气吸式三七播种器吸孔流场仿真研究

杨 航，莫 蝶，殷春梅，黄国贤

(云南工程职业学院，云南昆明 650304)

云南省是全国最主要的三七生产基地,截至2016年，云南省三七种植面积高达2.67万hm2，产量突破2 500万kg，约占全球三七产量的97%[1]。国外的小麦和蔬菜等精密种植仪器都已经成熟[2]，但是目前没有出现成熟的三七种子精密播种器。精密播种器按照其类型分为机械式和气力式2种。气力式精密播种器又分为气吸式、气吹式、气压式播种器，而气吸式播种器具有通用性强、使用可靠、结构简单等特点。史嵩等[3]通过研究气压式精量播种器的气压与导槽之间的参数关系以减小对种子的重播、漏播的指数。刘月琴等[4]利用离散元的方法对种子的离散度、作用力和速度进行分析，得到转速和振动频率使吸种性能提高的参数范围。杨丽等[5]针对气吸式播种器漏播率较高和地头漏的问题，分析了工作区域和托盘的主要结构，得到最佳的速度和真空范围，以降低漏播率等问题。高筱钧等[6]从三七播种器的工作原理出发研究了机器的前进速度和吸孔角度对播种器性能的影响，得到播种器的前进速度和播种角度的最佳范围。任永飞等[7]根据气吸式播种器原理，分析真空室内的速度与负压的影响因素，并进行排种器吸孔与轴心的夹角在30°～45°播种器的播种效果最好。

笔者主要研究气吸式播种器的吸孔流场的流动特性。滚筒是吸气式三七种子播种器的主要部件之一，其内部为全真空室。吸孔附在外滚筒表面并且与滚筒内部的真空压室相连接。在播种器工作过程中，滚筒内部的空气通过空心轴被排到外部进而形成负压腔，从而使滚筒上的吸孔两端形成一定的压强差；种子依靠压强差依附在滚筒口的吸孔上，并随着滚筒转动；当滚筒转动到隔气板形成正压腔，种子在重力的作用下脱落到种植装置内。由于目前的气吸式三七种子播种器的播种精准度和播种效率还不太理想，因此需要对其进一步研究。笔者设计3种滚筒上的吸孔，利用CFD理论和数值模拟方法对3种不同类型的吸孔进行数值模拟，为三七种子播种器吸孔在设计和优化上提供参考。

1 材料与方法

1.1种子在种植过程中的受力分析假设在整个种植过程中各个气孔之间不相互影响并且气孔周围的气流是稳定的，将种子看作刚性球研究吸孔对一颗种子的作用力情况。根据流体力学理论，种子在流场中受到流体的阻力，阻力对种子产生吸附作用。设气体的密度为ρ，阻力位Fd，对种子所产生的吸附力如下：

式中，Cd为种子的阻尼系数，大小和种子的形态有关，由于三七种子形状接近球状，所以其约为0.4；A为种子的面积；v0为气体在吸孔处的流速；d为种子的直径。

1.2吸孔模型的建立吸孔作为精准吸取种子的关键，其精度是播种效率的关键所在。为了确定吸孔直径的范围，在设计过程中需要对三七种子的尺寸范围进行分析。根据实际过程中的测量确定三七种子的平均直径为5 mm左右。根据三七种子的物理特性，并结合实际的播种情况，确定3种吸孔类型分别为直孔、T型孔和锥形孔(图1)。

图1 3种不同的吸孔结构Fig.1 Three kinds of different suction structures

1.3气吸式吸孔的数值模拟

式中，ρ为流体的密度；μ为动力黏度；k为湍流动能；μt为湍流黏度；u为气体流速；P为静压；ε为湍流耗散率；Gk为平均速度梯度湍流动能项；Gb为浮力湍流动能项；YM为可压缩湍流脉动扩张；G1ε、G2ε、G3ε分别为经验系数；σk、σε为湍流动能和湍流耗散率相对用的普朗特常数；Sk、Sε为源项。

