鄒 翌， 郝向澤， 何瑞銀

(南京農業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

基于EDEM-Fluent耦合的氣流分配式排種器數 值 模 擬 與 試 驗

鄒 翌， 郝向澤， 何瑞銀

(南京農業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

【目的】解決水稻機械直播速度慢、效率低的問題?！痉椒ā坎捎脷饬鞣峙涫脚欧N器進行水稻直播，優(yōu)化設計一種由R可調節(jié)的喇叭口式內腔與α可變的分流密封蓋組成的α-R式氣流分配式排種器，利用EDEM-Fluent耦合模塊，對氣流分配排種過程進行數值模擬；并進行排種性能臺架驗證試驗?！窘Y果】仿真結果顯示，α-R組合式分配器中水稻顆粒最高運動速度為5.416m·s-1，且旋渦滯種區(qū)域面積也低于傳統結構，水稻顆粒在分配器中排出順暢；R=180 mm、α=20°時，排種均勻性變異系數為24.56%，各行一致性變異系數為3.79%，總排量穩(wěn)定性變異系數為1.23%，3項指標均為最優(yōu)。采用3D打印的分配器進行臺架試驗，結果顯示該排種器排種均勻性變異系數為29.17%～30.86%，各行一致性變異系數為4.13%～4.33%，總排量穩(wěn)定性變異系數為1.4%～1.7%，滿足水稻機械直播要求?！窘Y論】多次試驗結果穩(wěn)定，與仿真結果較為接近，說明本次設計的氣流分配式排種器滿足要求，也表明利用EDEM-Fluent耦合模擬的正確性與可行性。

氣流分配； 排種器； 水稻；EDEM-Fluent； 模擬

我國水稻種植面積約占世界的20%，總產量占世界的34%，隨著社會經濟發(fā)展，勞動力成本的提高與水資源的缺乏，水稻直播越來越受到關注[1-3]。我國現有水稻以機械直播為主，作業(yè)速度一般為4～5 km·h-1，國外氣力式播種機作業(yè)速度普遍為8～15 km·h-1。氣流分配式播種具有工作效率高、節(jié)約成本、傷種率低、通用性強等特點，符合目前水稻直播機高速、寬幅作業(yè)的發(fā)展趨勢[4-6]。李中華等[7]對氣流分配式排種器進行了優(yōu)化設計，并結合CFD模擬的方式對苜蓿種子進行仿真。常金麗等[8]設計了一種2BQ-10型氣流一階集排式排種系統對小麥種子進行了試驗分析。沈景新[9]系統地設計了一種氣流一階集排式播種機，可滿足小麥的基本播種要求。Kumar等[10]對氣流分配器進行了結構分析，提出了分配器要設計成流線型才會使氣流場分布達到最優(yōu)。德國的Accord氣流集排條播機氣流分配器雖然消除了渦流，但仍有滯留區(qū)和氣流收縮現象[11]。

EDEM-Fluent耦合仿真是目前解決氣固兩相流問題的重要途徑，該方法的基本思路：通過Fluent求解流場，使用EDEM計算顆粒系統的運動受力情況，兩者以一定的模型進行質量、動量和能量等的傳遞，實現耦合[12]。心男[13]、張強強[14]采用EDEM-Fluent耦合對氣固兩相流問題進行耦合仿真，均取得了理想的效果。但目前采用此方法對氣力式排種器進行數值模擬的相關報道較少，因此開展氣流分配排種過程數值模擬對氣力式排種器設計研究具有一定的指導意義。

1 排種器工作原理與關鍵部件設計

1.1 排種器工作原理

氣流分配式排種器如圖1所示，排種器主要由風機、種子定量器、種箱、噴射器、氣流分配器等部分組成。工作時，種箱內的種子經過種子定量器，形成一股均勻的種子流進入噴射器中，風機產生高速氣流進入噴射器，高速氣流在噴射器下腔產生負壓，將種子吸入噴射器內并與種子均勻混合，沿管道將種子向上輸送，在分配器的作用下完成分配工作，種子再沿排種管輸送至各行開溝器，實現了統一送種、一器多行排種[9,15]。

