萝卜精量播种机吸嘴流场数值模拟

汤亮+叶方平+龚发云+曲远辉

摘要：设计了一款自走式萝卜精量联合播种机，对吸嘴部分产生的速度流场分布情况进行研究，探讨其对吸种效果的影响。为考察不同真空压力条件下的吸种效果，以CFD软件为计算平台，采用结构化网格，以标准的k-ε湍流模型对吸嘴内部速度流场的分布进行了研究。结果表明，当真空压力分别为60、65、70、80 kPa时，得到这些真空度所对应的播种器吸嘴附距离分别为3.28、3.33、3.35、3.45 mm；最终确定吸嘴的吸附距离随着真空度的加大而增大。

关键词：播种机；真空吸嘴；流场分析；数值模拟

中图分类号：S776.24

文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4708-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.053

Numerical Simulation of Nozzle Flow Field of the Radish Precise Seeder Suction

TANG Liang，YE Fang-ping，GONG Fa-yun，QU Yuan-hui

（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract： A self-propelled combining seeder for precise radish was designed. The velocity distribution flow field of suction nozzle part was studied to examine the impact on sucking seed. In order to investigate the effects of different kinds of vacuum suction pressure， using CFD software as the computing platform， structured grid and a standard k-ε turbulence model for the distribution of the velocity field inside the nozzle were studied. Results showed that when the vacuum pressure was 60， 65， 70， 80 kPa， the corresponding vacuum seeder nozzle attached to distance was 3.28， 3.33， 3.35， 3.45 mm， respectively. The adsorption distance of nozzle increased with the increase of the vacuum degree.

Key words： seeding-machine； vacuum nozzle； flow field analysis； numerical simulation

中国萝卜的种植面积已超过100万hm2，其中大部分萝卜生产仍是露地栽培，采用传统小农生产模式，缺乏科学的生产管理，生产存在着较为严重的要素资源浪费、生产效率低下等问题[1，2]。目前国内生产萝卜播种机械厂家为数不多，萝卜种植的机械化还有待提高，极少量进口的播种机价格高，且不适应中国萝卜种植模式，收获效果差，制约了中国萝卜作物机械化生产的发展，成为产业发展的瓶颈[3]。

为解决萝卜种植中出现的上述问题，促进萝卜生产机械化水平的进一步提升，设计了一款自走式萝卜精量联合播种机，设计中的排种器采用的气吸式精量排种器，使用真空负压的原理进行吸种和排种，由于吸种的过程难以预测，所以需要对吸嘴部分产生的速度流场分布情况进行研究，探讨其对吸种效果的影响。孙晓东[4]研究了吸气管路有漏洞、气压下降等因素导致气吸力减小，种子没吸住致使一部分或全部漏播的因素，姜秀美等[5]研究了圆形排种盘的结构参数对排种过程的影响。为了考察不同真空压力条件下的吸种效果，采用结构化网格，以标准的k-ε湍流模型对吸嘴内部速度流场的分布进行了研究。

1 萝卜播种机总体结构设计

根据萝卜播种过程的特殊性，为了提升萝卜播种过程中的工作效率，设计的萝卜播种机机构主要包括机架、主轴、刮土板、施肥机构、水箱、植保机构、开沟器、穴灌水机构、镇压机构、铺膜机构及间隔填土压膜机构等。机架部分包括大梁、悬挂装置、镇压地轮和风机等。镇压地轮由钢架和橡胶组成，通过链条驱动排种器和排肥器工作。具体形式如图1所示。

播种部分包括种子箱、气吸式排种盘、圆盘式开沟器、覆土器、镇压轮、四杆仿形机构、吸气管等，气吸式排种器安装在圆盘式开沟器上面，覆土器和镇压轮安装在圆盘式开沟器的后面，呈后仿形。播种的粒距是由排种盘的吸种孔数及其转速两者共同决定的，使用时选用了吸种孔数多但排种盘转速较低的传动组合，这样有利于提高吸种的可靠性和降低空穴率。

