氣力集排式排種系統管道彎徑比對繩索擴散的影響

中圖分類號：S223.2；TH232 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）10-0049-06

Abstract：The centralized type pneumatic seeding systemadopts centralized sed deliveryanddistributed seeddischarge to achieveeficient sowing.It hasadvantages such as good compatibility with sed shapes，low seed damage rate，and adaptability of wideand high-speed operations.Inthis study，the EDEM—Fluent coupling methodbasedon the DDPM model was usedto simulateandanalyze the gas-solid two-phase flow in the bent pipe sectionofthe wheatcentralized type pneumatic seeding system.Thechanges in pressure loss andrope dispersion lawof bent pipes with different benddiameter ratioswere studied while the inlet air velocity was 25m/s and the particle mass flow rate was 0.2kg/s .The simulation results showed that the dispersion features of particle rope of R/D=2 and R/D=3 bent pipes were similar. In the range of 0-250mm cross-section height，the dispersion speed of particle rope of R/D=1 bent pipe was higher than R/D=2 and R/D=3 bent pipes，while in the range of 250-750mm cross-section height，the dispersion speeds of particle rope of （204號 R/D=2 and R/D=3 bent pipes were higher than R/D=1 bent pipe. When the crosssection height reached 750mm ，the uniformityof particle distributionof threebentpipeswithdiferentbend diameterratiostendedtowardssimilarity.Both pressure loss and relative wear on the elbow were decreased with the increase of bend diameter ratio.

Keywords：pneumaticcentralized type;sedingsystem;EDEM—Fluentcoupling;benddiameterratio;particleropedispersion

0 引言

速的作業要求，氣力集排式播種裝備得到大力發展。氣力集排式排種系統通過集中送種、分配排種的方式，實現“一器多行\"的功能，由于采用氣流輸送方式，具有隨著我國規模化種植的逐步發展，為適應寬幅、高對種子形狀適應性好、種子損傷率低等優點。

氣力集排式排種系統中，供料器、管道與分配器的結構是影響各行排量一致性的重要因素。常金麗等1設計了平蓋、上凸蓋、帶分流圓錐蓋（下凸蓋）三種結構形式的分配器，試驗分析分配器結構、褶皺形增壓管長度對各行排量一致性的影響。張曉輝等運用SolidWorksFlow軟件仿真了褶皺管、光滑直管以及不同分種外蓋錐角的流場分布。楊慶璐等3基于CFD—DEM耦合的方法分析了分配器旋蓋錐角、波紋管直徑對氣固兩相流的影響，以及人口風速、施肥速率對分肥均勻性的影響。李衍軍4應用EDEM—Fluent耦合方法分析了導流管結構，具體包括管長、波紋數量、波紋寬度、波紋深度對壓損、分布均勻度系數的影響；并根據鯽魚的流線型曲線設計了仿生分配器。楊少鵬5設計了Y型、T型、M型3種出口形式的分配器，基于CFD—DEM耦合方法確定M型結構形式最優，并優化了M型分配器內部結構參數。邢金龍運用EDEM—Fluent耦合方法優化了混合室長度、彎管彎徑比、褶皺管長度等參數。賈洪雷等運用EDEM—Fluent耦合方法優化了排肥口傾角、輸送氣速、波紋管長度等參數。雷小龍8運用EDEM—Fluent耦合方法系統分析了供料裝置、輸送管道、增壓管以及分配器中的氣固兩相流動。Yatskul等9試驗研究了氣力集排式播種機中分配頭的工作條件及其結構對分配準確性的影響。

由此可見，目前針對氣力集排式排種系統或施肥裝置等的氣固兩相數值模擬研究，主要采用CFD一DEM耦合方法，即通過CFD軟件進行流場分析，應用DEM軟件跟蹤顆粒的運動；主要的研究目標是提高各行排量的一致性；主要研究對象是波紋管、分配器等，而關于小麥氣力集排式排種系統管道彎徑比的研究較少。因此，本文通過EDEM一Fluent耦合方法對比分析不同彎徑比管道結構的繩索擴散規律與管道壓損、磨損，以期為氣力集排式排種系統中管道彎徑比的選用提供參考依據。