1：風機； 2：種子定量器； 3：種箱； 4：噴射器； 5：氣流分配器。

Fig.1 Structural diagram of airflow distribution seed-metering device

1.2 關鍵部件設計

氣流分配器見圖2，分配器由排種管、導種管、密封上蓋、分配器殼體等部分組成。排種過程中，氣流流動中管道截面突然擴大，由于慣性流體規(guī)模不可能按照管道形狀突然擴大，因此在管壁的拐角處形成旋渦，導致大量的機械能變成熱能而消散。另外，從小直徑管道流出的流體有較高的流速，必然要碰撞到大直徑管道中較低流速的流體，產生局部損失[16]。在傳統結構的氣流分配器基礎上，本文優(yōu)化了分配器殼體內腔與密封蓋結構形狀，設計了一種新式的氣流分配器。

1：排種管； 2：密封上蓋； 3：導種管； 4：分配器內腔。

1.2.1 分配器殼體內腔設計 局部損失系數變大、高速氣流形成的真空旋渦滯種現象，大大降低了分配器排種質量。因此，設計分配器殼體內腔應著眼于最小化旋渦區(qū)的大小和強度，減少滯種現象的發(fā)生。對于減小這種變徑管道的局部阻力，通常采用漸擴或者漸縮管道，本研究采用改變邊壁形狀的方式減小局部損失，把水平的導種管邊壁改成喇叭口式漸擴管道(圖3)。

D1：分配器內腔外徑；D2：排種管直徑；D3：導種管直徑；θ：喇叭口切角角度；R：邊壁圓弧直徑。

圖3 喇叭口式殼體內腔
Fig.3 Shell lumen of the bell type distributor

喇叭口式管道的局部阻力系數(ζ)計算公式為：

設計分配器內腔結構時以減小局部阻力系數為原則，圖3為喇叭口式分配器內腔，D1=140 mm，D2=26 mm，D3=50 mm，壁厚2.5 mm，邊壁圓弧直徑為R，通過調節(jié)R的大小改變圓弧形狀，改變排種器的結構形狀，從而降低局部阻力系數。

1.2.2 分配器密封上蓋設計 根據流體力學知識，射流在通過管道撞向壁面時，壁面會給氣流一個反向的作用力，一部分氣流會沿著出口方向向外流動，但是另外一部分沿著氣流的反方向回彈，與射流發(fā)生碰撞，形成真空域。因此，密封蓋應避免氣流回彈產生的真空域，減少滯種情況。結合文獻[17]得出結論：分配器安裝分流圓錐比不安裝的變異系數要低2%左右，本研究設計了一種錐形分流式的密封蓋(圖4)，將氣流均勻分配至各排種管。外徑D4=140 mm，分流錐角為α。

D4：密封蓋外徑； α：分流錐角。

1.2.3 種子定量器 本研究設計的氣流分配式排種器屬于“一器多行”式排種，對種子定量器的播量需求較高，傳統的外槽輪排種器已經不能滿足其需求。本研究選取了一種旋進軸移式外槽輪種子定量器[18]，結構如圖5所示。該種子定量器與傳統的外槽輪排種器種子定量器最大的區(qū)別在于排種量很大，而且可以通過螺紋狀的旋進軸控制阻塞輪的位置，從而實現播量無極調節(jié)控制。

1：排種主軸； 2：軸套； 3：排種盒； 4：外槽輪； 5：旋進軸； 6：彈簧； 7：旋進器。

圖5 種子定量器結構
Fig.5 Structure of the seed meter

2 排種性能數值模擬

傳統的CFD模擬和DEM模擬受其方法限制，無法準確模擬氣流分配式排種器內受力復雜情況下種子顆粒的運動情況，從而難以準確模擬其工作過程。在EDEM-Fluent耦合模擬中，基于離散元的數值模擬可以準確分析種子顆粒的力學行為，提供種子顆粒的實際位置和運動情況，從而得到更加豐富的模擬結果[13]。