1.3.2利用Gambit流场的前处理。Gambit软件是一款针对与CFD高质量的前处理器，具有强大的几何建模和网格划分的能力。由于其具有强大的布尔运算，使之可以建立各种复杂的几何模型；又可以智能化地生成非结构化网格，当需要对某几何区域进行网格加密时，直接选中需要加密的区域设定加密的精度范围，Gambit智能运算出适合需要的网格质量。

该研究直接在Gambit中建立3种吸孔模型，对需要计算的几何区域进行离散化处理，生成四边形网格，然后对模型进行命名并输出mesh文件。

1.3.3Fluent条件的设置。将mesh文件导入到fluent中，并设置为二维单精度求解器；检查网格质量是否存在负体积的情况。根据流体力学方程选择求解方式为基于压力基、定常流，选择k-双方程模型运用有限体积法对微分方程进行离散化处理；在操作条件为标准大气压下，设置流体介质为空气并将其作为不可压缩流体，并且忽略重力的影响；在近壁面处采用标准壁面函数处理并设置为无滑移边界条件。入口条件为速度入口，空气流动速度为20 m/s，湍流强度和水力直径分别为8%和1 mm。出口条件为压力出口，设定压力为0。采用SIMPLE二阶算法[10-13],将残差收敛结果设置为106，并实时监控残差变化曲线，最后求解计算步为1 000，计算并求解。

2 数值模拟结果与分析

2.1不同吸孔形状的数值模拟比较3种不同的孔型压力图(图2)，可以得到3种不同的孔型压力分布有着很大的差异。模型1直孔的压力最大处分布在边缘处且面积较小，其中压力最大为2 140 Pa左右；模型3 T型孔的压力最大处靠近边缘处，而在中心孔处较小，最大压力达到2 000 Pa左右；而锥形孔压力分布明显趋于中心线处且最大压力达到10 000 Pa。

比较3种孔型的速度云图:由流体力学理论可知当流量一定时，流道横截面面积越大其流速越小。通过流体仿真分析可以看到直线型的管道速度变化不大，平均速度在19.5～25.0 m/s，近壁面处的速度随着距离的减小而逐渐减小；锥形孔由收缩管道和直管两部分组成，在锥形孔形状突变处速度达到137.0 m/s，但是在锥形管的入口中心处的速度在80.0～90.0 m/s，在入口的收缩管边缘处的速度锐减到40.0～50.0 m/s。T型入口中心的速度在38.0～42.0 m/s，其速度分布方式呈椭圆形在入口边缘的速度为0～5.0 m/s。相比较3种的流速得到锥形孔的速度较大，速度降也比较大，对种子的吸附力较大，所以锥形孔的吸附性能好。

2.2吸孔直径对吸附性能的影响选取锥形孔为研究对象并且设计1.0、1.5、2.0 mm 3种不同锥形孔的直径，在使用相同的边界条件下，分别对3种不同孔径的数值模拟(图3)。

注：a.模型1压力云图;b.模型2压力云图;c.模型3压力云图;d.模型1速度云图;e.模型2速度云图;f.模型3速度云图Note:a.Model 1 pressure nephogram;b.Model 2 pressure nephogram;c.Model 3 pressure nephogram;d.Model 1 velocity nephogram;e.Model 2 velocity nephogram;f.Model 3 velocity nephogram图2 3种不同吸孔形状的数值模拟Fig.2 Numerical simulation of three different kind of suction holes

图3 3种不同吸孔直径的数值模拟Fig.3 Numerical simulation of three different kind of suction hole diameters