1氣力集排式排種器結構原理

氣力集排式排種系統14如圖1所示，主要由種箱、集中送種部件（調速電機、排種器）分配排種部件（風機、文丘里管、輸種管、彎管接頭、喉箍、波紋管、分配器、導種管）組成。調速電機控制排種器轉速，將種子從種箱送至氣力輸送系統，在氣力輸送系統中種子由風機加速，經管道輸送至分配器，由分配器將種子分配到各導種管，再經導種管將種子輸送至各播種行。本文主要分析氣力集排式排種系統中彎管內（包括輸種管和彎頭）的空氣一種子氣固兩相流動。

圖1氣力集排式排種系統

1.文丘里管2.風機3.調速電機4.排種器5.種箱6.分配器 7.導種管8.波紋管9.輸種管10.彎管接頭11.喉箍

2彎管建模與網格劃分

繩索擴散對管道出口截面的顆粒分布均勻度有重要影響[10-13]，為對比分析不同彎徑比條件下彎管內的繩索擴散規律以及壓損與磨損，建立彎徑比分別為1、2和3的彎管模型，彎管直徑 D=0.1m ，水平段 L= 0.3m ，豎直段 。如圖2所示，以彎徑比R/D=2 的彎管為例，應用ICEM軟件建立彎管三維模型并對其進行結構化網格劃分。通過行列式和角度標準檢查網格質量，行列式檢查值在0.3以上、角度在18^° 以上可以被大多數求解器所接受，保證求解精度。各彎徑比彎管網格劃分質量如表1所示。

圖2彎管模型與網格劃分 （R/D=2 門

表1各彎徑比彎管網格劃分質量

Tab.1 Meshing quality of bentpipes with different R/D

3 EDEM一Fluent耦合設置

3.1耦合接口和時間步長的選擇

EDEM—Fluent耦合接口主要有兩種類型：基于Eulerian模型的耦合接口和基于DPM/DDPM模型的耦合接口。兩種耦合接口均是流體一顆粒雙向耦合，即顆粒受流體電力作用，顆粒對流體的阻力通過動量源項添加到流體動量守恒方程中。基于Eulerian模型的耦合接口中流體一顆粒通過自定義源項相互作用，如若考慮顆粒體積分數，需在Fluent中開啟歐拉模型[15]；基于DPM/DDPM模型的耦合接口通過Fluent軟件中的DPM模型計算電力等信息，如若考慮體積分數需要激活DDPM模型。由于DPM/DDPM模型的耦合接口是基于Fluent軟件的DPM模型框架，其設置相對簡單，故采用基于DDPM模型的耦合接口。

EDEM軟件采用顯式計算方法，為保證計算結果的準確性，時間步長一般設置為Rayleigh時間步長的20% 左右。對于本文使用的小麥顆粒，時間步長設置為 2×10^-6 s時，占Rayleigh時間步長的 17.99% ，滿足要求。在EDEM—Fluent耦合計算中，Fluent的時間步長應為EDEM中時間步長的整數倍，在Fluent軟件中設置時間步長為 2×10^-4 S。時間步數量設為15000個，即仿真時長為 3s 。

3.2 EDEM顆粒建模和參數設置

在EDEM軟件中建立小麥顆粒模型4，通過多球面組合的方式，形成中間粗兩頭尖的小麥種子模型，如圖3所示。小麥顆粒的尺寸（長 x 寬 x 高）為 6mm× 3mm×3mm ，顆粒體積為 24.7mm³ ，均小于3種彎徑比彎管的最小網格體積，滿足基于DDPM模型的EDEM—Fluent耦合計算要求。參考文獻[4設置小麥顆粒的物性參數：泊松比為0.42，剪切模量為 5.1×10⁷ Pa ，密度為 1350kg/m³ ；設置不銹鋼壁面參數：泊松比為0.3，剪切模量為 7.5×10⁷ Pa，密度為 7800kg/m³ 設置小麥一小麥接觸參數：碰撞恢復系數為0.42，靜摩擦因數為0.35，動摩擦因數為0.05；設置小麥一幾何體接觸參數：碰撞恢復系數為0.5，靜摩擦因數為0.46，動摩擦因數為 0.05 小麥一小麥和小麥一幾何體的接觸模型均采用Hertz—Mindlin（noslip）模型，顆粒的質量流量為0.2kg/s_o 為統計小麥顆粒與幾何體之間的相對磨損，在小麥一幾何體的接觸模型中勾選RelativeWear模型。

