基于CFD的2BM-4型气吸式排种器气流场分析

张芙娴，郭占斌

基于CFD的2BM-4型气吸式排种器气流场分析

张芙娴1，郭占斌1

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

课题主要为提高气吸式排种器吸种管的吸种效率，并分析影响吸种管在吸种作业中气流场变化的主要因素，以众荣公司2BM-4型气吸式播种机为例，对影响排种器吸种管的气流场进行分析探究，并借助fluent软件建立仿真模型，模拟吸种管的气流场的变化并进行分析，对其进行仿真模拟，同时进行数值分析计算，探究气流场内部走向对排种质量的影响，并对研究结果进行探究，找出最优组合，降低漏播率与重播率，从而给吸种管的结构设计并且提供合理化建议，为相关参数设定提供依据。仿真结果表明：锥形孔的吸种性能最佳，优于其他孔型；吸孔导程对吸种效果的影响并不明显；孔径越大，吸种能力越强。

吸种管；仿真；CFD气流场

我国是一个以农业发展为主要经济的国家，随着国家经济与人民生活的水平逐渐提高，旧的农业生产方式方法已经跟不上快速增长的社会经济发展。国内的精密播种机发展速度很快，但国内播种机的播种精密程度以及播种速度一直是影响气吸式播种机效率的主要因素。排种器是制约精密播种机播种性能主要因素[1]。气吸式播种机与老式的机械式播种机相比较而言，前者的播种精度大，效率高，并且带来的经济效益比较大[2]，因此，为了提高精密播种的质量和效率，需要优化气吸式播种机各个部件的性能。目前国内的农作物播种，例如玉米、大豆，大多数选老式的机械式播种机，机械式播种机存在很多不足，播种作业过程中容易伤种，且容易出现重播、漏播的现象，所以如何设计排种器提高播种工作效率，优化其工作性能在我国具有非常广阔的发展前景[3]。

1 吸孔气流场仿真

1.1 吸孔的初始化条件

CFD分析软件fluent采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，可以达到最佳的收敛速度和求解精度。运用fluent软件对2BM-4气吸式播种机工作原理进行模拟仿真，并进行试验研究，同时探究排种器导种管的内部结构，并进行优化，同时对吸种管的工作过程进行理论分析，对于吸种管的不同吸孔形状、吸孔直径、吸孔导程，对气流场变化情况进行分析，找出气流场变化规律，并作出以下假设：排种器导种管吸孔气流速度均匀，所有壁上施加无滑移条件。

Fluent软件模拟试验时参数设置：流体设置为空气，参考温度20℃，流体密度1.225 kg·m-3，流体粘度 1.8×10-5pa·s，吸孔入口压力：-2 000 pa，吸孔出口压力0 pa，试验条件为绝热[4]。

1.2 流体类型

流体类型通过雷诺数来判定，其公式如下：

式中 ρ-气体密度（kg·m-3），μ-动力粘度（Pa·s），v-平均流速（m·s-1）D-孔直径（m）。

由公式（1-1）可计算 最小的雷诺数Re=36 607，可以判断进出口的空气流为湍流。

1.3 仿真结果

1.3.1 不同的吸孔形状对吸种性能的影响

在fluent仿真试验，以三种不同的孔型，直孔、锥形孔和沉孔作为试验对象，吸种孔直径均为3.4 mm，吸孔结构形状如图所示。

图1 吸孔结构图Fig.1 suction hole structure

为了使仿真试验结果更加直观，取x=0的截面进行探究，由图2可知，锥形孔的气流平均速度为39.285 m·s-1最大速度为 67.673 m·s-1，进口的平均速度11.491 m·s-1最大速度为27.953 m·s-1，沉孔的平均速度为 15.183 m·s-1， 最大速度为 53.368 m·s-1，进口平均速度为8.682 m·s-1，最大速度为18.914 m·s-1，直孔的气流平均速度为43.967 m·s-1，最大速度为53.190 m·s-1，进口的平均速度为 45.817 m·s-1，最大速度为 50.826 m·s-1。

图2 吸种孔不同的流场变化速度图Fig.2 Flow field change velocity diagram of different suction hole

1.3.1.1 种子在气流中的作用力

种子在吸种孔中形成的压力差为F，其中P1为吸种孔出口气流的压力，P2为出口压力大气压，P1＜P2形成的压力差为F。

图3 种子在气流中的受力Fig.3 Stress of seeds in air force

由图 3 可知 ΔP=P1-P2， 当 P1＜P2， 种子下落，当P1＞P2时，种子被吸附在排种盘的种孔内，当P1=P2时，压力差为0，此时种子不被吸附也不下落，处于临界状态。

气流对种子表面作用力可根据公式计算，即：[5]

其中：F—种子在气流中的作用力（N）；C—空气阻力系数，与种子面积与雷诺数有关，为常数；V—气流相对于种子的速度（m·s-1）；S—种子的迎风面积（m2）；ρ—空气密度（kg·m-3）；其中 ρ=γ/g（γ—空气比重），当流速小于70 m·s-1时，ρ＜2%，因为在流速不高时，压力与温度不变时，可认为ρ不变。

由上述公式可知，排种器在吸取种子的过程中，排种器气流对种子表面的作用力只与气流的速度有关，由以上数据分析可得，直孔的气流平均速度和进口气流的平均速度均大于锥形孔，锥形孔大于沉孔，三种孔型相比，直孔的吸种能力优于其他孔型，但直孔的入口处的面积最小，可吸附种子直径的范围也较小，所以需要用试验验证。

