全膜雙壟溝膜面氣流場與種床覆土互作過程模擬研究

史瑞杰 趙武云 戴 飛 宋學鋒 趙一鳴 王 鋒

(甘肅農業大學機電工程學院，蘭州 730070)

0 引言

全膜覆蓋雙壟溝播技術是近年來我國西北旱作農業發展的一項突破性技術，該技術的大面積推廣和應用，為西北旱區糧食單產大幅提高、穩產增產提供了強大的技術支撐[1-3]。該技術通過機械化作業方式，完成大壟、小壟、膜面覆土模式下的種床構建，同時結合膜下壟溝種植技術，確保作物生長所需水分和養分，可達到膜下抑蒸、種床增溫、蓄水保墑、集雨抗旱、水肥高效利用等效果[1-6]。生產實踐證明，全膜雙壟溝播技術抗旱、增產和保墑效果顯著，比普通地膜覆蓋栽培單產增長近30%，推廣應用面積呈逐年遞增趨勢[6-8]。

近年來，張緒成等[9]和謝軍紅等[10]對不同耕作方式、培肥模式下旱地全膜雙壟溝播玉米的生長和產量進行了研究；魏萬成等[11-12]對旱地玉米全膜雙壟溝土壤水熱效應進行了數值模擬研究和農藝優化；石林榕等[13]針對玉米播種環節設計了直插穴播機強排-強啟排種裝置，對前進速度補償機構進行了參數優化；張仕林等[5,14]對全膜雙壟溝起壟覆膜機鎮壓作業過程進行了仿真分析與試驗；辛尚龍等[15]根據玉米全膜雙壟溝播農藝要求，研發了玉米穗莖兼收對行聯合收獲機；王久鑫等[16]對玉米全膜雙壟溝殘膜回收機進行了優化設計與試驗；戴飛等[17-19]研制了一系列全膜雙壟溝微壟、單幅、雙幅、橫腰帶覆土式覆膜覆土聯合作業機并進行了試驗，其中橫腰帶覆土方式有效減少了大風揭膜和地表徑流。關于全膜雙壟溝膜面氣流場與種床覆土互作過程的研究未見報道，種床構建方式仍以農戶經驗選擇為主。

黃土高原地區屬大陸性季風氣候，冬春季寒冷干燥多風沙，夏秋季炎熱多暴雨，大風天氣對工業、農業、畜牧業生產有較大影響[20]。全膜雙壟溝頂凌覆膜時容易發生大風揭膜、揚塵等現象，為進一步提升全膜雙壟溝種床構建質量、合理膜面覆土、減少揚塵，探究種床覆土與空氣流場間互作規律，本文以不同風速、不同風向下全膜雙壟溝種床氣流場為基礎，采用CFD-DEM耦合技術，通過離散元顆粒表征土壤顆粒，得出不同風速、不同風向下全膜雙壟溝種床覆土與空氣流場間的互作機制，并進行田間試驗，為全膜雙壟溝種床構建及覆土理論提供參考。

1 全膜雙壟溝農藝要求與風速風向

1.1 全膜雙壟溝農藝要求

全膜雙壟溝播技術在起壟時要求大小壟總寬1 100 mm，其中大壟寬700 mm，高100～150 mm，小壟寬400 mm，高100～150 mm，起壟完成后地膜完全覆蓋大小壟體，在大壟面和小壟溝內覆土鎮壓，形成大壟面、小壟溝及橫腰帶覆土，并在小壟溝內完成膜上打孔，便于雨水滲入土壤[4-7](圖1)。但農戶覆膜覆土時沒有理論指導依據，完全依據地形地貌與自身經驗選擇覆膜方向，一般覆膜方向與正北方向夾角范圍為0°～90°(圖2)。

圖1 全膜雙壟溝播技術示意圖

圖2 農戶自主選擇種床構建方向作業圖

1.2 風速風向

黃土高原地區1957—2009年間平均風速為2.36 m/s，水蝕區、水蝕風蝕交錯區和風蝕區年均風速分別為1.94、2.17、2.6 m/s，并均經過0.001的極顯著性檢驗[20-21]。本文選取國家氣象局設置在甘肅省定西市臨洮縣境內的52986號觀測站點數據為計算依據，臨洮縣地處洮河下游，南北狹長，地勢由東南向西北傾斜，境內以黃土地貌為主，近年來主要推廣全膜雙壟溝播技術；該站點經度103.87°，緯度35.37°，海拔1 893.8 m，氣壓傳感器海拔1 895 m，數據選取時間為1981年1月至2010年12月。根據國家氣象科學數據中心統計數據顯示，該站點全年平均風速為1.32 m/s，極大風速平均值18.07 m/s，最大極大風速出現在6月，平均風速26.5 m/s，最小極大風速出現在12月，平均風速13.6 m/s，站點主導風向常年以北風為主，具體數據見表1。

