基于DEM-CFD耦合的气吸式大豆排种器种盘参数优化

尚增强　张开飞　杨东福　马质璞

摘要：針对气吸式排种器在高速气流场下种子的运动规律及受力特性复杂、难以准确分析计算的问题，通过离散元（DEM）与计算流体力学（CFD）耦合的方法，对气吸式大豆排种器的工作过程进行气固两相仿真并对其种盘参数进行优化。分析充种过程中种子所受曳力的变化规律，对充种各阶段临界点进行划分，定义各阶段充种性能评价指标。以吸附持续时间和种子移出阻力作为充种性能评价指标，以托种台高度、托种台角度、搅种杆厚度为试验因素，进行三因素二次旋转正交组合试验，并对试验结果进行响应曲面分析和多目标寻优，确定最佳的排种盘参数组合：托种台高度为2.8mm、托种台角度为31.2°、搅种杆厚度为1.4mm。此时，排种器充种性能指标为：吸附持续时间0.104s，种子移出阻力0.0081N。对优化结果进行台架试验验证，与优化前的排种盘在不同作业速度下进行对比。台架试验结果表明：优化后的排种盘的排种性能有显著提升，其合格指数和漏播指数均优于原排种器，满足大豆精量播种要求。

关键词：大豆；气吸式排种器；离散元；计算流体力学；气固耦合仿真

中图分类号：S223 文献标识码：A 文章编号：20955553 （2023） 11000108

Simulation optimization of seed plate of air suction soybean seed-metering device

based on DEM-CFD coupling

Shang Zengqiang Zhang Kaifei Yang Dongfu Ma Zhipu

（1. Nanyang Vocational College of Agriculture， Nanyang， 473000， China；

2. College of Mechanical & Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：Aiming at the problem that the movement law and force characteristics of the air suction seed metering device under the high-speed air flow field are very complex and difficult to accurately analyze and calculate， this paper carries out gas-solid two-phase simulation of the working process of the air suction soybean seed metering device and optimizes the parameters of its seed tray through the coupling method of discrete element （DEM） and computational fluid dynamics （CFD）. The change law of the traction force on the seeds in the process of seed filling was analyzed， and the critical points of each stage of seed filling were divided， and the evaluation indexes of seed filling performance at each stage were defined. Taking the adsorption duration and seed removal resistance as the evaluation indexes of seed filling performance， and taking the height of the seed supporting table， the angle of the seed supporting table and the thickness of the stirring rod as the experimental factors， a three factor quadratic rotation orthogonal combination test was carried out. The response surface analysis and multi-objective optimization were carried out on the test results， and the best parameter combination of the seed metering plate was determined： the height of the seed supporting table was 2.8 mm， the angle of the seed supporting table was 31.2°， and the thickness of the stirring rod was 1.4 mm. At this time， the performance indicators of seed metering device were as follows： adsorption duration 0.104 s， seed removal resistance 0.008 1 N. The optimized results were verified by bench test， and compared with the optimized seed metering tray under different operating speeds. The bench test results showed that the seed metering performance of the optimized seed metering tray was significantly improved， and its qualification index and missed seeding index were better than the original seed metering device， which met the requirements of soybean precision sowing.

Keywords：soybean; air suction seed-metering device; discrete element; CFD; gas-solid coupling simulation

0引言

排种器作为精密播种的核心部件，其工作性能直接影响播种质量［12］。精量排种器按工作原理可以分为机械式排种器和气力式排种器两大类［34］。两者的核心区别是分别采用机械结构和气流作用完成对种子的取种、运移和投递。气吸式排种器是气力式排种器中应用较广的类型之一，由于该型排种器采用气流充种，因此对种子尺寸适应性较高，且具有不伤种的优点，是发展高速精量播种技术所采用的主流排种器。但是气吸式排种器在高速作业过程中，由于排种盘高速旋转，种子的充种时间较短，漏播现象普遍的问题难以有效解决。