1.3.2 不同吸孔导程对吸种效果的影响

模拟吸孔直径为3.4 mm导程为2 mm 4 mm 6 mm的锥形孔。试验结果如图所示。

图4 不同导程的锥形孔气流速度图Fig.4 Taper hole airflow velocity diagram of different lead

由图4仿真结果得，孔径为3.4 mm，导程为2 mm的锥形孔的气流平均速度为39.285 m·s-1，最大速度为 67.673 m·s-1，进口的平均速度 11.491 m·s-1，最大速度为27.953 m·s-1，导程为4 mm的导种管气流平均速度为 35.013 m·s-1，最大速度为 55.811 m·s-1，进口的平均速度为 10.259 m·s-1，最大速度为 24.176 m·s-1，导程为6 mm的锥形孔的气流平均速度为36.601 m·s-1，最大速度为55.845 m·s-1，进口的平均速度为10.169 m·s-1，最大速度为23.962 m·s-1。

由以上数据可知，增加吸孔的导程后，吸种孔内部的气流速度有所改变，速度减小，但是速度变化不大，所以得出结论：吸孔导程的增加只是使对吸孔内部气流有调整和稳定的作用，但对吸种性能的影响不明显。

1.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响

模拟导程为2 mm，孔径为3.4 mm 4.4 mm 5 mm的锥形孔，试验结果如图4所示。

图5 孔径不同时的气流速度图Fig.5 Airflow velocity diagram of different aperture

由图4仿真结果得出，孔径为3.4 mm，导程为2 mm的锥形孔的气流平均速度为39.285 m·s-1，最大速度为67.673 m·s-1，进口的平均速度11.491 m·s-1，最大速度为27.953 m·s-1，孔径4.4 mm导程为2 mm的锥形孔平均速度为37.753 m·s-1，最大速度为62.65 m·s-1，进口的平均速度为 18.379 m·s-1，最大速度为35.387 m·s-1，孔径为3.4 mm，导程为5 mm的锥形孔的气流平均速度为36.302 m·s-1，最大速度为60.828 m·s-1，进口的平均速度为 21.449 m·s-1，最大速度为 32.590 m·s-1。

1.3.3.1 空气经吸孔的流速和流量

当种子受到气流作用时，被吸起的空气流速公式：

其中 Vk—空气流速（m·s-1）；μ—吸孔内部空气的动力系数，ΔP—吸种管两侧气压（N·m-2），ρ—气体密度（kg·m-2）

吸孔气流的流量由下式确定：

其中 G—吸孔的气体流量（m3·s-1），A—吸孔横截面积（m2）。

由图4可知，在气压相同的条件下，孔径为3.4、4.4和5 mm的三种孔型，增加孔径时，流速增强，在相同条件下，种子表面气流速度越高，吸种孔吸附种子的能力越强，结论为孔径越大，吸种性能越好。

由以上试验数据可知，排种器吸种孔的孔径的变化对排种器内部的气流速度影响较大，在其他条件相同时，增大吸孔孔径则使种子的吸附能力增强，但是孔径大小的设计要遵循与其尺寸相符合的原则，如果孔径设计的过大会使吸附的种子种子过多，孔径设计的过小会发生卡种的现象。

2 结论

（1）三种孔型模拟试验结果：吸种孔的孔型是影响播种机吸种效果的重要因素，锥形孔的吸种性能高于直孔和沉孔。

（2）其他因素相同的条件下，增加排种器的吸种导程后，吸孔的气流速度有所减小，但是速度变化不明显，所以试验表明，增加导程只能使气流更加稳定，并且对气流有调整和稳定的作用，对吸种性能的影响很小。

（3）其他因素相同的条件下，增加吸种孔的孔径，种子的吸附能力也相应的增强。

［1］ 董永鹭，袁月明，王朝晖.气吸滚筒式排种器种盘参数对种子分布规律的影响［J］.当代生态农业，2011（1-2）：19-23.

［2］ 徐正林.关于气吸式精密播种有关问题的研究［J］.山西农业大学学报，1996，16（2）：145-148.

［3］ 尹海燕.水稻芽播气吸式排种器的试验研究［D］.长春：吉林农业大学，2004.

［4］ 陈进，李耀明，王希强，等.气吸式排种器吸孔气流场的有限元分析［J］.农业机械报，2007，38（9）：59-62.

［5］ 刘月琴.免耕播种机气吸式排种装置的气流场有限元分析［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.

Analysis of 2BM-4 Gas Suction Seed Metering Device Airflow Field Based on CFD

Zhang Fuxian1，Guo Zhanbin1
（College of Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To improve the air suction seed metering device of absorption efficiency of pipe，and analyze the main factors that influenced flow field changes of pipe absorption in suction operation，bm 2-4 gas suction seeder of the Glorious Company was used as an example to analyze the effect factors of the airflow field of seed suction pipe，with the help of fluent software to establish the simulation model，the suction pipe was simulated and the numerical calculation was done at the same time，to explore the effect of airflow internal alignment on the quality of the seed，and to study the research results to find out the optimal combination of the decrease of seeding leakage rate and replay rate，then the reasonable suggestions of the structure of suction pipe design were provided to give the basis for related parameters setting.The simulation results showed that the taper hole of absorption performance was the best，better than other groove;the effect of suction hole lead on suction pipe was not obvious;the larger the aperture，the stronger the ability.

suction pipe;simulation;CFD flow

S2

A

1002-2090（2017）05-0095-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.05.022

2016-07-16