流固耦合方法在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用*

李昊，張猛強(qiáng)，尹勇，張宏

(1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾，843300；2. 塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾，843300)

0 引言

目前，復(fù)雜的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)技術(shù)在設(shè)計(jì)及優(yōu)化環(huán)節(jié)中的應(yīng)用提出了更高的要求[1]，而各典型農(nóng)業(yè)機(jī)械，如耕整地與種植機(jī)械[2-3]、植保機(jī)械、節(jié)水灌溉機(jī)械[4]和收獲機(jī)械[5]等的作業(yè)過程，與流固耦合作用都有著直接的聯(lián)系。利用CAE軟件對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)工況進(jìn)行仿真已成為明晰其工作原理的重要手段，但僅考慮單一物理場(chǎng)的數(shù)值模擬已很難描述流固耦合兩相流場(chǎng)復(fù)雜的工作狀態(tài)[6]，采用計(jì)算流體力學(xué)只能反映流場(chǎng)的特征，無法準(zhǔn)確描述在流場(chǎng)作用下物料顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及在物料顆粒影響下流場(chǎng)分布情況。基于計(jì)算流體力學(xué)與離散元理論的流固耦合方法可使流體相與固體相分別在不同的計(jì)算域中計(jì)算，再通過耦合接口進(jìn)行信息交互，從而同時(shí)描述流場(chǎng)環(huán)境與顆粒運(yùn)動(dòng)行為[7-8]。流固耦合方法適用于對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的多種作業(yè)工況的模擬，可對(duì)關(guān)鍵部件在不同工況下的動(dòng)態(tài)工作過程進(jìn)行仿真計(jì)算分析，即為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提供詳實(shí)信息和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)也克服了設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)、效率低、產(chǎn)品可靠性差等問題，為復(fù)雜的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

流固耦合(Fluid-Structure/solid Interaction，F(xiàn)SI)方法是將基于連續(xù)性假設(shè)的有限元法(Computational fluid dynamics，CFD)與非連續(xù)性假設(shè)的離散元法(Discrete element method，DEM)相結(jié)合對(duì)流體相和固體顆粒相進(jìn)行網(wǎng)格單元間信息傳遞的一種計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法[9]。與過去常用的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法相比，流固耦合方法可揭示農(nóng)業(yè)機(jī)械復(fù)雜工況下的作業(yè)機(jī)理，準(zhǔn)確指導(dǎo)樣機(jī)設(shè)計(jì)，縮短實(shí)驗(yàn)周期，提高設(shè)計(jì)效率[10-11]。與單一物理場(chǎng)的數(shù)值模擬(CFD和DEM)相比，流固耦合方法擴(kuò)大了離散元法的研究角度，增加了計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用范圍，是將兩種理論體系相結(jié)合的先進(jìn)方法。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中，流固兩相流問題常是一個(gè)強(qiáng)非線性問題[12-13]，影響因素眾多且難以分割成流體和固體單獨(dú)分析，基于數(shù)值方法、基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試提出的流固耦合方法為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域流固兩相流問題提供新的解決思路。因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化中利用流固耦合技術(shù)解決復(fù)雜工程問題已成為有效手段和研究熱點(diǎn)。

本文對(duì)目前農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中涉及流固耦合方法的相關(guān)研究成果進(jìn)行綜述。由于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域作業(yè)對(duì)象(土壤、化肥、農(nóng)業(yè)物料)多為不規(guī)則散狀軟球顆粒，較少涉及用于解決瞬間碰撞問題的剛體顆粒，故本文針對(duì)顆粒離散元法和軟球顆粒模型方法進(jìn)行探討，從流固耦合的基本原理出發(fā)，對(duì)流固耦合在國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的典型實(shí)例進(jìn)行深入探討和分析，并對(duì)其中存在的問題加以總結(jié)。

