基于Fluent 的組合氣吸式排種器關鍵部件仿真研究

王敬 李玉道 宋占華 田富洋 閆銀發 孫學振

摘 要： 以棉花小區播種機排種器為研究對象，采用模擬仿真試驗技術研究組合氣吸式排種器排種過程，在排種器的吸氣口截面設置不同的邊界條件（包括壓強和氣流速度），在開放條件下分析導向槽盤上導向槽的速度場和壓力場。結果表明，距導向槽盤中心越遠的位置，其氣流速度和壓強越小。設置排種器吸氣口界面的邊界條件相同，針對氣吸盤和導向槽盤組合后形成的氣吸孔開展氣流場仿真分析。入口處氣流壓強300 Pa、速度21.97 m/s，此時氣吸孔氣流場壓強2 481.8 Pa、氣流速度61.67 m/s，該仿真結果與試驗所測得的結果基本一致。試驗驗證并確定排種器幾何參數、動力參數對氣流場的變化和影響規律，可為設計試制播種機提供參考。

關鍵詞：組合氣吸式；排種器；仿真分析；Fluent；小區播種機；棉花

中圖分類號：S223文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0090-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.016

0 引言

現階段棉花小區試驗已成為選育良種至關重要的方式，相對于棉花大田種植來說，小區育種要求株距、行距、播深更嚴格，小區與小區之間分界明顯，兩小區之間種子不能混雜，因此棉花小區的種植精度、試驗條件一致性等要求更為嚴格[1-5]。小區播種機可以實現株距、行距、播深連續可調，排種精確、清種徹底高效，然而目前缺少與棉花小區作業相適應而且可進行大面積應用與推廣的精量排種器。為提高棉花小區試驗時的準確性，優化品種繁育適用的作業機械，降低育種過程中人為誤差，需研究棉花小區播種機排種器幾何參數、動力參數與排種準確性之間的關系，為棉花小區播種機械裝備的設計與研發提供理論依據。

現階段國內外研究人員基于精密排種技術開展了小區育種播種機方面的研究，并取得諸多成果。陳進等[6] 采取有限元法仿真研究了排種器吸孔處的氣流場，利用CFD Fluent 仿真軟件模擬出吸種口中的油菜種受力情況，結果表明，增大吸孔直徑和增加吸室真空度可提高吸孔能力。張敏等[7] 采取 CFD/Fluent 程序仿真研究了吸盤式水稻排種器吸孔的氣流場，對于優化排種器的結構與獲取相關參數提供重要的參考作用。廖慶喜等[8] 利用ANSYS Workbench 等軟件，優化排種器的機構、運動參數，并進行了仿真試驗。史嵩等[9] 利用EDEM 軟件對氣壓組合孔式排種器充種性能進行了模擬與仿真驗證，結果表明，擾動強度最大的排種盤的充種性能較其他排種盤更優。陳海濤等[10] 應用ADMAS 等軟件對大豆小區播種機機理進行了仿真，結果表明，弧形軌跡插裝式排種系統的空行程距離縮短到0.5 m 以內，并且能夠快速實現無混雜換種。楊薇等[11] 設計了一種種腔自凈型氣吸式精量排種器，通過Fluent 軟件模擬驗證了當剩余種子≤10 粒、清種時間≤1 s 的情況下，清種真空度>3 kPa 時，可保證剩余種子全部清出。張凱等[12] 使用Fluent 軟件開展了吸種器內部氣流場的分布分析，得到了吸種器內部壓力分布云圖和吸種孔截面云圖，并基于離散元法（DEM）建立種子顆粒模型，對排種器仿真模型進行簡化和網格劃分，完成了小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD 耦合仿真試驗，得出當排種盤轉速20 r/min、真空度2.2 kPa 時，排種性能最佳。姜業明[13] 分析了吸孔形狀對吸種性能的影響規律，基于CFD-DEM 耦合原理進行排種器性能仿真試驗，探究排種盤型孔排列方式對排種均勻性的影響，以此為基礎進行結構改進優化，選取倒角型吸孔和三角排列型型孔為排種盤的較優結構。劉榮榮[14]利用有限元分析軟件對不同參數條件下的排種器內部氣流場進行仿真模擬，探尋排種器流場分布特征，并結合種子物理特性參數及在吸種過程中的理論分析結果得到每個吸孔具有穩定吸附種子的區域，為后續研究精準吸附、達到合理控制穴粒數的目的打下基礎。

綜上所述，眾多研究對氣吸式排種器進行了大量的仿真分析，但針對棉花小區播種機排種器的研究仍處于起步階段。為此，本研究開展基于Fluent 的組合氣吸式排種器排種過程仿真分析研究，利用Solidworks、ADMAS、Fluent、EDEM 等軟件對棉花小區播種機關鍵部件進行模擬仿真，探討關鍵部件的幾何、動力參數對吸種過程影響的機理。通過分析排種器氣流場壓力、速度云圖的變化規律和壓力、速度變化曲線，以驗證、確定排種器幾何參數、動力參數對氣流場的變化和影響規律，為設計試制播種機提供參考。