施肥部分由肥料箱、排肥器、输肥管、开沟器及传动装置等组成。肥料箱安装在大梁上，排肥器为水平星轮式，水平安装在肥箱底部。排肥量可通过改变肥箱内隔板上的活门开度大小或排肥轴的传动比进行调节。这种排肥器适合排施干燥的粒状化肥，从出肥口排出的肥料落入种子的旁侧，由覆土板进行覆土。

播种机设计为气吸式精密播种机，共2行，播种株距为10 cm，行距为20 cm。由于在播种过程中播种机需要较大的动力，所以在工作时播种机一般与丰收-180、上海-50等大中型拖拉机联合使用，以此适合在土地平整、面积大的土地上进行作业。

2 萝卜播种机吸嘴流场建模

播种机工作时，种子在排种器的种箱中，排种盘将气室和种箱隔开，气室通过软管与风机相连。当风机工作时，使气室内产生一定的真空度，在压差的作用下，排种盘上的吸孔便成了气流通道而产生吸力，种箱内种子被吸孔的吸力吸住，并随排种盘一起转动，当转到刮种器的部位时，刮种器将多余的种子刮掉，只留一粒种子继续随排种盘旋转到投种区，负压消失，种子在自重的作用下掉入沟内[5]。种子的最小直径是1.9 mm，先前已经根据流体力学中受力的平衡方程算得了吸附种子的最低气流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圆柱形，属于回转轴对称图形，为了简化流场模型所以在分析流场时仅分析过回转轴的截面，如图2所示，建立的几何模型近似于喇叭状，其几何尺寸如表1所示。

3 数值模拟理论基础

进行数值模拟计算，可以看成是对方程的求解，而方程是经过离散来进行求解的，那么对于流体的流动问题，都要求解质量守恒方程，当流动是湍流时，还要解附加湍流输运方程。因为播种机吸嘴内部流体流动特性比较复杂，所以用数值模拟的方式预测播种机吸嘴流体的特性，对设计高效可靠的播种机吸嘴、评价和改造现有播种机的性能十分必要。要保证模拟计算的可靠和有效，需要对各个数学模型进行充分的了解和掌握，选择准确适合的数学计算模型尤为关键。

3.1 质量守恒方程

质量守恒定律可以表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加等于同一时间内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 标准k-ε湍流模型

液相湍动能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？着

？籽■+？籽■（vl？着）=■（■■？着）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt为湍流黏性系数，Gk为由平均速度梯度所引起的湍动能的增量[6]，表2为相关常数值设定情况。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 边界条件的确定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解计算软件进行数值模拟。在本次数值模拟过程中使用二维单精度求解器，首先选择合理的边界条件来模拟实际环境，气流入口处为压力入口边界（pressure-inlet），出口边界条件为压力出口（pressure-outlet），壁面边界条件设置为无滑移边界（no-slip）。选择基于压力的半隐式求解方式，激活标准k-ε方程，在求解参数的过程中根据模拟的实际问题选择流动方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍动能方程的离散均采用一阶迎风格式（First Order Upwind）。由于在Fluent软件中有四种速度-压力耦合算法，在本次模拟过程中采用基于结构网格的SIMPLE算法。

4 结果与分析

4.1 真空度与气流速度的关系

如图3显示的是当吸嘴内的真空度为60 kPa时，其速度流场的分布情况。分析其速度分布的情况：在吸嘴口处气流速度急剧增加，在吸嘴内气流速度达到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心处，同一半径的截圆上的节点速度大小差异不大。根据计算结果，查看中心对称线上各节点具体的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 处，气流速度达到了8.18 m/s。即种子移动到离吸嘴距离在3.28 mm 以内，即可把种子吸附。

真空度为65 kPa时候结果如图4。从图4可以看出吸嘴内的速度达到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm节点处速度达到8.13 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.33 mm 以内，即可把种子吸附。

真空度为70 kPa时候结果如图5。从图5可以看出，吸嘴内的速度达到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm节点处速度达到8.38 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.35 mm以内，即可把种子吸附。

真空度为80 kPa时候结果如图6，从图6可以看出，吸嘴内的速度达到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm节点处速度已达到8.23 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.45 mm以内，即可把种子吸附。