1 流固耦合方法概述

流固耦合作用又被稱為流固耦聯(lián)作用，是一種用于研究流固兩相介質(zhì)的變形及其相互作用的方法[14-16]。在流固耦合方法模擬中，顆粒的形狀是影響顆粒運(yùn)動(dòng)特性的最重要參數(shù)之一[17-18]，準(zhǔn)確可靠的農(nóng)業(yè)散體顆粒模型是進(jìn)行精確計(jì)算的前提。由于顆粒變形導(dǎo)致兩顆粒之間是在一個(gè)平面區(qū)域內(nèi)接觸并非是點(diǎn)接觸，因而想要準(zhǔn)確描述接觸面上的接觸力分布是十分困難的，并且為了在多顆粒系統(tǒng)的模擬中提高計(jì)算效率，DEM通常采用簡(jiǎn)化的接觸模型來確定顆粒間的接觸力和力矩。

1.1 求解過程

在進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬時(shí)，CFD求解器用于計(jì)算近似流體場(chǎng)，顆粒相的運(yùn)動(dòng)由DEM計(jì)算模擬，耦合過程一般可以分為以下幾個(gè)步驟：首先通過CFD模型，對(duì)流體的連續(xù)性、動(dòng)量和湍流度進(jìn)行近似迭代計(jì)算直至收斂；然后利用網(wǎng)格劃分技術(shù)計(jì)算作用于每個(gè)顆粒上的流體力；而后DEM求解器近似迭代計(jì)算顆粒相的位置和速度，計(jì)算結(jié)束直至收斂為止；最后經(jīng)過一個(gè)CFD時(shí)間步長(zhǎng)后，顆粒相的受力、動(dòng)量等相關(guān)信息被傳遞至CFD求解器進(jìn)行單元化分析；CFD求解器再次循環(huán)迭代下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，直至收斂[8]。耦合流程圖如圖1所示。

圖1 CFD-DEM耦合流程圖

1.2 顆粒模型

對(duì)于農(nóng)業(yè)工程機(jī)械的研究，農(nóng)業(yè)物料多為高密度的軟體顆粒集合體，且多為不規(guī)則非球形散體顆粒[19]，因此提高非球形散體顆粒模型的還原度是流固耦合技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵所在。

非球形顆粒相較于球形顆粒的難點(diǎn)在于其復(fù)雜特征，主要包括以下幾點(diǎn)。

1) 復(fù)雜的流體力(例如：受顆粒形狀和方向影響的曳力和升力)以及碰撞后的運(yùn)動(dòng)變異性[20]，如圖2所示。

圖2 非球形顆粒受力圖

2) 顆粒之間一般受到來自兩個(gè)方向接觸力的作用：一個(gè)來自法線方向，另一個(gè)來自接觸平面切線方向。受形貌參數(shù)和物性特征的影響，很難準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)非球形粒子在接觸位置處能量和重疊的特定關(guān)系，如圖3所示。

圖3 顆粒間受力示意圖

3) 非球形散體顆粒和流體場(chǎng)之間的數(shù)據(jù)耦合信息傳輸會(huì)顯著增大兩數(shù)據(jù)源間傳輸量以及顆粒和流體之間力、質(zhì)量、動(dòng)量、能量的傳遞頻率。復(fù)雜程度的提升促使進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí)所需的計(jì)算量大大增加，大多計(jì)算設(shè)備不能提供所需計(jì)算能力，在很大程度上限制了耦合技術(shù)的應(yīng)用。

1.3 接觸模型

在表1中給出了常見的幾種接觸模型以及適用方向。

表1 常用的接觸模型Tab. 1 Commonly used contact models

接觸模型是流固耦合方案中極為重要的組成部分之一，顆粒變形導(dǎo)致兩顆粒間通過一個(gè)平面區(qū)域接觸，該區(qū)域上的接觸力可以分解為一個(gè)沿著接觸面的分量和一個(gè)垂直于接觸面的分量[21]，要準(zhǔn)確描述接觸面上的力學(xué)信息是十分困難的，在多顆粒系統(tǒng)的模擬中為了提高計(jì)算效率，流固耦合方案通常采用簡(jiǎn)化模型來確定顆粒間的力學(xué)信息。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 耕整地與種植機(jī)械領(lǐng)域

在耕整地與種植機(jī)械中，如何通過改變土壤物理特性的同時(shí)將籽粒和種苗精準(zhǔn)定量地投放至預(yù)定位置是技術(shù)難點(diǎn)[22]，同時(shí)在耕整地過程中由于土壤與觸土部件間較大的相互作用，造成大量能量的消耗[23]，利用流固耦合技術(shù)研究二者間作用規(guī)律和作用效果是提高拋投準(zhǔn)確性、降低能耗的重要途徑。