1 仿真模型構建及仿真參數確定

1.1 組合氣吸孔和導向槽幾何模型

使用Solidworks 分別建立組合氣吸孔和導向槽三維幾何模型，如圖1 所示。密閉空間真空室由入風口、導向槽和氣吸盤槽組成，棉花種子通過風機給予入口的負壓吸附在氣吸孔處，隨氣吸盤和強制排種盤轉動由排種口排出。

1.2 仿真參數

將使用Fluent18.0 對幾何模型進行仿真分析，通過對幾何模型進行網格劃分、仿真模擬來觀察氣吸孔和導向槽的氣流場變化，并取得能使種子吸附壓強和速度發生變化的數據。通過ICEM CFD 18.0 的Mesh 對模型進行網格劃分，設置網格大小0.001 5，劃分后的網格模型如圖2a 和圖2b 所示。其中，圖2a 網格的總節點數191 122 個、網格的總單元數1 113 912 個；圖2b網格的總節點數190 835 個、網格的總單元數1 112 226個。

網格劃分完成后，需要對網格的質量進行檢查，如圖2c 和圖2d 所示，通過Edit Mesh 中的Display MeshQuality 進行網格的質量、最小角度、最大角度和最小節點角度等的檢查，經檢查網格的質量均在ICEM 網格質量要求標準以內。

2 仿真模擬試驗

由于氣體在氣室內時刻變化，仿真時選擇瞬態變化。為保證仿真計算結果的正確性，需根據雷諾數Re來確定仿真的物理模型是層流模型還是紊流模型，即Re<2300，氣流一般是層流；Re>4000，氣流一般是紊流；當2300

式中 Re——雷諾數

ρ——空氣密度，kg/m3

v——入口處氣體速度，m/s

d——入口處管道直徑，m

η——黏性系數，Pa·s

在溫度20 °C 時， ρ=1.29 kg/m3、v=21.97 m/s、η=1.8×10?5 Pa·s、d=0.022 mm，由式（1）可以計算得到Re≈34639.47>>2300，因此應該選擇紊流模型。紊流模型包括標準的k-ε 模型、RNG 模型、Realizable 模型。對于紊流流動，Modle 中標準的k-ε 模型是首選的物理模型，對于入口處的雷諾數大于規定值，選擇紊流模型非常適應。通過Fluent 的分析指南和參考文獻，本研究選擇標準的k-ε 紊流模型。

在Fleunt 中進行計算時，要對模型賦予材料類型，內部材料選擇為空氣，外部的壁面設置為鋁；假設流體為定常流動、不可壓縮、連續流動、瞬態過程，以及氣流的密度和黏度系數為常溫下的定值；對于入口和出口的設置，給定入口壓力和風速的大小和方向，出口保持默認。將INTERFACE 通過Mesh Interface 連接成一個面，設置殘差監視的數值都為0.01，其他均保持默認，監視殘差參數是否收斂；通過CalculationActivities 設置每過20 步自動保存； 設置迭代步數200 步、時間設置1 s，其他設置保持默認即可。由圖3 可知，最后迭代的次數4 組試驗都沒有超過175次就已經達到收斂，收斂的速度還是比較快的。

3 仿真試驗結果

3.1 導向槽和密閉真空室

導向槽壓力云圖如圖4 所示，表示入口設置的壓強在300、400、500 和600 Pa 時，導向槽的壓力云圖變化狀況。導向槽速度云圖如圖5 所示，表示氣流的速度在21.97、24.1、27.3 和30.86 m/s 時，導向槽的速度云圖變化狀況。

由圖4 和圖5 可知，導向槽的氣體速度變化受圓盤上速度分布的影響，顏色越淺代表速度越小。隨著入口的壓力越大，圓盤上的速度較大的天藍色區域也不斷地向外擴展；入口速度的不斷增加，壓力云圖的變化黃色區域也不斷向外移動。導向槽氣流場的速度總體是繞轉動中心向外不斷減小，壓力是繞轉動中心向外不斷減小，由于導向槽右半邊位置與導向槽盤固定裝置的槽在同一位置，因此中間會有一個較大的峰值變化。

導向槽壓強變化趨勢如圖6 所示，在曲線的變化中有一個波峰的變化較為明顯，同時也說明導向槽的壓強和速度大體趨勢是遠離轉動中心時逐漸減小，越靠近轉動中心壓強和速度越大。在導向槽兩端的周圍由于參數的增大速度也會隨之變大，因此導向槽的兩端位置壓強和速度反而會突然增大，這是由于導向槽盤固定裝置的槽的大小與厚度變化，以及導向槽的槽寬變化與氣流場分布不均勻變化引起的。

選取導向槽氣流場速度曲線和壓強曲線的最左端、中間位置和最右端3 個位置的壓強和速度值進行分析，對3 個位置的壓強和速度取平均值，得到在入口設置不同氣流壓強和氣流速度時導向槽氣流場的壓強均值和速度均值，與試驗測量的氣流場壓強均值和速度均值相應對比。