2.1 Lagrangian耦合模型

本研究基于Fluent14.5與EDEM2.5軟件對氣流分配式排種器排種過程進行數值模擬。由于水稻顆粒在分配器中所占體積分數不足10%，因此仿真模型采用標準k-ε模型非穩(wěn)態(tài)的Lagrangian耦合算法。Lagrangian耦合不僅能夠實現氣固兩相之間的動量、能量交換，還能計算離散相顆粒對連續(xù)相的影響[19]。

2.2 建立仿真模型

2.2.1 建模與劃分網格 考慮到整個氣流分配排種過程仿真的困難性，本研究僅對核心工作部分進行排種仿真。使用Solidworks軟件建立氣流分配器模型；然后使用ICEM14.5進行混合網格劃分[20-21](圖6)，即在結構復雜區(qū)域進行非結構化網格劃分[22-24]，其他區(qū)域進行結構化網格劃分，網格數351～518，節(jié)點數為61～741。常規(guī)水稻種子外形整體呈橢球形，顆粒扁平，兩頭尖銳，長寬高3軸平均尺寸為8.5 mm×2.7 mm×1.7 mm，根據EDEM2.4軟件說明書基于球形顆粒物的計算原理，本研究采取球形顆粒堆積的方法對水稻種子進行了建模(圖7)。

圖6 網格模型Fig.6 Mesh model

圖7 水稻模型Fig.7 Rice model

2.2.2 設置參數與邊界條件 水稻懸浮速度[25]為7.5 m·s-1；整體氣流輸送速度(va)主要根據經驗數據確定，一般物料的輸送風速為懸浮速度的2.4～4.0倍，根據文獻[25]可知，水稻的氣流輸送速度為16～25 m·s-1，考慮到整個系統的密封性，本次試驗選取氣流輸送速度va=25 m·s-1。

根據播種時一般田間環(huán)境，采用Velocity-inlet速度入口條件，入口風速為25 m·s-1，方向垂直于入風平面；排種出口設置為Outflow邊界條件；壁面采用靜止邊界條件；在EDEM中設置顆粒與顆粒、壁面之間均采用Hertz Mindlin(No Slip)碰撞模型；水稻泊松比為0.3，剪切模量為2.6×108MPa，密度為1 670kg·m-3；工程塑料泊松比為0.5，剪切模量為1×108MPa，密度為900kg·m-3；顆粒-顆粒、顆粒-壁面的接觸參數均采用默認設置；Fluent軟件中時間步長設置為2.5×10-3，保存頻率設置為20步，保存時間設置為0.1s；EDEM軟件中時間步長設置為2.5×10-5，保存頻率設置為40步，保存時間設置為0.001s；顆粒大小設置為normal(正態(tài)分布)，顆粒生成位置為隨機分布；設置顆粒工廠為動態(tài)生成顆粒，假設水稻畝播量為4kg[26]，前進速度4km·h-1，12行機器幅寬為2.4m，將創(chuàng)建速率設為538粒·s-1。

2.2.3 耦合參數設置 耦合參數設置時，采用Lagrangian耦合；設置采樣點為10，為保證每次迭代計算的收斂性，設置動量亞松弛、體積亞松弛因子為0.3，熱源亞松弛因子為0.7；耦合時，Fluent與EDEM之間每個迭代步都會有大量數據信息經由耦合模塊進行交換[27]，為保證計算時的穩(wěn)定，EDEM時間步一般是瑞利時間步的10%～30%，兩者時間步長和數據保存頻率也必須成整數匹配，總體仿真時間為5s。

2.2.4 仿真模型驗證 為證明本研究設計的仿真模型合理可行，進行網格無關性驗證與時間步長獨立性驗證。網格無關性驗證為逐步對網格進行細化直到網格步長對計算結果沒有影響，圖8表示其他條件相同時，用6組不同網格尺寸模擬排種器3號出口固定點氣流速度值，得出結論：當網格數量從35萬變至200萬時，隨著網格數增加，3號出口固定點流速值變化很小，說明增加網格數量對計算結果影響很小，可認為35萬網格已滿足仿真要求。