劉鵬等[24]為探究固體相玉米秸稈在粉碎室流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用CFD-DEM耦合方案對(duì)設(shè)計(jì)的秸稈粉碎拋撒還田機(jī)秸稈粉碎拋灑過程進(jìn)行了建模分析，利用多面體網(wǎng)格對(duì)機(jī)殼、粉碎刀軸等進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于計(jì)算顆粒體積分?jǐn)?shù)的DDPM模型并選用默認(rèn)的Hertz-Mindlin(no-slip)基礎(chǔ)接觸模型模擬分析了在不同粉碎刀軸轉(zhuǎn)速影響下粉碎室內(nèi)碎稈顆粒群數(shù)量及運(yùn)動(dòng)軌跡變化，并對(duì)碎稈顆粒群進(jìn)行力學(xué)及拋撒均勻性分析。結(jié)果表明，在滿足秸稈粉碎長(zhǎng)度要求的前提下，適宜的粉碎刀軸轉(zhuǎn)速可以提高碎稈拋灑均勻度。同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速對(duì)仿真準(zhǔn)確性的影響也各部不同，偏差大致保持在5%～10%左右。

Mudarisov等[25]為更好地研究耕作過程中土壤的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)栽培機(jī)土壤處理工藝過程進(jìn)行了建模分析，運(yùn)用三種不同形狀顆粒組合對(duì)土壤進(jìn)行建模，選擇適用于土壤建模的Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型[26-27]模擬了牽引動(dòng)力在不同運(yùn)行速度下對(duì)牽引阻力的影響。對(duì)比田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行速度增加1.5～3.0 m/s時(shí)，農(nóng)機(jī)具所受的牽引阻力將增加35%～40%。

雷小龍等[28-30]為提高氣送式集排器的排種性能，采用EDEM軟件對(duì)離散顆粒進(jìn)行描述，采用Fluent對(duì)連續(xù)氣體相進(jìn)行描述，基于計(jì)算顆粒體積分?jǐn)?shù)的Eulerian-Lagrangian(EL)計(jì)算模型的CFD-DEM耦合方法對(duì)給種裝置及分配頭內(nèi)油菜、小麥種子氣固流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，探究在不同流線型管蓋結(jié)構(gòu)下分配頭內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)特性和喂籽率的變化，分析了種子分布均勻性、氣流速度場(chǎng)和種子運(yùn)動(dòng)特性的變化規(guī)律，確定適宜油菜籽和小麥種子的進(jìn)氣速度分別為16～20 m/s和20～24 m/s。

在耕整地與種植機(jī)械中，固體相多為土壤及籽粒等固態(tài)顆粒，流體相多為氣流場(chǎng)，針對(duì)流固耦合問題，離散元法可以很好的研究土壤顆粒混合和籽粒在氣流等因素的影響下的運(yùn)動(dòng)過程；計(jì)算流體力學(xué)的方法則可以研究土壤混合移動(dòng)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變及速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的變化規(guī)律，如表2所示。然而由于農(nóng)田土壤粒度分布復(fù)雜、孔隙度不均勻、作物形狀各異等多種原因，離散元法對(duì)物料外形尺寸或土壤粒度和孔隙度的模擬仍存在較大的誤差。目前，將多個(gè)球形顆粒組合成團(tuán)塊是目前研究人員表征物料形狀的常用方法。如Abbaspour-Fard[31]和Kruggel-Emden[32]提出一種多球聚合體方法(multi-sphere method，MSM)對(duì)較為規(guī)則的農(nóng)業(yè)物料(果蔬等)進(jìn)行顆粒建模，其優(yōu)點(diǎn)在于表面為多個(gè)球面的組合，接觸檢測(cè)和判定仍然與實(shí)際保持一致。也正是因?yàn)檫@種球面的組合決定了針對(duì)尖銳邊緣和光滑表面就需要大量的球形顆粒，意味著工作量和仿真時(shí)間的增加。

表2 耕整地及種植過程中流固耦合的應(yīng)用Tab. 2 Application of fluid-solid coupling in land preparation and planting

