免耕播种机的抛送装置数值模拟与试验研究

2016-02-15林德志吴努陆永光于昭洋徐宏博胡志超

江苏农业科学 2016年8期

林德志吴努陆永光于昭洋徐宏博胡志超

摘要：为了了解全秸秆覆盖地免耕播种机叶片式抛送装置气流流场的分布情况以及抛料管道气流速度的影响因素，采用FLUENT对抛送装置进行数值模拟并对其进行了试验研究。结果表明，气流速度沿叶轮径向方向由内向外逐渐升高；圆形壳体出料口外侧的气流速度较内侧处的高；模拟所得结果和试验值的分布趋势基本一致，验证了数值模拟的可靠性；抛送叶轮的转速越高、叶片直径越大，各测点的气流速度就越大，越有利于秸秆物料的抛送；当叶片数为4、叶片倾角为后倾10°时，更有利于秸秆物料的抛送。

关键词：全秸秆覆盖地免耕播种机；抛送装置；数值模拟；试验研究

中图分类号： S223.2文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0410-04

近些年来，我国面临着较为严重的空气污染问题，每到秋末冬初季节，全国多个省市都会被持续的雾霾天气笼罩着，这对人们的生产生活以及身体健康造成了极大的影响。农田废弃秸秆的焚烧是造成这种问题的主要原因之一。由于前茬农作物收获后，会有大量的碎秸、残茬留在地表，对现行的免耕播种机而言，大量的碎秸、残茬会引发机具入土部件挂草壅堵，进而导致架种、晾种等，这不仅影响作业质量而且影响作业顺畅性[1]，所以就地焚烧秸秆成了农民“最省事”的选择。国家和农民都迫切需要能够满足工况的机具。农业部南京农业机械化研究所正在试验研制的全秸秆覆盖地免耕播种机，能够很好地解决现有的问题。该机具主要作业工艺：秸秆经过秸秆粉碎装置粉碎后，在粉碎装置高速旋转产生的气流带动下进入横向输送搅龙，然后被推送至叶片式抛送装置，越过种箱、肥箱，均匀地抛撒于播后区域[2]。抛送装置是该机的一个重要环节，其高速旋转的抛送叶輪产生的气流是影响碎秸能否顺利抛撒以及功率消耗的重要因素。因此，本研究对抛送装置进行数值模拟以及试验研究，了解其基本特性。

1理论计算方法

1.1数学模型

由于叶片式抛送装置工作時，气体在抛送叶轮内部的流动是非定常流，因此，采用MRF（多参考系模型）作为定常流动近似模拟此旋转流场[3]。当采用标准的k-ε模型求解时，控制方程包括连续性方程（质量守恒方程）、动量守恒方程以及k方程和ε方程，方程如

采用有限体积法离散控制方程，对该抛送装置的流场进行稳态隐式、非耦合求解。考虑到壁面附近区域受到分子黏性的影响，运用标准壁面函数法模拟近壁区域的流动、动量、耗散率和湍动能的离散格式均设置为精度较高的二阶迎风格式，对压力—速度耦合运用SIMPLE算法求解[7～9]。

2抛送装置气流流场的试验研究

为了了解叶片式抛送装置抛料管道处气流速度的大小与抛送叶轮转速、叶轮外径、叶片数目以及叶片倾角之间的关系，同时也为了验证数值模拟结果的可靠性，对抛送装置的气流流场进行试验研究。

2.1试验设备与仪器

试验是在自制的试验台上进行（图2）。测量时没有物料的喂入。气流速度测试采用的仪器为JX-2000皮托管风速仪（上海金枭电子）。

2.2试验方案的选择

抛送叶轮的转速以及叶片的结构形式是影响抛送装置气

2.3试验方法

选取抛料管道处的A截面为测试位置，如图1-a所示。共选择12个点作为测量点，如图1-b所示，在A截面中D上取4个点，E线上取4个点，F线上取4个点。测量风速时，需在A截面侧面打孔进行测量。每个测点重复测试3次，取3次测试结果的平均值为最终结果。

3计算结果与分析

3.1模拟结果与分析

由于FLUENT中的可视化信息基本是以平面为基础，所以，当数值模拟计算区域后，为了显示以及输出计算结果，需生成各种类型的平面。图3-a、图3-b、图3-c分别为Z=-0.07、0、0.07 m的速度矢量图。由图3可知，气流速度沿叶轮径向方向由内向外逐渐升高，这主要是由高速旋转的抛送叶轮使气体分子在离心力的作用下获得动能所造成的。另外，圆形壳体出料口处外侧的气流速度较内侧处的高，这主要是因为高速旋转的叶片末端靠近外侧。

从图3-c即Z=0.07 m平面处的速度矢量图中可以观察到较为明显的涡流，这是由于其靠近进料口处以及叶片数有限。进口处的气流沿着轴向方向进入叶轮后，在抛送叶轮的作用下改变90°方向沿着叶轮径向方向流动。从 Z=-0.07 m 和Z=0 m平面的速度矢量图也可以看出少量的涡流，造成这种现象的主要原因是叶片数目有限。所以，可以通过增加叶片数量来减少叶轮区的涡流，进而减少能量损失，得到更有利的秸秆物料抛送的气流流场。

