盘吸式播种机吸嘴流场性能的分析

董春旺,胡斌,毛树春,李亚兵,韩迎春,冯璐,朱巧玲

(1石河子大学机械电气工程学院,石河子832003;2中国农业科学院棉花研究所,安阳455000)

盘吸式播种机吸嘴流场性能的分析

董春旺1,胡斌1,毛树春2,李亚兵2,韩迎春2,冯璐2,朱巧玲2

(1石河子大学机械电气工程学院,石河子832003;2中国农业科学院棉花研究所,安阳455000)

为给气吸式播种机吸嘴结构的优化设计提供依据,采用CFD方法对不同结构参数吸嘴的三维流场进行数值模拟及分析,得到吸嘴端口结构形式及参数与吸附性能的影响关系。仿真结果表明:吸嘴吸附性能强弱关系为V型>U型>A型,吸附能力随口径增加而增强,导程对吸附性能影响较小,在吸嘴端口开设合适锥形角有利于提高取种精度。

播种机;吸嘴;流场分析;仿真;Floworks软件

Abstract:CFD method was used to analyze the 3D flow fields of nozzles of different structural parameters.Simulation results show that the relationship strength of the absorbablity of the nozzles were V>U>A,and he absorbablity increased when the diameter increased.The lead had a comparatively slight influence on opening appropriate conelike angles at the ends of nozzles will help precision of getting seeds.

Key words:seeder;nozzle;CFD;simulation;floworks software

吸嘴是盘吸式育苗精量播种机的重要工作件之一。盛江源[1-2]、陈进[3]、庄森[4]、B B Gaikwad[5]和P Guarella[6]等基于测点试验方法或简化吸嘴为二维的计算模型对吸嘴或吸孔流场特性进行了研究,结果表明吸嘴端口的形状、大小对气吸式播种器的性能有着重要影响。上述研究虽初步揭示了吸嘴流场特性的内在规律,但对吸嘴空间流场分布的描述不是很直观,吸嘴内沿程流速的变化尚未明确,因此,采用三维计算模型分析吸嘴空间流场的效果具有重要意义。

本文对自行设计的盘吸式棉花育苗播种机[7-9],采用计算流体动力学仿真技术对吸嘴的三维流场进行数值模拟,更直观地揭示了吸孔形状、孔径、导程等因素对种子吸附性能的影响规律,为该类播种机真空吸嘴的选型和结构设计提供了理论依据和方法,对进一步提高整机播种性能有参考价值。

1 吸嘴端口结构流场性能分析

吸嘴是盘吸式播种机气吸系统的终端,与真空吸盘气室连接相通,在吸孔内及端口形成一定负压来实现取种[8]。常见吸嘴以端口型状分为:U型嘴、A型嘴和V型嘴等[3,9]。

1.1 模型建立与仿真分析

在 Floworks仿真环境中[10],用 SolidWorks软件建立U型嘴、A型嘴和V型嘴的三维计算模型,孔径均为2 mm,导程为8 mm A型锥角吸嘴锥角依据棉种结构特点设置为90°角。吸嘴结构形状如图1所示。

作以下假设:吸嘴进气口流速均匀,所有壁面施加无滑移边界条件。各参数与边界条件设置为:空气密度=1.2 kg/m3,吸嘴入口处环境压力为101 kPa,出口压力是播种机气源(旋涡气泵)的工作真空度,为15 kPa,即绝对压力为86 kPa;网格划分精度选3级,其余选项设为默认值[10-12]。经迭代求解运算后,仿真结果如图2所示。

由图2所示,不同颜色表示不同速度,红色(图2中A区)描述高流速,蓝色(图2中B区)描述低流速。U型嘴内流速分布均匀;A型嘴导程内流速较高,在吸种端口处流速较低且分布不均匀,沿端口中心到边角位置,流速急速下降;V型嘴和A型嘴刚好相反,在导程内流速较低且分布不均匀,而在吸嘴端口范围,流速急剧上升且在颈口处出现峰值。

图1 典型吸嘴三维计算模型Fig.1 3D calculation model of typical nozzle

图2 流速数值模拟云Fig.2 Numerical simulation of flow chart

表1是3种吸嘴各部位流速的数值,图3是 3种吸嘴中轴线流速分布情况。

由表1与图3知,同等真空度(负压)下,吸嘴端口流速关系为:V型>U型>A型,各嘴形的吸嘴最高流速均发生在吸孔颈口处。由伯努利方程知,流速大则压力小,吸种口形成的真空度越高(压力差大),由此可知V型嘴的吸种性能好于U型嘴和A型嘴。