表1 1981年1月—2010年12月52986號觀測站點平均數據

2 膜面氣流場仿真

2.1 模型建立

計算流體動力學(Computational fluid dynamics，CFD)是在質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程控制下對流體進行的數值模擬[22]。本文根據臨洮縣地勢及風向特點，以52986號觀測站點年平均風速1.32 m/s、年平均極大風速18.07 m/s、月平均極大風速26.5 m/s為仿真數據來源，以農戶經驗選擇覆膜方向范圍0°～90°的最小值、中間值、最大值為全膜雙壟溝種床方向，即以正北方向為基準，以0°、45°、90°為種床方向，分別建立T1(0°)、T2(45°)、T3(90°)3個全膜雙壟溝種床模型，模擬不同方位的膜面氣流場。采用RNGk-ε湍流模型進行全膜雙壟溝膜面氣流場數值模擬，在SolidWorks中采用反向畫法繪制全膜雙壟溝三維模型(圖3a)，將模型簡化處理，膜面覆土視為表面光滑的整體，簡化后另存為.x_t格式導入ANSYS Workbench Mesh模塊中，將壁面重新命名為interface、outface和wall，采用適應性較強的非結構四面體網格對T1、T2、T3三維模型進行網格劃分，同時對網格進行加密，膨脹層由項目自行控制，劃分網格完成后以.msh格式導出[22]。其中T1模型共產生604 955個節點，3 484 834個網格；T2模型共產生414 165個節點，2 378 721個網格；T3模型共產生364 498個節點，2 092 202個網格，平均質量較好(圖3b)。

圖3 T1三維模型與CFD分析網格

2.2 參數設置

將T1、T2、T3模型.msh網格文件導入Fluent軟件中，檢查網格時沒有負體積生成，可以進行流體域仿真計算[23]。設置仿真模型為RNGk-ε湍流模型，重力方向為Y軸負方向，將interface面設置為速度進口，進口速度分別為1.32、18.07、26.50 m/s，將outface設置為壓力出口，出口壓力為標準大氣壓，其他面均為絕熱壁面，類型為wall，流體介質為空氣，密度為1.2 kg/m3，黏度1.8×10-5Pa·s，殘差精度10-3，最后設置仿真時間步長為50，每步時間長0.01 s，共計算0.5 s。

2.3 仿真結果分析

仿真計算完成后，將數據導入后處理軟件Tecplot，得到不同風速下T1、T2、T3模型膜面氣流場速度等值線云圖(圖4)。

圖4 不同風速下T1、T2、T3模型膜面氣流場速度等值線云圖

由圖4可知，在豎直平面內，當空氣流速為1.32 m/s時，T1模型橫腰帶覆土表面及小壟溝覆土表面空氣最大流速為1.6 m/s，大壟面覆土表面及大壟面、小壟面空氣流速呈扇形逐漸向四周遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4a)；T2模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為1.1 m/s，大壟面與小壟溝壟面空氣流速向四周遞減，且大壟面、小壟溝壟面左側空氣流速明顯大于右側空氣流速，遞減無規律，整個流體域內氣流速度均小于空氣流速(圖4d)；T3模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為1.8 m/s，同樣逐漸向上空呈階狀遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4g)。當空氣流速為18.07 m/s時，T1模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為22 m/s，大壟面覆土表面及大壟面、小壟面空氣流速呈扇形逐漸向四周遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4b)；T2模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為20 m/s，大壟壟面與小壟溝壟面空氣流速向四周遞減，且大壟面、小壟溝壟面左側空氣流速明顯大于右側空氣流速，遞減無規律，整個流體域內氣流速度均小于空氣流速(圖4e)；T3模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為30 m/s，同樣逐漸向上空呈階狀遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4h)。當空氣流速為26.5 m/s時，T1模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為30 m/s，大壟溝覆土表面及大壟面、小壟面空氣流速呈扇形逐漸向四周遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4c)；T2模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為30 m/s，大壟面與小壟溝壟面空氣流速向四周遞減，且大壟面、小壟溝壟面左側空氣流速明顯大于右側空氣流速，遞減無規律，整個流體域內氣流速度均小于空氣流速(圖4f)；T3模型橫腰帶覆土表面空氣最大流速為40 m/s，同樣逐漸向上空呈階狀遞減，最終趨于接近空氣流速(圖4i)。