圖3小麥顆粒模型 Fig.3Modelofwheatgrain

3.3Fluent參數設置與電力模型選擇

設置瞬態求解：添加重力且方向和EDEM軟件重力方向一致，因此設置 Z 軸方向為 -9.81m/s² 。湍流模型設置為SST k omega。速度人口流速為 25m/s ，壓力出口表壓 0Pa 。流體曳力是氣體對顆粒的作用力，小麥顆粒形狀不規則，選擇合適的電力模型可以提高數值模擬的準確性。Nonspherical模型是Fluent軟件中自帶的電力模型，主要對非球狀顆粒進行電力計算[16]，其中引入球形度 φ 作為對顆粒形狀的描述。球形度計算如式（1）所示。建立的小麥顆粒模型表面積 s 為 44.69mm² ，同體積球體的表面積 s 為 41.02mm² ，計算出球形度φ=0.92

式中： s. 工 -同體積球形顆粒表面積， mm² 5s 一小麥顆粒的表面積， mm² O

4 結果分析

4.1顆粒繩索現象分析

彎管中顆粒運動經過水平段、彎頭和豎直段3個階段。在彎管彎頭處，顆粒在離心力的影響下會聚集在外側管壁上，由于是圓形截面管道，圓弧狀管壁會使聚集在管壁上的顆粒向中線聚集，形成顆粒繩索。各彎徑比彎管在3s時，顆粒速度與位置分布如圖4所示，彎管彎徑比越大，顆粒繩索越長。在彎管彎頭出口處，顆粒不再受到離心力，且由于慣性，顆粒會向遠離外側管壁的方向運動，顆粒繩索會在此開始擴散。顆粒繩索的形成與擴散影響著豎直段管道截面的顆粒分布均勻度。

4.2彎管豎直段截面顆粒分布均勻度分析

氣力集排式排種系統中，顆粒從彎管豎直段進入波紋管或分配器時，理想狀態是彎管豎直段出口截面上的顆粒圍繞截面中心均勻分布，以提高各行排量一致性。為研究不同彎徑比條件下顆粒繩索的擴散，從豎直管段最低點（剛出彎頭處）取第一個截面，然后每間隔250mm 取一個截面，共取5個截面，如圖2（a）所示。

如圖4所示，在EDEM軟件后處理中，在所選取的截面處創建圓柱形GeometryBin，圓柱高度為 10mm 直徑為 100mm ，輸出 2.5～3s 時間段內每個圓柱區域內通過顆粒的 XY 坐標信息，應用MATLAB軟件繪制管道截面和顆粒散點圖，如圖5所示。各彎徑比彎管隨著截面高度的增加 （0～1000mm ），顆粒分布均勻性呈越來越好的趨勢； R/D=1 彎管在 0～750mm 顆粒分布均勻度優于 R/D=2 和 R/D=3 彎管，在 1000mm 處三者區分度較小； R/D=2 彎管在 0mm?250mm 高度截面處顆粒分布均勻度優于 R/D=3 彎管，在 500～ 1000mm 處難以分析兩者的顆粒分布均勻度。

圖5不同彎徑比彎管各高度截面顆粒分布散點圖Fig.5Scatter ofparticle distribution at each cross-section ofbend pipeswith different R/D

為有效對比分析各彎徑比彎管各高度截面的顆粒分布均勻性，需要進行定量分析。文獻[4建立了四等分的分布統計框，如圖6（a）所示，用1減去變異系數得到種子分布均勻度系數；文獻[12]將截面分成 9×20 的網格，如圖6（b）所示，采用分散化指數來衡量顆粒在截面上的分布均勻性，如分散化指數達到0.98即判定該截面顆粒分布均勻，該截面距離彎頭出口高度定義為偏析高度。為了統籌考慮徑向、周向顆粒分布均勻性，且使徑向、周向各區域內的顆粒數量具有可比性，將管道截面徑向劃分成4份、周向劃分成8份，并使劃分后的32個區域面積相等，如圖6（c所示，應用MATLAB軟件統計每個區域的顆粒數量，最后計算各區域顆粒數量的標準差，用標準差來衡量顆粒分布的均勻性。

圖6截面區域劃分 Fig.6 Area division of cross-section

各彎徑比彎管各高度截面顆粒分布標準差如圖7所示。各彎徑比彎管隨著截面高度的增加，截面各區域顆粒分布標準差越來越低，即顆粒分布均勻度越來越好，與散點圖分析一致； R/D=2 與 R/D=3 彎管隨著截面高度的增加，繩索擴散規律相似；在 0～250mm 截面高度， R/D=1 彎管繩索擴散速度比 R/D=2，R/D= 3彎管快，在 250～750mm 截面高度，繩索擴散速度比R/D=2，R/D=3 彎管慢；在 750mm 與 1000mm 截面高度處，3種彎徑比彎管的顆粒分布標準差趨于一致。