表1 吸嘴内各部位流速Tab.1 Various parts of the nozzle flow rate m/s

1.2 吸嘴外流场数值模拟与端口优化

V型吸嘴同等条件下较其它嘴型能获得最好流速,应该具有最好的吸种效果。而实际中由于种子形状不规则,顶部与根部直径差异较大,在吸种过程中,顶部或根部与吸嘴口接触具有随机性,当种子根部吸附于吸嘴口时易卡死,不能自由落入穴盘而造成空穴。所以有必要在嘴端开设锥形倒角,以降低吸附卡死几率。同时吸嘴气流场分布与端口结构形式有关[14-15],故采用AL GOR软件对吸嘴端口外流场模拟[16],如图4所示。

由图4可知,当气流通过吸嘴孔时,气流从吸嘴向外成扩散状,气流方向截面呈收缩状,沿气流的运动方向流速逐渐增加,到吸嘴口处达到最大速度。对比2种吸嘴,V型直口吸嘴气流主要源自端口正下方区域,而设计锥形角后加大了收缩横截面积,气流组成上纵向气源消弱,两边横向气源拓宽,优化了端口进气流场,使吸种范围增加,降低了对真空度的要求,从而既可提高吸附率,又能避免种子卡住的情况。

在样机性能试验中发现,吸附时吸嘴与棉种接触点多为棉种小端(根部)。依据试验用新陆早10号光籽棉种为例,其平均基准尺寸为(长×宽×高)8.5 mm×4.4 mm ×4.1 mm,小端锥角度为 30°～60°,为避免锥角过小投种不畅,设计吸嘴锥形角度为 60°。

图4 二种吸嘴端口流场Fig.4 The flow field of two-port nozzle distribution

2 吸嘴参数对流场性能的影响

2.1 导程流场模拟分析

选择孔径为2 mm,吸种导程分别为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm的V型锥角吸嘴进行数值模拟试验,计算结果见表2。

由表2可知,吸孔导程增加后,吸孔处的气流速度有变化,但变化幅度不明显,也无定向的发展趋势。这表明导程更多起到对气流的调整和稳定作用,增加导程提高了气流的稳定性,但对吸种性能的影响并不大。

表2 不同吸嘴导程的流场特性Tab.2 Different lengths of nozzle flow field characteristics

2.2 孔径流场模拟分析

选择孔径分别为1.8 mm、2.0mm、2.2 mm和2.4 mm、2.6 mm、2.8 mm,导程为8 mm的V型锥角吸嘴进行仿真试验,统计结果见表3,吸嘴内流速随孔径变化趋势如图5所示。

由表3和图5可知,随着嘴径的增加,吸嘴口以及颈口峰值气流速度均增加,在1.8 mm到2.2 mm口径变化时,气流速度明显增加。当吸嘴增加到一定宽度值时,幅度趋势放缓,吸嘴口径对吸种性能的影响减弱。仿真分析结果表明:孔径越大,吸种性能越好。这与理论分析相符合,经样机试验验证符合实际工作情况[7],这说明采用CFD数值模拟吸嘴气流流场研究吸嘴吸附性能的方法是准确、可行的。

表3 V型锥角吸嘴口径的流场特性Tab.3 Different nozzle diameter of the flow field

图5 不同孔径吸嘴各部位流速Fig.5 The flow rate in different parts of different diameter nozzles

3 结论

1)在3种吸嘴结构中,以V型结构的工作效果最好,U型结构的效果次之,A型结构的效果最差。针对棉种的几何特征,通过嘴端开设锥角可进一步提高吸嘴取种的精度。

2)吸孔导程对播种机吸种性能无明显的影响,只起到了对气流的调整和稳定的作用。

3)吸嘴的孔径越大,吸种能力越强,吸种效果越好。但超过一定范围时,吸力随嘴径增加而增强的趋势放缓。

4)基于CFD软件的吸嘴流场数值模拟分析是一种快捷、直观的设计方法,与传统测点试验研究方法相比,能够大幅度提高试验研究效率和精度。

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Numerical Simulation for Air Flow in Nozzle of Air-suction Seeder

DONG Chunwang1,HU Bin2,MAO Shuchun1,LI Yabing1,HAN Yingchun1,FENG Lu1,ZHU Qiaoling1
(1 Institute of Cotton,the Chinese Academy of Agricultural Sciences,Anyang 455000,China;2 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S223.25

A

1007-7383(2010)05-0636-04

2010-05-17

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(szjjb1001),农业部行业科研专项(nyhyzx07-005:3-5-1)。

董春旺(1980-),男,助研,从事农业机械设计与性能试验研究;e-mail:dongchunwang@163.com。

毛树春(1956-),男,研究员,博士生导师,从事棉花高效栽培技术研究;e-mail:maosc@cricaas.com.cn。