近年来，随着计算机技术的发展，为了详细描述颗粒相和气流相之间的相互作用，结合计算流体力学和离散元法（DEM-CFD）的耦合计算方法已应用于谷物清选［5］，流化床颗粒运动［68］，气力颗粒运动［911］等领域。针对气力式排种器，张开兴等［12］采用Fluent分析了不同吸孔对气室流场的影响，得出了最佳的排种盘吸孔结构；廖宜涛等［13］通过计算流体力学建立了负压气室的流体域模型，分析得出了影响吸种效果的主要因素；Yazgi等［14］通过建立气吸式排种器各物理量间的数学模型，并通过高速摄像和响应面分析法，确定了种盘转速、吸孔直径和真空压力之间的对应关系；nal等［15］通过排种机理的分析，计算得出了种盘的最佳吸孔数。在这些研究中均采用单一的离散元方法或理论计算的方式优化气力式排种器的结构参数，存在一定局限性。

本文采用DEM-CFD耦合的方法分析气吸式大豆排种器的工作过程，研究充种过程中各阶段影响充种性能的主要因素，分析种子作业过程中的运动规律和受力特性，开展三因素二次旋转正交组合试验，优化排种盘主要结构参数，并进行台架试验验证。

1充种原理与结构设计

1.1整体结构与工作原理

气吸式大豆排种器的整体结构如图1所示，主要由气室、卸种机构、毛毡挡板、密封气垫、排种盘、清种机构等部件组成。其中排种盘是核心工作部件，由吸孔、托种台、搅种杆和种盘本体组成，托种台和搅种杆均匀分布于吸孔周边。当排种器工作时，种子通过进种口在重力作用下落入种腔室，排种盘在动力轴的作用下作周向旋转运动，气流在排种盘吸孔两侧形成压差，将种子吸附在吸孔上随排种盘转动，排种盘上的搅种杆将种腔室内的种群离散化，而托种台起到辅助充种的作用，直至吸附在吸孔上的种子脱离种群完成充种过程；多余的种子随后将在清种刀的作用下回落至种腔室；最终仅存单粒种子到达气室末端，此时气流被阻断，负压消失，种子将在重力、离心力和卸种机构的外力作用下落入预先开好的种沟中，完成精量播种作业。

1.2排种盘关键结构设计

排种盘作为排种器中主要与种子接触的部分，是影响种子充种性能的关键部件，合理设计排种盘结构可有效提升排种器的作业质量［1617］。

1.2.1托种台高度设计

托种台是排种盘上的关键结构，能够使处于种腔室内充种区的种子具有一定的初速度，起到辅助托持种子的作用。具有托种台设计的排种盘，种子在吸孔处的受力分析如图2所示。

为了计算托种台的合理高度，选取设计排种盘最高速度为16km/h。如图2所示，当种子靠近吸孔时，种子将在气流曳力的作用下朝吸孔运动，并最终被吸孔捕获。种子如果没有被吸附发生掉落，将从上一托种台边缘掉落至下一吸孔区域，此时满足式（1）～式（3）。

托种台高度增加，吸附种子所需的气室负压减小，托种台可发挥辅助托种的作用。但托种台的高度过大，则对种子的托持作用越大，将使吸孔稳定吸附双粒或多粒种子，导致重播现象严重。本文试验采用的大豆种子等效直径均值为6.7mm，选取托种台高度为2～5mm，具体参数还需进一步试验分析。

1.2.2托种台角度设计

2排种盘辅助充种性能仿真分析

2.1DEM-CFD方法的数学建模

2.2种子颗粒与排种器几何体建模

在气固耦合仿真中，气流场和颗粒场分别基于ANSYS Fluent 2021和EDEM 2021软件。在EDEM中对排种器整体结构进行简化，去除无关仿真精度的相应部件。本文以应用较为广泛的合农91种子为试验对象，其三轴尺寸均值为6.2mm×6.5mm×7.8mm。根据EDEM官方材料库和预先试验，仿真采用的材料力学特性如表1所示。

在排种器的气流场建模中，在排种盘吸孔处需要划分细致的网格尺寸，为了确保耦合仿真精度，大豆种子颗粒模型需通过粘结颗粒方法进行建立，该方法可以在耦合模拟中准确计算颗粒的体积分数和动量源项。此外，组成大豆种子粘结颗粒的子球数量越多，则颗粒模型与实际大豆种子形状越接近，但耦合计算成本急剧增加，因此综合考虑耦合精度和计算成本后，选择基于102球组成的大豆种子粘结颗粒模型，如图4所示，子球与子球之间通过内聚键粘结。