綜上所述，當空氣流速恒定時，橫腰帶覆土表面空氣最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大壟面覆土表面空氣流速與標準空氣流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知，當空氣風速恒定時，T3模型膜面及覆土表面空氣流速最大，T1模型影響次之，T2模型影響最小；氣流與覆膜方向呈90°時，種床覆土受氣流影響最大，發生大風揭膜現象概率最大，所需覆土質量最大，極易發生揚塵現象。故全膜雙壟溝覆膜覆土時應避免氣流與覆膜方向夾角過大，應在0°～45°依地形地貌合理選擇。

3 膜面氣流場與種床覆土互作過程仿真

3.1 CFD-DEM氣固耦合模型建立

全膜雙壟溝種床模型采用2.1節畫法，對模型進行簡化后采用相同方法劃分網格，種床表面視為光滑地膜，無覆膜土壤(圖5)。土壤顆粒形態主要有塊狀、核狀、片狀和柱狀[24-25]，全膜雙壟溝覆膜土壤經過旋耕機作用后土壤顆粒纖細、粒徑較小，故土壤顆粒離散元模型全部采用球形顆粒，為減少仿真時間及計算負荷，在不影響仿真效率前提下，將全膜雙壟溝覆膜土壤顆粒半徑擴大10倍建模。

圖5 全膜雙壟溝種床三維模型

離散元物料屬性包括泊松比、剪切模量、密度等，接觸參數包括靜摩擦因數、動摩擦因數、恢復系數等，文獻[24-26]中土壤特征參數、土壤-土壤接觸參數已確定，由文獻[27]中可得地膜特征參數聚乙烯地膜泊松比為1.34，而泊松比隨著物料的彈性程度增大而增大，離散元仿真時采用最大值0.5，土壤-地膜滑動摩擦因數由文獻[24-26]確定，土壤-地膜靜摩擦因數采用斜面法確定，恢復系數采用自由落體試驗確定[28]。斜面法試驗時將覆膜土壤放置在內襯厚度0.01 mm地膜的金屬槽內，金屬槽一端緊貼地面，另一端緊靠支撐架，并緩慢抬升金屬槽，待覆膜土壤開始下滑時停止抬升金屬槽并測量土槽與水平面夾角，重復10次試驗后根據μ=tanθ計算得到土壤-地膜靜摩擦因數平均值(圖6a)。自由落體試驗時覆膜土壤由450 mm高處自由落至地膜表面，使用高速攝像機記錄土壤顆粒彈起高度(圖6b)，恢復系數e計算公式為

圖6 全膜雙壟溝覆膜土壤-地膜靜摩擦因數與恢復系數測定

(1)

式中v1——土壤顆粒碰撞前速度，m/s

v2——地膜碰撞前速度，碰撞前地膜靜止不動，v2=0 m/s

v′1——土壤顆粒碰撞后速度，m/s

v′2——地膜碰撞后速度，碰撞后地膜靜止不動，v′2=0 m/s

h——碰撞前土壤顆粒高度，mm

h′——碰撞后土壤顆粒彈起高度，mm

土壤顆粒與地膜接觸參數如表2所示。

表2 EDEM中物料屬性及接觸參數

將T1、T2、T3三維模型另存為.x_t格式后導入EDEM，同時按照表2為T1、T2、T3模型新建材料并添加材料屬性，在T1、T2、T3模型大壟壟面、小壟壟溝、橫腰帶覆土上方分別建立顆粒工廠，在Y軸負方向添加顆粒初始速度為0.5 m/s，同時增大計算域范圍，根據文獻[17-19]設置生成大壟面覆土顆粒質量19.3 kg，小壟壟溝覆土顆粒質量7.8 kg，橫腰帶覆土顆粒質量1.44 kg。