2.3 數值模擬方案

試驗參照標準GB/T 25418—2010[28]，選取排種均勻性、各行排種一致性、總排量穩(wěn)定性3個指標對本次設計的氣流分配式排種器進行性能試驗。

圖8 網格無關性驗證結果 Fig.8 Result of grid-independent verification

分配器設計時，設計了一種R可調的喇叭口式內腔與一種α可變的錐形分流密封蓋進行組合。以10°為間隔選取α∈[10°,50°]；以50mm為間隔選取R∈[30,330]。通過組合不同尺寸的內腔與密封蓋進行分配器排種性能試驗，試驗結果顯示α∈{20°,30°}、R∈{80,130,180}時，排種均勻性變異系數介于[24.56%～32.14%]之間，各行排量一致性變異系數介于[3.79%～4.98%]之間，滿足國家標準規(guī)定，并以此結果為技術安排了試驗因素水平(表1)，以確定最優(yōu)的分配器結構參數。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

3 數值模擬結果分析

圖9為傳統結構與α-R結構的分配器在仿真時間內的氣固合速度分布圖。觀察氣固合速度分布圖可知，2種結構的分配器中水稻顆粒最低運動速度一致，均為4.885×10-3m·s- 1；在α-R結構分配器中最高速度為5.416m·s-1，且每一階色帶速度均高于傳統結構分配器，表明水稻顆粒在α-R結構的分配器中獲得的加速效果更明顯；對比圖9a與9b，圖9b中α-R結構分配器內水稻顆粒運動空間較大，且藍色負壓帶區(qū)域小于前者，意味著分配器內滯種區(qū)域明顯減小，顆粒排出順暢。

圖9 不同結構分配器中氣固合速度分布圖Fig.9 Air-solid velocity distribution in distributors of different structures

在仿真的5 s內，隨機抽取行為檢測行，計算其在仿真時間內的排種均勻性變異系數和各行排量一致性變異系數和總排量穩(wěn)定性變異系數。表2為試驗結果，表3為結果分析，從表3中可知影響排種均勻性、排量一致性、總排量穩(wěn)定性的主次因素均為：邊壁直徑(R)>密封錐角(α)。對于排種均勻性的最優(yōu)方案為A1B3；對于各行排種一致性的最優(yōu)方案也為A1B3，且因素B的k3

表2 仿真試驗結果Tab.2 Results of simulation experiment

表3 仿真結果分析Tab.3 Analysis of simulation results

4 驗證試驗

在南京農業(yè)大學工學院自行研制的排種性能試驗臺上進行排種性能驗證試驗。試驗材料為：PLA材料3D打印的α-R結構氣流分配器；淮稻5號水稻種子；富力HG250型漩渦氣泵，最大風量為60m3·h-1；TD8901風速儀；壓力表等。調節(jié)傳送帶前進速度分別為5、6、7km·h-1，以此模擬不同大田播種速度；調節(jié)入口風速至25m·s-1。對本次設計的密封錐角α=20°、邊壁直徑R=180 mm的氣流分配排種器，進行10 s的排種試驗。測定項目為：排種均勻性變異系數、各行排量一致性變異系數、總排量穩(wěn)定性變異系數。試驗結果(表4)顯示，3種不同傳送帶速度條件下，各項性能指標比較穩(wěn)定，排種均勻性變異系數介于29.17%～30.86%之間；各行排種一致性變異系數介于4.13%～4.33%之間；總排量一致性變異系數介于1.40%～1.70%之間，3指標均略高于仿真結果，原因是試驗過程中存在著氣流密封性能方面的缺陷，影響了分配器內部氣流分布效果，在以后的臺架試驗或者大田試驗中需要加強整個排種系統的密封性能。但3指標均滿足了國標要求，說明該排種器滿足了水稻直播要求，且利用EDEM-Fluent耦合軟件對其進行仿真是可行的。