种子—种子、种子—排种盘的接触模型采用Hertz-Mindlin接触模型。在排种器工作过程中，排种盘作周向旋转运动，因此采用滑移网格法，将托种台与吸孔的体网格区域属性设定为动态网格，其余结构设定为静态网格。分别将吸孔与种腔室和气室的接触面定义为交界面，以实现排种盘旋转过程中种腔室与气室之间的数据交换，并设定EDEM中排种盘的旋转速度与Fluent中吸孔旋转速度一致。

设置共生成400粒大豆种子粘结颗粒模型，由于EDEM的时间步长远小于CFD，因此选择EDEM和CFD时间步长分别为2×10-5s和1×10-4s以获得良好的计算收敛性，总模拟时间为2.0s，每0.002s在EDEM和Fluent中記录数据，以提取种子颗粒的运动信息和受力特性，耦合仿真过程如图5所示。

2.3充种过程仿真分析

在充种区采用Fluent导出种子与气流迹线的关系示意图，如图6所示。在EDEM中导出种子颗粒速度与位置示意图，如图7所示。由于EDEM与Fluent耦合仿真是双向的，颗粒在流体中运动，颗粒会受到气流的曳力，使种子颗粒能够在种腔室内按既定路线运动，与此同时，气流会受到颗粒的阻力（颗粒阻碍气流流动），曳力与阻力大小相等，方向相反。图6和图7表明，流场中种子颗粒与气流迹线的关系与排种器种子运动机理一致，验证了基于DEM-CFD耦合仿真的准确性。

3仿真优化与台架试验

3.1仿真试验方案

3.2仿真试验结果与分析

3.3排种盘结构参数优化

根据Matlab的寻优算法优化求解，可得排种盘的最佳参数组合托种台高度为2.8mm、托种台角度为31.2°、搅种杆厚度为1.4mm，此時吸附持续时间为0.104s，种子移出阻力为0.0081N。

3.4验证试验

为了验证气固耦合仿真优化排种盘结构参数的准确性，对优化后的气吸式大豆排种器的排种性能进行台架对比试验，优化前排种盘的结构参数对应表2中的零水平。试验在河南农业大学STB-700排种性检测试验台上进行，排种盘转速选择20r/min，30r/min，40r/min和50r/min进行单因素重复试验，气室风压固定为-4kPa，误差为±0.1kPa，每组试验重复3次，结果如图10所示。优化前后排种器的合格指数均随排种盘转速的增加呈现先上升后下降的趋势；重播指数均随排种盘转速的增加呈现下降趋势；漏播指数均随排种盘转速的增加呈现上升趋势。

在较低排种盘转速下（20r/min），优化前的排种器表现出较佳的排种性能，其合格指数为90.27%，但在较高排种盘转速下（≥20r/min），气固耦合仿真优化后的排种器在合格指数上均优于原排种器，在排种盘转速为40r/min时，其合格指数最大为92.87%，且优化后的排种器在各排种盘转速下，漏播指数较低，显著改善了高速作业下气吸式排种器漏播现象普遍的问题，因此采用DEM-CFD气固耦合方法优化排种器关键结构参数能够有效提高排种器的排种性能。

4结论

1） 建立了气吸式排种器充种过程的数学模型，分析了吸附阶段和跟随阶段影响排种器充种性能的主要因素，确定了排种盘结构优化的目标参数为托种台高度、托盘台角度和搅种杆厚度。

2） 通过DEM-CFD方法对排种器工作过程进行耦合仿真，分析了气流曳力对种子颗粒的作用过程，定义了气吸式排种器的充种性能评价指标为吸附持续时间和种子移出阻力，通过正交仿真试验和多目标寻优分析，确定了排种盘的最佳参数组合托种台高度为2.8mm、托种台角度为31.2°、搅种杆厚度为1.4mm，此时吸附持续时间为0.104s，种子移出阻力为0.081N。

3） 台架对比试验结果显示，优化后的排种器在各排种盘转速下，漏播指数较低，显著改善了高速作业下气吸式排种器漏播现象普遍的问题，此外在较高排种盘转速下（≥20r/min），优化后的排种器在合格指数上均优于原排种器，在排种盘转速为40r/min时，其合格指数最大为92.87%，表现出优越的作业性能。

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