截面劃分區域顆粒分布標準差統計（圖7）分析結果與散點圖（圖5）分析結果基本吻合。值得注意的是，在 0mm 高度截面處，彎徑比越小，截面各區域顆粒分布標準差越高，而散點圖中彎徑比越小，顆粒分布均勻度越好。這是由于在 0mm 高度截面，雖然彎徑比越小，散點圖中顆粒分散性更好，但在顆粒分布標準差統計中顯示，截面局部區域顆粒數量偏離各區域平均顆粒數量的程度越高。

R/D=1 彎管在 ！ 區域顆粒數量分別為620、632，各區域平均顆粒數量為 44.5;R/D=2 彎管在上述兩區域顆粒數量分別為570、617，各區域平均顆粒數量為 40.66;R/D=3 彎管在上述兩區域顆粒數量分別為555、575，各區域平均顆粒數量為40.53，這也是0mm 高度截面處彎徑比越小標準差越高的原因。

4.3 彎頭壓損分析

應用Fluent軟件分析彎管內氣固兩相流動的壓力損失，由于彎管彎徑比不同，而水平段和豎直段管道長度是固定的，這使得各彎管總長總高不同，為了能夠統計出可以對比的壓力損失數據，在彎管彎頭處取一個能夠將彎管彎頭完全包括進去的邊長為 400mm 的正方形，正方形與水平管、豎直管相交處分別取截面A、B，如圖2（a）所示。應用Fluent軟件計算各彎徑比彎管A、B截面處的總壓力，如表2所示，可見彎管的壓力損失隨著彎徑比的增大而減小。

表2不同彎徑比彎管彎頭處壓損 Tab.2Pressure loss in the elbow of bent pipes with different R/D

4.4彎頭磨損分析

應用EDEM軟件分析彎管磨損，各彎徑比彎管與顆粒碰撞而造成的法向、切向累積接觸能量如圖8所示。彎徑比越大，法向、切向累積接觸能量越小，即磨損越小；彎管法向磨損主要集中在彎頭前半部分區域，彎管切向磨損覆蓋整個彎頭區域，但最大磨損位置在彎頭前半部分區域。

5 結論

通過EDEM—Fluent耦合方法，基于DDPM模型耦合接口對氣力集排式排種系統彎管中小麥種子顆粒的氣力輸送進行仿真試驗，對比分析人口氣流速度為 25m/s. 顆粒質量流量為 0.2kg/s 時， R/D=1 、R/D=2，R/D=3 三種彎徑比彎管的顆粒繩索擴散規律與管道壓損、磨損。

1）從彎管內氣固兩相流動的顆粒位置分布可知，彎管彎徑比越大，顆粒繩索越長。各彎徑比彎管豎直段截面高度越高，顆粒分布均勻度越好； R/D=2 和 R/D=3 彎管的繩索擴散規律相似；在 0～250mm 截面高度，R/D=1 彎管繩索擴散速度比 R/D=2，R/D=3 彎管快，在 250～750mm 截面高度，繩索擴散速度比 R/D=2 R/D=3 彎管慢；在 750mm.1000mm 截面高度處，3種彎徑比彎管的顆粒分布均勻度趨于一致。

2）在 0mm 高度截面處，從截面顆粒分布散點圖角度看，彎徑比越小，截面顆粒分散性越好；而根據截面各區域顆粒分布標準差結果，彎徑比越小，標準差越大，即截面顆粒分布均勻性越差，原因是彎徑比越小，截面局部區域的顆粒數量偏離截面各區域平均顆粒數量的程度越大。彎管彎頭處壓力損失與相對磨損會隨著彎徑比的增加而降低。

參考文獻

［1］常金麗，張曉輝．2BQ—10型氣流一階集排式排種系統設計與試驗[J].農業工程學報，2011，27（1）：136—141.Chang Jinli， Zhang Xiaohui. Design and test of one-stepcentralizedtypepneumaticseedingsystem[J].Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2011，27（1）：136—141.

［2］張曉輝，王永振，仍利，等．小麥氣力集排器排種分配系統設計與試驗[J].農業機械學報，2018，49（3）：59—67.Zhang Xiaohui，Wang Yongzhen，ZhangLi，et al.Design andexperiment of wheat pneumatic centralized seeding distributingsystem [J]. Transactions of the Chinese Society forAgricultural Machinery，2018，49（3）：59—67.

