大，氣流場速度越小。通過仿真分析發現：直孔的氣流速度場分布很穩定，變化很小，平均氣流速度為80～85m/s，近壁面處氣流速度略有減小。錐孔主要由收縮管和喉管兩部分組成，錐孔孔徑突變處氣流速度最大，“喉管”局部氣流速度達到100 m/s；但是，錐孔入口處平均氣流速度較小，入口中心處速度為50～60 m/s，從入口中心處到邊緣處速度銳減，入口邊緣處速度僅為10～25 m/s。沉孔孔徑突變處氣流速度場呈現C形，沿著軸向移動C形速度區開口變大，氣流速度越來越大，最終達到80m/s；入口中心處速度為55～65 m/s，從入口中心處到邊緣處速度減小，入口邊緣處速度僅為25～35 m/s。雖然錐孔入口處的氣流平均速度較小，但在氣流速度相差不大的情況下，由于其過流橫截面積大，吸附力大，且錐形吸孔與種子形狀相容性好，所以吸種性能較好。

圖2 3種吸孔形狀速度場分布

3.4.2 吸孔直徑對吸種性能的影響

選擇吸孔形狀為直孔，直徑分別為3.0、3.5、4.0mm的直孔作為研究對象，進行仿真分析。由仿真分析發現：隨著吸孔直徑的增大，吸孔入口處的速度變化很小，最大氣流速度為85m/s，如圖3所示。由式(1)可知：氣流場速度大小相等的情況下，過流橫截面積越大，氣流吸附力越大，越有利于吸種。由此表明：吸孔直徑越大，氣流吸附力越大，充種性能越好。但是，根據實際情況，吸孔直徑過大會導致重播現象嚴重，所以選擇合適的吸孔直徑需要進行進一步的試驗研究。

圖3 不同吸孔直徑速度場分布

3.4.3 不同負壓下滾筒內部流場特性分析

設定滾筒吸孔為氣流進口，空心軸氣流通孔為氣流出口，選取負壓腔內外壓差Δp為3、4、5kPa進行仿真分析，結果如圖4所示。

圖4 不同負壓滾筒負壓腔流場速度場分布

綜合分析圖4可知：滾筒吸孔氣流分布基本均勻，相鄰吸孔沒有出現氣流干涉現象，孔距取值比較合適。分析對比圖4(a)～4(c)可知：滾筒吸孔處氣流速度最大，當負壓腔壓差從3 kPa變化到5 kPa的過程中，吸孔處的最大氣流速度從70 m/s 增大到90m/s。由式(1)可知：負壓氣流吸附力與氣流速度成二次關系，吸孔處氣流速度對吸種過程影響較大。從圖4(c)可以明顯看出：當負壓腔壓差為5 kPa時，吸孔處氣流速度約等于90 m/s，基本符合分析單個吸孔氣流速度場特性。

4 排種性能試驗研究

4.1 試驗準備

試驗材料為新陸早48號棉花種子，經過脫絨、包衣處理，人工精選，無破碎，含雜率小于0.1 %，均干燥，含水率均小于5.6 %。試驗地點為石河子大學排種器性能檢測實驗室，借助JPS-12排種器性能檢測試驗臺進行試驗。

4.2 試驗方法

試驗依據《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T6973-2005)[12]，選取合格指數、漏播指數及重播指數為排種性能指標。根據理論分析和預試驗，確定影響排種性能的主要因素為滾筒轉速、吸孔直徑和負壓。根據因素水平表，制定正交設計試驗方案，采用L9(34)正交表安排試驗，各因素之間無交互作用。根據經驗，各因素選取3 種水平( A:12、16、20 r/min；B：3.0、3.5、4.0mm；C：3.2、4.0、4.5kPa)，試驗因素水平如表1所示。每組試驗重復3次，取平均值，試驗方案及結果如表2所示。

表1 試驗因素水平表

4.3 試驗結果與分析

試驗結果，如表2所示。

表2 試驗方案與結果

極差分析結果如表2所示。由表2可以看出：影響合格指數的因素的主次順序為C>A>B，即氣室負壓、滾筒轉速、 吸孔直徑。這說明，氣室負壓對排種性能影響最大，其次是滾筒轉速，再次是吸孔直徑，最優水平組合為C3A1B3。影響漏播率指數的主次因素的順序為A>C>B，即滾筒轉速、氣室負壓、 吸孔直徑。滾筒轉速對漏播指數影響最大，其次是氣室負壓，再次是吸孔直徑, 最優水平組合為A1C3B2。影響重播指數因素的主次順序為C>B>A，即滾筒轉速、氣室負壓、吸孔直徑。滾筒轉速對漏播指數影響最大，其次是氣室負壓，再次是吸孔直徑，最優水平組合為C3B2A1。

根據極差分析結果得到了影響因素對合格指數、漏播指數、重播指數的主次因素和較優組合。排種性能的響應指標中，排種合格指數與漏播指數是影響精密播種技術應用的兩個關鍵指標。為了進一步分析影響因素對排種器排種合格指數與漏播指數的顯著性，對試驗因素進行方差分析，結果如表3所示。由表3可知：氣室負壓和滾筒轉速對合格指數的影響顯著，滾筒轉速和氣室負壓對漏播指數的影響顯著。

表3 方差分析結果

由上述試驗結果可知：當滾筒轉速為12r/min、氣室負壓為-4.8kPa、吸孔直徑為3.5mm時，排種效果最佳?，F進行5次重復試驗進行驗證，試驗結果為合格率平均值93 %、漏播率平均值2 %、重播率為5 %，滿足棉花播種農藝要求。

5 結論

1) 根據氣吸滾筒陣列式精密排種器結構與工作原理，研究了充種過程種子在氣流場中的受力情況，確定了影響排種器充種過程的關鍵因素。

2)對影響吸種性能的吸孔形狀、吸孔直徑及滾筒負壓腔流場分布進行了數值模擬，結果表明：錐形吸孔吸種性能較好，吸孔直徑對氣流速度影響很小；負壓腔壓差越大，氣流速度越大。

3) 采用正交設計試驗方法進行試驗，確定影響性能指標的主次因素和較優水平。排種器的較優水平組合為：滾筒轉速12r/min，氣室負壓-4.8kPa，吸孔直徑3.5mm。此時，排種器性能指標為：合格指數93 %，漏播指數2.0%，重播指數5%。