表4 臺架試驗結果Tab.4 Bench test results

5 結論

本研究設計了一種由邊壁直徑(R)可調節(jié)的喇叭口式內腔與密封錐角(α)可變的分流密封蓋組成的α-R式氣流分配式排種器，采用EDEM-Fluent耦合軟件對排種過程進行仿真分析，并進行了臺架驗證試驗。

數值模擬得出水稻顆粒運動情況與分配器內部氣流分布情況，α-R結構的氣流分配器中的旋渦滯種區(qū)域明顯低于傳統結構；影響排種均勻性、各行排量一致性、總排量穩(wěn)定性的主次因素均為：R>α，確定了α=20°、R=180 mm時，分配器內部的旋渦滯種區(qū)域明顯降低，排種性能最優(yōu)，排種均勻性變異系數為24.56%，各行一致性變異系數為3.79%，總排量穩(wěn)定性變異系數為1.23%，且α相同，R增大時各項性能指標呈變優(yōu)趨勢。

臺架試驗結果表明：3種不同傳送帶前進速度條件下，試驗結果較為穩(wěn)定，排種均勻性變異系數為29.17%～30.86%，各行一致性變異系數為4.13%～4.33%，總排量穩(wěn)定性變異系數為1.40%～1.70%。滿足水稻機械化直播要求，表明利用EDEM-Fluent耦合仿真具有一定可行性。

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【責任編輯 莊 延】

Numerical simulation and experiment of air distribution seed-metering device based on coupled EDEM-Fluent

ZOU Yi, HAO Xiangze, HE Ruiyin

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

【Objective】 To solve the problems of slow speed and inefficiency in mechanical seeding of rice.【Method】Rice was directly seeded using the air distribution seed-metering device. Anα-Rairdistributionseed-meteringdevicewasdesignedandoptimized.ItconsistedabelltypelumenwithadjustableRand a shunt seal cap with adjustableα. Numerical simulations of air distribution and metering process were performed by using EDEM-Fluent coupling module, and the bench test on seeding performance was carried out. 【Result】The simulation results showed that the highest velocity of rice particles in the combinedα-Rdistributorwas5.416m·s-1.Theareaofvortexstagnationwassmallerthanthatofthetraditionalstructure.Riceparticlesweredischargedsmoothlyfromthedispenser.WhenR=180 mm andα=20°,thevariationcoefficientofuniformitywas24.56%,thevariationcoefficientofconsistencyamongrowswas3.79%,thevariationcoefficientoftotaldisplacementstabilitywas1.23%,andthethreeindicatorswerealltheoptimumvalues.Benchtestwascarriedoutusingdistributorsprintedby3Dprinterandtheresultsshowedthatthevariationcoefficientofuniformityfortheseed-meteringdevicewas29.17%-30.86%,thevariationcoefficientofconsistencyamongrowswas4.13%-4.33%andthevariationcoefficientoftotaldisplacementstabilitywas1.4%-1.7%,whichmettherequirementsofmechanicalseedingofrice.【Conclusion】Theresultsfrommultipletestsarestableandclosetothesimulationresults.Thedesignedairdistributionseed-meteringdevicecanmeetpracticalrequirements,suggestingthatusingtheEDEM-Fluentcouplingsimulationiscorrectandfeasible.

air distribution; seed-metering device; rice; EDEM-Fluent; simulation

2016- 09- 20 優(yōu)先出版時間：2017- 06-22

鄒 翌(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：zou_wudi@sina.com；通信作者：何瑞銀(1964—)，男，教授，博士，E-mail：ryhe@njau.edu.cn

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203059)；蘇北科技專項(BN2015042)

S223.2

A

1001- 411X(2017)04- 0110- 07

優(yōu)先出版網址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170622.1010.012.html

鄒 翌， 郝向澤， 何瑞銀.基于EDEM-Fluent耦合的氣流分配式排種器數值模擬與試驗[J].華南農業(yè)大學學報，2017,38(4):110- 116.