通过对3种不同吸孔直径的数值仿真分析可以得到随着吸孔直径的增大，吸孔入口处的速度和压力在不断减小，通过速度分析可以得到当吸孔直径不断增大时，在进口的两侧喉管处接近壁面出现高速区域，并且此区域随着吸孔的增大而增大。通过吸孔的压力分布图可以得到随着吸孔直径的不断增大，吸孔处的压力在不断减小，吸孔直径喉管部位处的压力不断上升，导致吸孔处的压差减小，从而导致吸孔对种子的吸引力减小，这种现象不利于吸孔对种子的吸附作用。

2.3不同负压下滚筒内部流场分析滚筒的二维结构是对称的，为了方便计算取滚筒的一半作为流场的计算域，作为流场的边界条件设定吸空气为进气孔，空心轴的孔为出口，并将进(出)气孔设定为压力式。其结果是稳健收敛的，选取进出气孔之间的压力差分别为3、4、5 kPa，分别对其进行流场仿真分析。仿真分析结果如图4所示。

注：a、b、c分别为压差3、4、5 kPa的流场分布Note:a,b and c are flow fields of pressure difference of 3,4 and 5 kPa respectively图4 滚筒内不同压差的流场分布Fig.4 Distribution of flow field in different pressure differential in drum

根据图4可以看出，滚筒内部流场分布情况为在滚筒两侧流速较小，吸气孔处的气流速度最大，在相邻的吸孔中间出现涡流的分布情况，并且随着压力的增大，涡流的区域和强度都在不断增加。吸孔之间的流场分布相对均匀，不会产生吸孔之间互相干涉的现象。由流体力学基本原理可以得到吸孔的吸附力与气流的速度呈二次关系。当压力差增长时，流场内的速度也不断增长，最大速度从73.0 m/s增长到97.0 m/s。当压差在5 kPa时，每个吸孔的速度均能达到90.0 m/s，符合在播种过程中吸孔对吸附力的要求。

3 实验研究

3.1实验方法实验过程中材料：经过筛选无杂质的三七种子；实验设备为JSP-12多功能排种器性能检车试验台；实验地点为云南农业大学实验室。

根据播种器的理论分析和在实际中的运用情况，将排种器播种的合格指数、漏播指数和播种过程中的重播指数作为三七种子播种器的性能指标。根据在实际运用过程中的经验分析，将滚筒的转速、吸孔的直径、滚筒压差分别进行实验研究。根据三七种子播种器在实际过程中的运行情况选择假设3组不同的对象进行分析，如表1。

表1 三七种子播种器不同条件

3.2实验结果通过3种不同的参数对三七种子播种器的影响可以得到(表2)，3种主要因素对三七种子播种器的合格指数影响的主次顺序为滚筒压力差、滚筒的转速、吸孔的直径，所以在组合中该组的最优组合为A1B3C3；影响漏播指数的因素排列顺序为滚筒的转速、滚筒的压力差、吸孔的直径,在其组合之中该组的最优组合为A1B2C3；影响重播指数的因素为滚筒的转速、吸孔的直径、滚筒压力差。通过以上组合可以推论出，所有组合之中最优化的组合为A1B2C3。

表2 不同动态组合下的实验结果

4 结论

(1)首先对种子的受力情况进行分析，确定吸孔为播种器在播种过程中有效播种的关键因素，并设计3种不同形状的吸孔，分别对影响三七精密种子播种器吸孔的形状、吸孔的直径和吸孔在不同压差下做流场的数值模拟。结果表明，锥形孔对种子的吸附作用最好；不同直径的吸孔对种子的吸附作用也不一样，随着吸孔直径的增加，吸附种子的吸附能力逐渐减小；在不同压差的情况下，吸孔之间的气流间的相互干涉很小，吸孔的速度也随着压力差的增大而增大。

(2)对播种器在不同条件下进行动态组合分析，并确定影响播种器播种合格指数、漏播指数以及重播指数的影响因素。在所选择的条件中播种器的最优组合为滚筒转速在10 r/min、吸孔直径在1.5 mm、滚筒的压差在5 kPa,此条件下播种器的播种性能各项指标均达到最优状态。