對比結果如圖7 所示，表明導向槽的氣流場速度試驗數據和仿真數據比較接近，壓強和速度變化趨勢在試驗和仿真過程中是相對應的，證明試驗結果和仿真結果相吻合，驗證了導向槽氣流場的仿真試驗具有有效性。

3.2 組合式氣吸孔和密閉真空室

Fluent 仿真試驗得到如圖8 所示的氣吸孔的壓力云圖變化狀況，其是在風機給予一定的壓強和風速時，氣吸孔氣流場壓強的等值線圖，將氣吸孔從右到左編制為1～7 號。

由圖8 可知，孔1、孔2 和孔3 顏色的差別較大，因此壓力變化較大，壓力分布不均勻，即孔1、孔2 和孔3 吸附種子的壓強變化急劇，吸種的穩定性較差；對于孔3、孔4、孔5、孔6 和孔7 的壓力云圖的變化，顏色的差別無明顯變化，孔4 和孔7 的壓力分布比較均勻，對于種子的吸附作用比較穩定。在孔4 和孔7氣流場都比較穩定的情況下，從不同的氣吸孔下選擇一個較大的壓強和風速將會有利于種子的吸附穩定性。

組合氣吸式排種器的氣吸孔上的氣流場是整個氣流場的變化，分析整個氣流場的變化過于復雜，因此分別選擇最右端的孔1、中間的孔4、最左端的孔7 作對角線，分析在入口處不同的風壓情況下，孔1、孔4和孔7 對角線上氣流場的壓強是如何變化的。通過使用后處理軟件CFD-Post 18.0 整理折線圖，最終結果如圖9 所示。

由圖9 可知，圖中藍色的折線是氣吸孔1，表明孔1 壓強的變化在整個氣流場中是比較明顯的，呈現壓強急劇減小，這與圖8 中氣吸孔的氣流場壓強云圖的變化是符合的；但是在入口壓強300 Pa 時相對于入口壓強為400、500 和600 Pa 變化幅度最小，即相對比較穩定，這時，氣吸孔的壓強基本都穩定在2 500 Pa 左右。對于孔4 和孔7 的壓強變化是比較均勻的，孔的壓強呈現緩慢增大的趨勢。通過在壓力折線圖的對應位置各自選擇5 個點，取得每個氣吸孔的對角線的平均壓強大小，其代表了每個氣吸孔氣流場的壓強。通過對取點數據的計算，得到如圖9e 所示的折線圖。

由圖9e 可知，入口在不同的設定風壓和風速的狀況下，每個氣吸孔的壓強均值的變化，但是考慮到圖9a～圖9d 所示的孔1 處的壓力變化急劇，導致氣吸孔內部氣流場的壓強分布不均勻，為了使氣吸孔1 處的壓強相對較穩定，因此孔1 得到的壓強均值選擇為種子穩定吸附的壓強值；通過圖9 可以觀察到孔4 和孔7 的壓強分布是比較均勻的。因此要在孔4、孔5、孔6 和孔7 之間選擇壓強和速度較大的氣吸孔，由圖9e 看出在設置的入口的不同參數下，孔4 的氣流場壓強的變化更加平緩和均勻，同時孔4 的壓強也要比孔5、孔6 和孔7 的壓強更大，能夠保證棉花種子更加穩定的吸附在氣吸孔上。

從入口設置的不同風速和風壓觀察氣吸孔氣流場的變化情況，可以計算出在入口的壓力300 Pa、速度21.97 m/s 時，棉花種子能夠穩定吸附在氣吸孔的壓強均值2 481.8 Pa、氣吸孔處氣流速度均值61.67 m/s。模擬得到的最佳壓強數值與試驗所得的氣吸孔氣流場的較好壓強2 600 Pa 是比較接近的。這表明在優選的壓強下，排種器的吸種性能相對其他情況而言是比較良好的，有利于提高氣吸式精密排種器的排種性能。

4 結束語

通過對組合氣吸式棉花小區播種機排種器的導向槽和氣吸孔進行仿真模擬，根據棉花種子的理論受力求出吸附種子的臨界壓強2 166.3 Pa，與試驗所得的壓強2 600 Pa 相接近。通過分析導向槽氣流場的壓強云圖和速度云圖變化，得到導向槽氣流場的變化規律，對比導向槽在4 組參數下的變化，明確了導向槽在壓強300 Pa 和速度21.97 m/s 時中間部分的變化穩定、波動較小；通過對氣吸孔和密閉真空室的仿真模擬數據的分析，確定了能夠使組合氣吸式排種器穩定吸附棉花種子的最優氣流場壓強均值2 481.8 Pa、速度均值61.67 m/s。

通過仿真試驗的分析，明確了導向槽氣流場的變化規律，驗證了仿真試驗的有效性和可行性，得到了組合氣吸式排種器能夠穩定吸附棉花種子的氣流壓強和氣流速度，為后續組合氣吸式排種器的優化設計提供理論支撐。

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