2.2 植保機(jī)械領(lǐng)域

植保機(jī)械是農(nóng)業(yè)工程機(jī)械中的重要組成部分，其高效防治病蟲害的作用廣為人知。然而由于植保機(jī)械領(lǐng)域的顆粒運(yùn)動(dòng)研究涉及多相流場(chǎng)和電場(chǎng)等，真實(shí)試驗(yàn)已難以完成對(duì)顆粒實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的深入探究。流固耦合方法的出現(xiàn)為植保機(jī)械進(jìn)一步發(fā)展提出一種具有宏微觀交互跨尺度問題的解決方案。

吳姝等[33]為提高穩(wěn)壓氣室與隔膜泵液體之間隔膜壽命，通過建立活塞式隔膜泵簡(jiǎn)化模型，利用Workbench平臺(tái)下的FSI模塊實(shí)現(xiàn)液態(tài)域、氣態(tài)域和固態(tài)隔膜三者間的雙向流固耦合，并對(duì)穩(wěn)壓氣室隔膜變形特性展開研究，通過監(jiān)測(cè)固態(tài)隔膜最大位移和等效應(yīng)力變化情況探究隔膜變形量與穩(wěn)壓氣室初始?jí)簭?qiáng)之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明，在一個(gè)周期內(nèi)隔膜應(yīng)力脈動(dòng)最大應(yīng)力約為最小應(yīng)力的4倍，隔膜端部邊緣處多為應(yīng)力集中區(qū)域。

孫文峰等[34]針對(duì)植保作業(yè)時(shí)植株莖葉陰面及中、下部霧滴沉積較差的問題，基于仿生構(gòu)建理論提取鱘魚頭部曲線對(duì)分禾葉片結(jié)構(gòu)建立仿生模型，運(yùn)用Adams仿真軟件模擬分禾葉片與植株的接觸過程，檢驗(yàn)仿生分禾葉片相對(duì)于圓弧形分禾葉片的降阻減傷效果。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施藥方式相比，仿生分禾葉片的作用阻力降低20.7%，同時(shí)仿生植保分禾葉片裝置能夠有效改善霧滴在植株中、下部的沉積情況。

楊慶璐等[35-36]為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)排肥，利用離散元法模擬肥料顆粒，利用有限元法模擬所處氣流場(chǎng)，通過構(gòu)建集排式分肥裝置流固耦合模型對(duì)分配器旋蓋錐角和波紋管直徑對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響及探究，分肥裝置中氣流場(chǎng)選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型求解，固相肥料顆粒選用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型，且在波紋管和分配器處添加Moving Plan接觸模型以保證肥料顆粒能夠順利排出分肥裝置，模擬分析了旋蓋錐角和管道直徑對(duì)分肥裝置中肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、氣流速度和壓力場(chǎng)分布的影響。通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的擬合和優(yōu)化分析得到了在同一狀態(tài)下，上、中、下3層施肥量偏差穩(wěn)定系數(shù)分別為8.50%、6.54%和9.10%。

劉正道等[37]為提高氣流場(chǎng)內(nèi)肥料成團(tuán)性能和清肥率，采用CFD-DEM耦合方法對(duì)穴施肥裝置氣力投肥過程進(jìn)行建模分析，選取滑移網(wǎng)格模型(Moving mesh)對(duì)肥腔區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過對(duì)投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)的流場(chǎng)特性和肥團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析，探究在不同入口風(fēng)速和不同投肥路徑對(duì)投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)分布和對(duì)肥團(tuán)運(yùn)動(dòng)的影響。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入口風(fēng)速在8 m/s時(shí)，相較于側(cè)投肥方式，底投肥方式的清肥率提升1.6%達(dá)到87.1%，分布長(zhǎng)度由9.9 cm提升至11.4 cm。

眾多研究人員利用流固耦合方法研究植保機(jī)械工作過程中顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及顆粒分布狀態(tài)，如表3所示，通過跟蹤目標(biāo)顆粒，獲取目標(biāo)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從微觀層面探究植保機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)等對(duì)設(shè)備性能的影響，為植保機(jī)械的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