3.2 CFD-DEM氣固耦合參數設置

氣固耦合仿真時參照2.2節將T1、T2、T3模型.msh網格文件導入Fluent與EDEM軟件中，依照2.3節、3.1節進行仿真參數設置。EDEM仿真過程中particles-particles、particles-geometry接觸模型均采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型，并添加removeparticles.dll文件。Fluent-EDEM耦合仿真時進行雙向數據交換，二者仿真時間步長和數據保存間隔必須呈整數倍才能完成數據傳遞[29-30]，因此在EDEM計算時采用瑞麗時間的16.34%，時間步長為2×10-5s，數據保存間隔為0.01 s；Fluent中設置仿真時間步長為1×10-4s，每50個時間步長保存數據1次，共仿真10 000個時間步長，仿真時間為1 s。Fluent與EDEM仿真參數設置完成后開啟EDEM耦合接口，在Fluent中加載udf耦合接口文件，連接成功后由Fluent控制仿真計算。

3.3 CFD-DEM氣固耦合結果分析

CFD-DEM耦合仿真結束后，在EDEM后處理模塊和CFD-Post后處理軟件進行數據提取與分析。在CFD-Post后處理軟件中導入Fluent計算結果文件，在T1模型中在Z軸500、1 250、2 000 mm處分別建立平行于XY平面的3個平面；在T2模型中在X軸-200、350、900 mm處分別建立平行于YZ平面的3個平面；在T3模型中在Y軸-550、0、550 mm 處分別建立平行于XZ平面的3個平面，并生成T1、T2、T3模型在3個平面上氣流速度云圖和矢量云圖(圖7)，并導出T1、T2、T3模型中間位置的3個平面各網格坐標的速度值。在EDEM后處理模塊中顯示T1、T2、T3模型土壤顆粒在1 s時刻的運動形態及所處位置(圖8)，并導出隨機選擇的3組土壤顆粒運動坐標。將導出的數據在Excel中進行處理，得到1 s時刻，不同風速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面土壤顆粒運動速度云圖(圖9)和氣流場中移動曲線(圖10)。

圖7 不同風速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面氣流場速度云圖與矢量圖

圖8 1 s時不同風速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面土壤顆粒運動速度云圖

圖9 不同風速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面橫截面網格速度分布圖

圖10 不同風速下T1、T2、T3模型覆土過程膜面土壤顆粒受風力位移變化曲線

由圖7a～7c、圖9a可知，當風速為1.32 m/s時，T1模型3個截面中大壟面、小壟溝空氣流速均為0.5 m/s，均小于空氣流速，大壟面覆土表面空氣流速趨于0.8 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于0.9 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為1.1～1.2 m/s，其余區域空氣流速趨于1.4 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速稍有影響，氣流分布與壟體形狀基本吻合，氣流速度呈現由壟面向四周擴散增長趨勢；當風速為18.07 m/s時，T1模型3個截面中大壟面空氣流速均為5 m/s，小壟溝空氣流速均為4 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于6 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于10 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為11～13 m/s，其余區域空氣流速趨于19 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布與壟體形狀吻合度較高，氣流速度同樣呈現由壟面向四周擴散增長趨勢；當風速為26.5 m/s時，T1模型3個截面中大壟面、小壟溝空氣流速均為10 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于24 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于24 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為18～24 m/s，其余區域空氣流速趨于26 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布偏離壟體形狀，氣流速度同樣呈現由壟面向四周擴散增長趨勢。

由圖7d～7f、圖9b可知，當風速為1.32 m/s時，T2模型3個截面中大壟面空氣流速為0.6 m/s，小壟溝空氣流速為0.2 m/s，均小于空氣流速，大壟面與小壟溝間形成1個渦流，風速達到1.2～1.4 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于0.6 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于0.8 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為1.0～1.2 m/s，其余區域空氣流速趨于1 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速稍有影響，氣流路徑受壟面起伏的影響，流速分布不均，與壟體形狀有差異，氣流速度呈現由壟面向四周擴散增長趨勢；當風速為18.07 m/s時，T2模型3個截面中大壟面空氣流速為12 m/s，小壟溝空氣流速為8 m/s，均小于空氣流速，大壟面與小壟溝間形成1個渦流，風速達到14～18 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于12 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于8 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為8～12 m/s，其余區域空氣流速趨于14 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流路徑受壟面起伏的影響，流速分布不均，與壟體形狀差異較大，氣流速度同樣呈現由壟面向四周擴散增長趨勢；當風速為26.5 m/s時，T2模型3個截面中大壟面空氣流速為15 m/s，小壟溝空氣流速為5 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于15 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于20 m/s，大壟面與小壟溝間形成1個渦流，風速達到20～25 m/s，覆土表面空氣流速趨于15～20 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為15～20 m/s，其余區域空氣流速趨于20 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流路徑受壟面起伏的影響，流速分布不均，與壟體形狀差異較大，氣流速度同樣呈現由壟面向四周擴散增長趨勢。