[3］楊慶璐，李子涵，李洪文，等．基于CFD—DEM的集排式分肥裝置顆粒運動數值分析[J].農業機械學報，2019，50（8）： 81-89.YangQinglu，Li Zihan，Li Hongwen，et al. Numericalanalysis of particle motion in pneumatic centralized fertilizerdistributiondevicebasedonCFD—DEM[J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2019，50（8）：81-89.

［4］李衍軍．小麥氣流輸送式排種系統關鍵部件研制與分析[D].北京：中國農業機械化科學研究院，2021.Li Yanjun.Design and analysis of key components ofwheat seed metering system [D]. Beijing： ChineseAcademy of Agricultural Mechanization Sciences，2021.

[5］楊少鵬．氣力集排式小麥排種系統設計與試驗[D].楊凌：西北農林科技大學，2022.Yang Shaopeng. Design and experiment of pneumaticwheat seed metering system [D]. Yangling： NorthwestAamp;FUniversity，2022.

[6］邢金龍.基于CFD—DEM耦合的氣流一階集排式排種系統仿真與試驗[D]．昆明：昆明理工大學，2017.Xing Jinlong. Simulation and test of one-step centralizedpneumatize seeding system based on CFD—DEM couplingmethod [D]. Kunming：Kunming University of Scienceand Technology，2017.

［7］賈洪雷，譚賀文，溫翔宇，等．氣力集排式精量配混施肥裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2022，53（S2）：109—119，203.Jia Honglei，Tan Hewen，Wen Xiangyu，et al. Design andexperiment of pneumatic aggregate and discharge precisionfertilizer mixing device [J].Transactions of the ChineseSociety for Agricultural Machinery，2O22，53（S2）：109-119，203.

[8]雷小龍.油麥兼用型氣送式集排器設計及其工作機

理[D].武漢：華中農業大學，2017. LeiXiaolong.Design andworkingmechanismof air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat［D]. Wuhan：Huazhong Agricultural University， 2017.

[9]YatskulA，LemiereJP，CointaultF.Influenceof thedivider head functioning conditions and geometry on the seed's distribution accuracyof the air-seeder[J].Biosystems Engineering，2017，161：120—134.

[10]Yilmaz A，Levy K. Formation and dispersion of ropes in pneumatic conveying [J].Powder Technology，2001， 114（1—3）：168—185.

[11]Kruggel-Emden H，Oschmann T.Numerical study of rope formation and dispersion of non-spherical particles during pneumatic conveying in a pipe bend[J].Powder Technology，2014，268：219-236.

[12]上官秋豪．稀相氣力輸送中繩索（Roping）現象顆粒擴散 特性的研究［D].南京：東南大學，2020. ShangguanQiuhao.Research onparticlediffusion characteristicsofropingphenomenoninpneumatic conveying[D].Nanjing：SoutheastUniversity，2020.

[13］杜俊，胡國明，方自強，等．彎管稀相氣力輸送CFD—DEM法數值模擬[J」.國防科技大學學報，2014，36（4）：134—139.Du Jun，Hu Guoming，Fang Ziqiang，et al. Simulation ofdilute pneumatic conveying with bendsby CFD—DEM[J].JournalofNationalUniversityofDefense Technology，2014，36（4）：134—139.

[14]李繼偉，袁文勝，翟歡樂，等．氣力輸送技術在農業機械中的應用[J].中國農機化學報，2023，44（1）：85-92，115.Li Jiwei， Yuan Wensheng， ZhaiHuanle， etal.Applicationofpneumaticconveyinginagriculturalmachinery[J]. JournalofChineseAgriculturalMechanization，2023，44（1）：85—92，115.

[15］杜俊，胡國明，方自強，等．稀相氣力輸送CFD一DEM仿真中兩種模型的比較[J].海軍工程大學學報，2015，27（2）：57-60.Du Jun，Hu Guoming，Fang Ziqiang，et al. Comparison oftwo different CFD-DEM models for simulationofdilute-phase pneumatic conveying[J]. Journal of NavalUniversity of Engineering，2015，27（2）：57-60.

[16]Haider A，Levenspiel O.Drag coefficient and terminalvelocityof spherical，andnonspherical particles[J].PowderTechnology，1989，58（1）：63-70.