然而多數(shù)研究人員忽略顆粒形狀及粒徑分布，以標(biāo)準(zhǔn)球形代替實(shí)際顆粒，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不可控，同時(shí)由于肥料及霧滴顆粒較小、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，排種器內(nèi)部氣流場(chǎng)受排種器結(jié)構(gòu)影響較大，因此在進(jìn)行三維建模時(shí)應(yīng)盡量避免對(duì)模型的簡(jiǎn)化，盡可能提高計(jì)算結(jié)果的可信度，且暫時(shí)還缺少對(duì)三維模型和網(wǎng)格準(zhǔn)確性的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，無法保證模型適應(yīng)性和可靠性。

表3 施肥過程中流固耦合的應(yīng)用Tab. 3 Application of fluid-solid coupling in the process of fertilization

2.3 節(jié)水灌溉機(jī)械

以滴灌和微灌方式對(duì)農(nóng)田進(jìn)行節(jié)水灌溉過程中，滴灌頭局部堵塞問題也逐漸突出。已有部分學(xué)者[38-39]從水力流態(tài)出發(fā)，探究其對(duì)含雜顆粒運(yùn)動(dòng)分布的作用和不同結(jié)構(gòu)、工況對(duì)含雜顆粒運(yùn)動(dòng)分布的影響。

喻黎明等[40-41]為明晰過濾器內(nèi)水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用CFD-DEM耦合方法模擬了不同工況下Y型網(wǎng)式過濾器的流態(tài)分布和顆粒運(yùn)動(dòng)，通過Matlab軟件對(duì)比過流量和顆粒粒徑在過濾器濾芯作用下的壓差變化、運(yùn)動(dòng)軌跡以及顆粒分布，結(jié)果表明，濾網(wǎng)兩側(cè)壓差較大，占總壓差的77%，流量變化范圍較大，最大流量是最低流量的5.9倍。

周理強(qiáng)等[42]為導(dǎo)流片對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，利用DEM模擬沙粒顆粒，利用CFD模擬過濾器內(nèi)部流體，通過二者耦合方法對(duì)有無導(dǎo)流片兩種網(wǎng)式過濾器進(jìn)行建模分析并對(duì)其進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，探究隨導(dǎo)流片改變過濾器內(nèi)部水流運(yùn)行狀況、流量分布和壓降系數(shù)等水利特性得變化規(guī)律，為真實(shí)模擬過濾器內(nèi)部得回流和射流現(xiàn)象選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型。結(jié)果表明，相較于無導(dǎo)流板試驗(yàn)，有導(dǎo)流片的壓降系數(shù)將升高17.92%，導(dǎo)流板可有效減少泥沙在濾網(wǎng)面上的堆積，可以降低過濾器堵塞的可能。

陶洪飛等[43]為濾網(wǎng)孔徑對(duì)過濾器性能的影響，采用Fluent軟件對(duì)網(wǎng)式過濾器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了建模分析，選取Realizable k-epsilon多孔階躍(porous jump)模型模擬分析了不同濾網(wǎng)孔徑下的速度場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)及能態(tài)場(chǎng)。結(jié)果表明，濾網(wǎng)孔徑越小，網(wǎng)式過濾器過濾時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)越紊亂，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑從0.180 mm降低至0.125 mm時(shí)，實(shí)測(cè)水頭損失和數(shù)值計(jì)算的相對(duì)誤差將從4.00%上升至7.32%。同時(shí)，水頭損失越大，罐體與出水管交界處的濾網(wǎng)需要承受的壓強(qiáng)差越大。

當(dāng)前運(yùn)用流固耦合方法從微觀角度模擬節(jié)水灌溉機(jī)械已成為研究滴灌、微灌系統(tǒng)在過濾器等容器內(nèi)在運(yùn)行情況的新途徑，如表4所示。部分學(xué)者采用數(shù)值模擬等技術(shù)手段研究過濾器內(nèi)部水流特性，找到造成過濾器水頭損失高的原因，以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。然而由于過濾器內(nèi)部水流流態(tài)復(fù)雜，模擬精確度難以保證。例如在在對(duì)疊片式過濾器進(jìn)行模擬時(shí)，將其簡(jiǎn)化為兩片疊片模型，模擬結(jié)果無法完全代表整個(gè)過濾器內(nèi)部流場(chǎng)變化狀態(tài)，同時(shí)研究堵塞問題時(shí)需結(jié)合沙粒的運(yùn)移規(guī)律共同分析，無疑增大了研究難度。同時(shí)，針對(duì)精密設(shè)備模型驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)殘缺，還沒有對(duì)CFD模型及網(wǎng)格準(zhǔn)確性和適應(yīng)性有一個(gè)準(zhǔn)確的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)。