由圖7g～7i、圖9c可知，當風速為1.32 m/s時，T3模型3個截面中大壟面空氣流速為1 m/s，小壟面空氣流速為1.8 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于1.0～1.2 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于0.4～0.8 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為1.6～1.8 m/s，其余區域空氣流速趨于1.4 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速稍有影響，氣流分布與大壟壟體形狀呈相似狀，氣流速度呈現由壟面向四周擴散增長趨勢；當風速為18.07 m/s時，T3模型3個截面中大壟面空氣流速為22 m/s，小壟面空氣流速為30 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于20～22 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于6～10 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為14～18 m/s，其余區域空氣流速趨于22 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布與大壟壟體形狀呈相似狀，氣流速度呈現由壟面向四周擴散增長趨勢；當風速為26.5 m/s時，T3模型3個截面中大壟面空氣流速為35 m/s，小壟面空氣流速為45 m/s，大壟面覆土表面空氣流速趨于25～35 m/s，小壟溝覆土表面空氣流速趨于10～25 m/s，橫腰帶覆土區域空氣流速為25～45 m/s，其余區域空氣流速趨于30 m/s，整個覆土過程中大壟面、小壟溝土壤顆粒對空氣流速影響較大，氣流分布與大壟壟體形狀呈相似狀，氣流速度呈現由壟面向四周擴散增長趨勢。

由圖8a～8c、圖10a可知，當風速為1.32 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較小，土壤顆粒移動最大距離為3.8 mm，最小移動距離為0.004 mm，橫腰帶覆土、大壟面覆土、小壟溝覆土顆粒移動時沿壟面或壟溝移動；當風速為18.07 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較大，土壤顆粒移動最大距離為51.6 mm，最小移動距離為0.6 mm，少量橫腰帶與大壟面覆土邊緣土壤顆粒被吹至小壟溝內，隨部分小壟溝土壤顆粒沿壟溝移動；當風速為26.5 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動最大，土壤顆粒移動最大距離為182.85 mm，最小移動距離為0.71 mm，大部分橫腰帶覆土與大壟面覆土邊緣土壤顆粒被吹至小壟溝內，隨部分小壟溝土壤顆粒沿壟溝移動。

由圖8d～8f、圖10b可知，當風速為1.32 m/s時，T2模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較小，土壤顆粒移動最大距離為1.86 mm，最小移動距離為0.07 mm，橫腰帶覆土、大壟面覆土顆粒移動時流向小壟溝內；當風速為18.07 m/s時，T2模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較大，土壤顆粒移動最大距離為132.67 mm，最小移動距離為0.006 mm，少量橫腰帶覆土、大量大壟面迎風面覆土土壤顆粒被吹至小壟溝內，并在小壟溝內堆積；當風速為26.5 m/s時，T2模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動最大，土壤顆粒移動最大距離為298.46 mm，最小移動距離趨于0 mm，大量橫腰帶覆土、大壟面迎風覆土和小壟溝內覆土土壤顆粒被吹至相鄰小壟溝內，并在小壟溝內堆積，導致大壟面與小壟溝覆土量趨于零。

由圖8g～8i、圖10c可知，當風速為1.32 m/s時，T3模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較小，土壤顆粒最大移動距離為4.12 mm，最小移動距離為0.004 mm，橫腰帶覆土、大壟面覆土、小壟溝覆土顆粒移動時沿壟面或壟溝移動；當風速為18.07 m/s時，T3模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動較大，土壤顆粒移動最大距離為164.94 mm，最小移動距離為0.75 mm，少量橫腰帶覆土、大量大壟面迎風面覆土土壤顆粒被吹至小壟溝內，并在小壟溝內堆積；當風速為26.5 m/s時，T1模型中氣流對覆土過程中土壤顆粒擾動最大，土壤顆粒移動最大距離為433.83 mm，最小移動距離為1.55 mm，大量橫腰帶覆土、大壟面迎風面覆土和小壟溝內覆土土壤顆粒被吹至相鄰小壟溝內，并在小壟溝內堆積，導致大壟面與小壟溝覆土量趨于零。