[FK（W41][TPHZD3.tif][FK）]

3.2模拟结果与试验值的比较分析

当转速为1 600、2 000 r/min时，抛送装置中A截面上D、E、F线的速度分布散点图如图4所示，且与试验值进行了比较。从图可以看出，模拟计算所得的气流速度的分布趋势与试验值基本一致，只是远离叶轮轴心抛料管道的模拟值较实测值大，造成这种现象的原因是在进行数值模拟时简化了模型，忽略了紧固件、零件连接处微小缝隙的空气泄漏。而靠近叶轮轴心抛送管道处的模拟值要比实测值小，这是因为高速旋转叶轮轴心处的吸力较大，致使圆形壳体两侧板向内发生弯曲变形，间隙增大，导致实际从转轴中心进入的气流流量增大，所以实测值较模拟值大。另外，D、E和F 3条线，F线的实测值与模拟值之间的差距较大，E线次之，这是因为F线靠近进料口，在抛送叶轮高速旋转时，进料口处的弯曲变形较大，进入的气流流量较多，所以F线上实测值与模拟值差距较大。并且，抛送叶轮的转速越高，侧板发生的弯曲越大，进入的气流流量也就越大，这也是导致转速为2 000 r/min时实测值与模拟值差距比转速为1 600 r/min时大的原因。总的来说，除了F线上的气流速度实测值与模拟值差距较大外，其余测点实测值与模拟值的相对误差均在10%以内，可见数值模拟的结果是合理可信的。

4试验结果与分析

4.1不同转速、叶片直径试验结果分析

在其他参数不变的情况下，只改变叶轮的转速，分别对抛送叶轮转速为1 600、180、2 000、2 200 r/min进行了试验研究，试验结果见图5。同样，在不改变其他尺寸的前提下，又分别做了叶片直径为600、530、450 mm的试验，试验结果见图6。

由图5可见，抛送叶轮的转速越高，A截面E线上测点的气流速度越大，这是由于转速越高，气体分子受到的离心力越大，获得的動能越大，相应的气流速度也就越大，也就越有利于秸秆物料的抛送。从图6可知，当叶片直径为450、530 mm时，气流速度分布较均匀，但其平均气流速度较叶片直径为600 mm的低，不利于秸秆的抛送。

4.2不同叶片数、叶片倾角试验结果分析

在不改变其余任何参数的前提下，分别做了叶片数为3、4、5的抛送装置的试验研究，试验结果如图7。另外，在只考虑改变叶片倾角的情况下，分别又做了倾角为-15°、-10°、-5°、0、5°、10°、15°的试验研究，试验结果见图8、图9和图10。

由图7可知，5叶片的气流速度较高，4叶片次之，3叶片较小，这是因为气流的进口流量会随着叶片数的增加而增大，且在截面积不变的情况下，气流速度也会随着增大。但当叶片数增加到一定数量时，气流的进口流量反而降低[10]。当叶片数为4时，其气流速度相比于5叶片与3叶片分布得更为均匀一些，因此更有利于秸秆物料的抛送。

从图8、图9和图10中可以看出，前倾叶片中前倾5°比其他2种倾角的平均气流速度略高一些，且分布相對更为均匀，所以较有利于秸秆的抛送；后倾叶片中后倾10°较其余2种倾角的平均气流速度略高一些，并且分布较为均匀，更有利于秸秆物料的抛送；前倾5°、径向以及后倾10° 3种叶片相比较，后倾角为10°时各测点的平均气流速度较其他2种倾角稍高一些，更有利于秸秆的抛送。

5结论

气流速度沿叶轮径向方向由内向外逐渐升高；圆形壳体出料口处远离抛送叶轮中心的气流速度较靠近抛送叶轮中心处的高；可以通过增加叶片数量来减少叶轮区的涡流，进而减

少能量损失，得到更有利的秸秆物料抛送的气流流场。

模拟计算所得的气流速度的分布趋势与试验值基本一致，验证了数值模拟的合理可靠性。

抛送叶轮的转速越高、叶片直径越大，各测点的气流速度就越大，越有利于秸秆物料的抛送；当叶片数为4时，各测点的速度分布更为均匀，更有利于秸秆的抛送；另外，叶片倾角为后倾10°时更有利于抛送秸秆物料。

参考文献：

[1]胡志超. 我国免耕播种技术研发取得突破性进展——南京农机化所破解全秸秆覆盖旱地机械化夏直播技术难题[J]. 农机科技推广，2013（7）：10.

[2]陈有庆，吴峰，顾峰玮，等. 麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机试验研究[J]. 中国农机化学报，2014，35（2）：132-135.

[3]王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[4]翟之平，王春光. 叶片式抛送装置气流流场数值模拟与优化[J]. 农业机械学报，2008，39（6）：84-87.

[5]李建锋，吕俊复. 风机流场的数值模拟[J]. 流体机械，2006，34（4）：10-13.

[6]丁雄飞，朱金光，赵玉垒，等. 清选装置中离心风机的CFD分析与试验验证[J]. 农业机械，2013（25）：158-161.