表4 灌溉過程中流固耦合的應(yīng)用Tab. 4 Application of fluid-solid coupling in irrigation

2.4 收獲機(jī)械領(lǐng)域

收獲機(jī)械領(lǐng)域流固耦合方法的應(yīng)用主要集中在針對(duì)氣力清選環(huán)節(jié)的農(nóng)作物顆粒篩分過程研究。在氣力清選過程中，農(nóng)作物顆粒的動(dòng)力學(xué)特性以及設(shè)備結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)對(duì)清選效果的影響能夠?yàn)榉诌x機(jī)械的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，而利用流固耦合方法進(jìn)行相關(guān)研究已成趨勢(shì)。

Ebrahimi等[44]為量化非球型顆粒在水平氣力輸送的預(yù)測(cè)能力，基于CFD-DEM耦合方式搭建水平氣力輸送系統(tǒng)數(shù)值模擬模型，并對(duì)其進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，應(yīng)用SIMPLE算法進(jìn)行迭代求解，利用并使用多普勒激光測(cè)量?jī)x測(cè)量氣相與顆粒相的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)為了精確測(cè)量阻力進(jìn)行API編譯，基于歐拉-拉格朗日模型對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)。然而由于所選的曳力模型、網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格缺失等問題造成仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相差較大，最大相差25%。

Xu等[45]為提高水稻聯(lián)合收割機(jī)清洗性能，采用CFD-DEM耦合的方法建立了空氣篩網(wǎng)清洗性能預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)水稻籽粒、雜質(zhì)和短稈3種建立顆粒模型，選取Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型計(jì)算顆粒間碰撞，并利用ICEM軟件分別對(duì)9個(gè)流道模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分并對(duì)流場(chǎng)復(fù)雜部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化研究分析了不同顆粒在清洗裝置中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于空氣濾網(wǎng)凈化裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，利用預(yù)測(cè)方法快速建立清洗性能，且清選損失率與含雜率的預(yù)測(cè)模型誤差分別小于9.4%和11.7%，并同時(shí)達(dá)到縮短產(chǎn)品升級(jí)周期、節(jié)約成本的目的。

李洪昌等[46-47]基于CFD-DEM方法研究了氣篩清選裝置振動(dòng)篩進(jìn)口氣流速度對(duì)顆粒和短秸稈縱向速度、高度和清選損失的影響，建立水稻籽粒和短莖稈作為篩分對(duì)象,采用Hertz-Mindlin接觸模型模擬顆粒—顆粒和顆粒—管壁之間的碰撞，很好地描述了氣篩清洗過程中篩面上顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)方向角在25°～45°時(shí)，物料沿篩面后移的速度增加，當(dāng)超過45°時(shí)，隨振動(dòng)方向角的增加，物料沿篩面后移的速度降低，物料分層效果較差。

在收獲機(jī)械領(lǐng)域，流固耦合方法在氣力清選環(huán)節(jié)得到廣泛的應(yīng)用。流固耦合方法從微觀尺度分析多相流中各相的運(yùn)動(dòng)機(jī)理并捕捉兩相的流動(dòng)特性，如表5所示。大多研究基于顆粒填充的方法，主要用于剛性球體的研究，對(duì)農(nóng)業(yè)物料并不適用，且顆粒填充的方法目前尚不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜顆粒的真實(shí)還原，如原建博等[48]利用三維激光掃描方法得到籽粒、癟籽粒和短莖稈三維模型，再通過編寫插件對(duì)三維模型進(jìn)行剛性球體填充，基于拉格朗日模型探究三種谷物模型在圓筒篩內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于水稻此類較為規(guī)則的農(nóng)作物通過此種方式進(jìn)行填充可保證重構(gòu)模型與實(shí)際物料尺寸誤差保持在5%左右，但針對(duì)存在尖銳邊緣的農(nóng)業(yè)物料便需要考慮顆粒填充數(shù)量的問題。同時(shí)，由于不同的物料分選過程涉及的流場(chǎng)特性各不相同，因此應(yīng)根據(jù)分選物料的分選特性及分選環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)或二次開發(fā)。然而物料在分選過程中受混合流體作用以及流體壓力、流量、濃度、顆粒大小、形狀、設(shè)備工作參數(shù)等眾多因素的影響，目前對(duì)其多相流體運(yùn)動(dòng)特性研究較少。