4.2 真空度与种子吸附距离

应用流体力学平衡方程计算得到种子被吸附起的临界气流速度7.97 m/s，以此为考察依据，分析了不同真空压力下的种子吸附距离，将真空度与对应的吸附距离的关系，见图7。从图7可以看出，很明显吸附距离是随着真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa时，真空度与吸附距离近似正比关系。在真空度超过60 kPa后，随着真空度增大，吸附距离增幅较大。

5 小结

通过对萝卜播种机吸嘴实际应用情况的分析，运用二维软件建模后，确立了在CFD数值计算中的边界条件问题。采用标准k-ε湍流模型对不同真空条件下的吸嘴内部流场变化进行了数值求解，以入口圆形区域的数值中心线为界，气吸流场具有对称分布的特征，随着真空度的增大，吸附距离也随之增大，同时也说明了CFD数值计算方法缩短了研发时间，提高了研发效率。

参考文献：

[1] 杨 健.萝卜生产成本收益及全要素生产率分析[D].武汉：华中农业大学，2010.

[2] 苏彩霞，廖庆喜.我国农业机械化技术进步的内在机理研究[J].农机化研究，2003（2）：18-19.

[3] 马 勇，李 伟，侯连民.我国胡萝卜栽培技术与机械化生产[J].农业机械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孙晓东.小议气吸式精量播种机常见问题及故障排除方法[J].民营科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀伦，吕翠珍.32BHQ-2型气吸式花生精量播种机的设计[J].设计制造，2012（2）：97-99.

[6] 龚发云，叶方平，汤 亮.折流板几何结构对换热器性能影响的数值模拟[J].湖北工业大学学报，2013，28（5）：1-4.

2 萝卜播种机吸嘴流场建模

播种机工作时，种子在排种器的种箱中，排种盘将气室和种箱隔开，气室通过软管与风机相连。当风机工作时，使气室内产生一定的真空度，在压差的作用下，排种盘上的吸孔便成了气流通道而产生吸力，种箱内种子被吸孔的吸力吸住，并随排种盘一起转动，当转到刮种器的部位时，刮种器将多余的种子刮掉，只留一粒种子继续随排种盘旋转到投种区，负压消失，种子在自重的作用下掉入沟内[5]。种子的最小直径是1.9 mm，先前已经根据流体力学中受力的平衡方程算得了吸附种子的最低气流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圆柱形，属于回转轴对称图形，为了简化流场模型所以在分析流场时仅分析过回转轴的截面，如图2所示，建立的几何模型近似于喇叭状，其几何尺寸如表1所示。

3 数值模拟理论基础

进行数值模拟计算，可以看成是对方程的求解，而方程是经过离散来进行求解的，那么对于流体的流动问题，都要求解质量守恒方程，当流动是湍流时，还要解附加湍流输运方程。因为播种机吸嘴内部流体流动特性比较复杂，所以用数值模拟的方式预测播种机吸嘴流体的特性，对设计高效可靠的播种机吸嘴、评价和改造现有播种机的性能十分必要。要保证模拟计算的可靠和有效，需要对各个数学模型进行充分的了解和掌握，选择准确适合的数学计算模型尤为关键。

3.1 质量守恒方程

质量守恒定律可以表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加等于同一时间内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 标准k-ε湍流模型

液相湍动能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？着

？籽■+？籽■（vl？着）=■（■■？着）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt为湍流黏性系数，Gk为由平均速度梯度所引起的湍动能的增量[6]，表2为相关常数值设定情况。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 边界条件的确定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解计算软件进行数值模拟。在本次数值模拟过程中使用二维单精度求解器，首先选择合理的边界条件来模拟实际环境，气流入口处为压力入口边界（pressure-inlet），出口边界条件为压力出口（pressure-outlet），壁面边界条件设置为无滑移边界（no-slip）。选择基于压力的半隐式求解方式，激活标准k-ε方程，在求解参数的过程中根据模拟的实际问题选择流动方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍动能方程的离散均采用一阶迎风格式（First Order Upwind）。由于在Fluent软件中有四种速度-压力耦合算法，在本次模拟过程中采用基于结构网格的SIMPLE算法。