綜上所述，當空氣流速恒定時，覆土過程中種床及顆粒對氣流影響程度由大到小依次是T3、T1、T2，氣流對顆粒影響程度由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知，當空氣風速恒定時，T3模型膜面覆土受氣流影響最大，膜面覆土移動距離最大，大量橫腰帶覆土、大壟面迎風面覆土和小壟溝覆土土壤顆粒被吹至相鄰小壟溝內或空氣層，產生土壤顆粒在小壟溝內堆積、揚塵現象，致使大壟面與小壟溝覆土量趨于零，種床覆土構建失效，引起保墑效果不理想、大風揭膜等現象，影響作物生長及經濟效益。

4 全膜雙壟溝種床構建方位優化

4.1 速度方向對種床方向的影響

種床覆土表面流場分析表明：當空氣流速恒定時，橫腰帶覆土表面空氣最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大壟面覆土空氣流速與標準空氣流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。種床覆土過程分析表明：當空氣流速恒定時，整個覆土過程中種床及土壤顆粒對氣流影響程度由大到小依次是T3、T1、T2，氣流對顆粒影響程度由大到小依次是T3、T1、T2。可知T3模型種床及覆土表面氣流速度最大，所受氣流影響最大，所需覆土質量最大，大風揭膜概率最大，膜面覆土移動距離最大，橫腰帶覆土、大壟面覆土及小壟溝覆土被氣流吹向相鄰壟溝或空氣層概率最大，易形成揚塵，致使大壟面與小壟溝覆土量趨于零，種床覆土構建失效，引起保墑效果不理想、大風揭膜等現象，影響作物生長及經濟效益。同時大壟面覆膜交接點極易滲入氣流，引起大風揭膜現象，影響作物生長，危及經濟效益。覆膜覆土作業時應避免采用T3模型。種床構建失效形式如圖11所示。

圖11 T1、T2、T3模型種床覆土過程失效形式

4.2 太陽光照對種床方向的影響

土壤熱量主要源自太陽輻射能，高緯度地區由于太陽斜射，全膜雙壟溝種床單位面積接受太陽輻射能少，種床構建時應選擇接受太陽輻射能最大的方向為宜[31]。臨洮縣位于35°03′42″～35°56′46″N，以單日13時太陽輻射最大為例，可知T1、T2、T3模型種床接受太陽輻射能總量由大到小依次是T1、T3、T2；同時不同地理方位的種床溫度有所差別，南坡(向陽坡)受太陽輻射能最多，種床溫度較高，北坡(背光坡)受太陽輻射能最少，種床溫度較低。

4.3 覆膜利用率對種床方向的影響

近年來，國家為提高土地利用率和實現機械化，加速了土地流轉和梯田化進程，臨洮縣南北狹長，地勢由東南向西北傾斜，不同的全膜雙壟溝種床構建方向對耕地利用率、種床構建效率、作物產量、經濟效益等有著較大影響。以上述指標為判斷依據，種床構建方向對南北走向耕地適宜程度由大到小依次是T1、T3、T2；對東西走向耕地適宜程度由大到小依次是T3、T1、T2。而T2模型適用于小面積、不規則耕地。

綜上所述，考慮空氣風速風向、太陽輻射能、耕地利用率、種床構建效率及質量、作物產量、經濟效益等影響，全膜雙壟溝種床構建過程應遵循種床覆土位移最小、太陽輻射能最大、構建效率最快、受太陽輻射能最多、南坡(向陽坡)耕地優先、南北走向耕地優先原則。因此，全膜雙壟溝種床構建時優先采用模型依次是T1、T2、T3。

5 田間試驗

5.1 試驗條件

全膜雙壟溝膜面氣流場與種床覆土互作過程田間試驗在甘肅洮河拖拉機制造有限公司農機裝備工程中心試驗田內進行，試驗場地面積為0.60 hm2，地勢平坦，南北走向，土壤為黃綿土，含水率14.6%～15.9%，試驗時刻為13：00，地表溫度5.99℃，近地表空氣風速2.77 m/s，風向為北風，試驗場地按照全膜雙壟溝種床構建農藝要求，使用起壟覆膜機按照T1、T2、T3模型進行覆膜覆土作業，對作業過程及作業后模型進行性能試驗驗證，選用地膜為甘肅省政府招標白色地膜，厚度為0.01 mm。