表5 分選過程中流固耦合的應(yīng)用Tab. 5 Application of fluid-solid coupling in the sorting process

3 存在問題

雖然諸多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究及相關(guān)技術(shù)探索，但流固耦合方法在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用依舊存在許多亟待解決的技術(shù)難題。同其他行業(yè)相比，流固耦合在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的研究較為落后。所以諸多問題需進(jìn)行更加深入的思考與分析。

1) 農(nóng)業(yè)相關(guān)物料參數(shù)獲取困難。離散元法需輸入大量物性及接觸參數(shù)，然而農(nóng)業(yè)物料大多外形尺寸大小各異，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)置與實(shí)際存在一定的誤差，將會(huì)導(dǎo)致模擬與真實(shí)結(jié)果之間相差較大。

2) 系統(tǒng)化顆粒形狀建模方法匱乏。針對(duì)農(nóng)業(yè)物料形狀建模多個(gè)球形顆粒組合成團(tuán)塊狀是目前研究人員表征不規(guī)則物料形狀的常用方法，然而針對(duì)存在尖銳邊緣和光滑表面等需要大量粒徑較小顆粒進(jìn)行填充，這就大幅度增加工作量和仿真時(shí)間。

3) 驗(yàn)證模型的標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)殘缺。顆粒模型還原程度和網(wǎng)格劃分的好壞是進(jìn)行流固耦合模擬主要難點(diǎn)，現(xiàn)在還沒有對(duì)CFD模型及網(wǎng)格準(zhǔn)確性及適應(yīng)性有一個(gè)準(zhǔn)確的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)。

4) 權(quán)衡計(jì)算時(shí)間與網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系。模擬的精度與網(wǎng)格質(zhì)量存在必然的關(guān)系，即網(wǎng)格更多、更細(xì)致便可以提供更加準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，網(wǎng)格質(zhì)量越高，計(jì)算時(shí)間也會(huì)隨之增長(zhǎng)，亟需尋找二者平衡點(diǎn)。

4 展望

通過上述對(duì)農(nóng)業(yè)工程流固耦合方法應(yīng)用研究現(xiàn)狀的分類歸納與綜述可見，隨著各細(xì)分領(lǐng)域相關(guān)研究的逐步深入和學(xué)科交叉以及相關(guān)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中，利用流固耦合方法對(duì)物料顆粒運(yùn)動(dòng)研究將會(huì)得到更充分的發(fā)展，其具體的研究趨勢(shì)如下。

1) 加強(qiáng)前處理等相關(guān)基礎(chǔ)性研究工作。由于農(nóng)業(yè)物料品類差異較大，各品類農(nóng)產(chǎn)品亟需進(jìn)行相關(guān)參數(shù)標(biāo)定、模型驗(yàn)證試驗(yàn)等相關(guān)基礎(chǔ)性研究工作。

2) 擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提升研究水平。相較于國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家，流固耦合方法受計(jì)算機(jī)計(jì)算能力限制，在我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用仍相對(duì)較少、推廣力度較差，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程機(jī)械的設(shè)計(jì)及顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究，呈現(xiàn)單一化發(fā)展趨勢(shì)且處于較低水平，有待向多元化方向發(fā)展。

3) 逐漸向成熟化、完善化方向發(fā)展。流固耦合方法將更多地從二維向三維，從兩相向多相發(fā)展，更多農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域?qū)Ｓ媚M軟件和后處理軟件將得到開發(fā)和應(yīng)用，更多農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域相關(guān)多物理場(chǎng)顆粒運(yùn)動(dòng)的理論分析將得到重視和發(fā)展。同時(shí)針對(duì)農(nóng)業(yè)物料的顆粒建模將更多地從逼近真實(shí)情況的角度進(jìn)行考量，并將更加重視顆粒之間的微觀接觸關(guān)系和顆粒群的宏觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。