5.2 試驗方法

按照 NY/T 986—2006《鋪膜機作業質量》和DB62/T 1935—2010《全膜雙壟溝鋪膜機操作規程及作業質量驗收》標準要求，測定T1、T2、T3模型橫腰帶覆土合格率、大壟面覆土合格率、小壟溝覆土合格率、覆膜效率、耕地利用率和采光面積占有率。測試區域寬度為22 m，長度20 m，經人工鋼尺測量得到各組數據，采用測定小區的平均值為測試結果，田間試驗如圖12所示。

圖12 田間試驗

5.3 試驗結果

結合甘肅省全膜雙壟溝覆膜種床構建特點，大壟面覆土寬度為90～110 mm，小壟溝覆土寬度35～45 mm，橫腰帶覆土寬度90～110 mm，覆土厚度20～30 mm，覆膜效率和采光面積占有率以最大平均值為宜[5-6,19]。起壟覆膜機覆膜作業后，人工測量并計算得出各試驗數據。按照試驗所定標準，計算得出橫腰帶覆土合格率、大壟面覆土合格率、小壟溝覆土合格率、覆膜效率、耕地利用率、采光面積占有率等平均值。試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果

樣機作業過程中，機具運行平穩，由試驗結果可知該試驗滿足全膜雙壟溝種床構建的作業質量和標準要求。當空氣流速較低對種床覆土過程影響較小，但不同的模型對后續工序和植株生長影響較大，平均種床合格率由大到小依次是T2、T1、T3，而覆膜效率、耕地利用率、采光面積占有率由大到小依次是T1、T3、T2。因此，綜合各因素影響程度，全膜雙壟溝種床構建時優先采用模型依次是T1、T2、T3，試驗結果與仿真模擬結果完全一致，相互驗證了模型的可靠性。

6 結論

(1)為進一步提升全膜雙壟溝種床構建質量，合理膜面覆土及減少揚塵，探究膜面覆土與氣流間互作規律，本文以甘肅省定西市臨洮縣境內52986號氣象觀測站點1981年1月至2010年12月的年平均風速1.32 m/s、年平均極大風速18.07 m/s、月平均極大風速26.50 m/s為仿真數據來源，以正北方向為基準，以農戶經驗選擇覆膜方向范圍0°～90°的最小值、中間值、最大值為全膜雙壟溝種床方向，分別建立T1(0°)、T2(45°)、T3(90°)3個全膜雙壟溝種床模型，采用CFD-DEM氣固耦合技術，通過離散元顆粒表征土壤顆粒，得出不同風速、不同方向下全膜雙壟溝種床覆土與氣流場間的互作機制，綜合空氣流場、太陽輻射能、耕地利用率對全膜雙壟溝種床構建的影響，對其構建方法進行了優化，最后進行了田間驗證試驗。

(2)種床覆土表面流場分析表明：當空氣流速恒定時，橫腰帶覆土表面空氣最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大壟面覆土空氣流速與標準空氣流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。種床覆土過程分析表明：當空氣流速恒定時，整個覆土過程中種床及土壤顆粒對氣流影響程度由大到小依次是T3、T1、T2，氣流對顆粒影響程度由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知T3模型種床及覆土表面氣流速最大，所受氣流影響最大，膜面覆土移動距離最大，易形成揚塵，同時大壟面覆膜交接點極易滲入氣流，引起大風揭膜現象，影響作物生長，危及經濟效益。

(3)優化后的種床構建方法應遵循種床覆土位移最小、太陽輻射能最大、構建效率最快、南坡(向陽坡)耕地優先、南北走向耕地優先原則，優先采用模型依次是T1、T2、T3。田間試驗結果表明：當空氣流速為2.77 m/s、風向北風時，平均種床合格率由大到小依次是T2、T1、T3，覆膜效率、耕地利用率、采光面積占有率由大到小依次是T1、T3、T2，試驗結果與仿真模擬結果完全一致，相互驗證了模型的可靠性，本文可為全膜雙壟溝種床構建提供參考。