4 结果与分析

4.1 真空度与气流速度的关系

如图3显示的是当吸嘴内的真空度为60 kPa时，其速度流场的分布情况。分析其速度分布的情况：在吸嘴口处气流速度急剧增加，在吸嘴内气流速度达到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心处，同一半径的截圆上的节点速度大小差异不大。根据计算结果，查看中心对称线上各节点具体的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 处，气流速度达到了8.18 m/s。即种子移动到离吸嘴距离在3.28 mm 以内，即可把种子吸附。

真空度为65 kPa时候结果如图4。从图4可以看出吸嘴内的速度达到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm节点处速度达到8.13 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.33 mm 以内，即可把种子吸附。

真空度为70 kPa时候结果如图5。从图5可以看出，吸嘴内的速度达到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm节点处速度达到8.38 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.35 mm以内，即可把种子吸附。

真空度为80 kPa时候结果如图6，从图6可以看出，吸嘴内的速度达到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm节点处速度已达到8.23 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.45 mm以内，即可把种子吸附。

4.2 真空度与种子吸附距离

应用流体力学平衡方程计算得到种子被吸附起的临界气流速度7.97 m/s，以此为考察依据，分析了不同真空压力下的种子吸附距离，将真空度与对应的吸附距离的关系，见图7。从图7可以看出，很明显吸附距离是随着真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa时，真空度与吸附距离近似正比关系。在真空度超过60 kPa后，随着真空度增大，吸附距离增幅较大。

5 小结

通过对萝卜播种机吸嘴实际应用情况的分析，运用二维软件建模后，确立了在CFD数值计算中的边界条件问题。采用标准k-ε湍流模型对不同真空条件下的吸嘴内部流场变化进行了数值求解，以入口圆形区域的数值中心线为界，气吸流场具有对称分布的特征，随着真空度的增大，吸附距离也随之增大，同时也说明了CFD数值计算方法缩短了研发时间，提高了研发效率。

参考文献：

[1] 杨 健.萝卜生产成本收益及全要素生产率分析[D].武汉：华中农业大学，2010.

[2] 苏彩霞，廖庆喜.我国农业机械化技术进步的内在机理研究[J].农机化研究，2003（2）：18-19.

[3] 马 勇，李 伟，侯连民.我国胡萝卜栽培技术与机械化生产[J].农业机械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孙晓东.小议气吸式精量播种机常见问题及故障排除方法[J].民营科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀伦，吕翠珍.32BHQ-2型气吸式花生精量播种机的设计[J].设计制造，2012（2）：97-99.

[6] 龚发云，叶方平，汤 亮.折流板几何结构对换热器性能影响的数值模拟[J].湖北工业大学学报，2013，28（5）：1-4.

2 萝卜播种机吸嘴流场建模

播种机工作时，种子在排种器的种箱中，排种盘将气室和种箱隔开，气室通过软管与风机相连。当风机工作时，使气室内产生一定的真空度，在压差的作用下，排种盘上的吸孔便成了气流通道而产生吸力，种箱内种子被吸孔的吸力吸住，并随排种盘一起转动，当转到刮种器的部位时，刮种器将多余的种子刮掉，只留一粒种子继续随排种盘旋转到投种区，负压消失，种子在自重的作用下掉入沟内[5]。种子的最小直径是1.9 mm，先前已经根据流体力学中受力的平衡方程算得了吸附种子的最低气流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圆柱形，属于回转轴对称图形，为了简化流场模型所以在分析流场时仅分析过回转轴的截面，如图2所示，建立的几何模型近似于喇叭状，其几何尺寸如表1所示。

3 数值模拟理论基础

进行数值模拟计算，可以看成是对方程的求解，而方程是经过离散来进行求解的，那么对于流体的流动问题，都要求解质量守恒方程，当流动是湍流时，还要解附加湍流输运方程。因为播种机吸嘴内部流体流动特性比较复杂，所以用数值模拟的方式预测播种机吸嘴流体的特性，对设计高效可靠的播种机吸嘴、评价和改造现有播种机的性能十分必要。要保证模拟计算的可靠和有效，需要对各个数学模型进行充分的了解和掌握，选择准确适合的数学计算模型尤为关键。

3.1 质量守恒方程

质量守恒定律可以表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加等于同一时间内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 标准k-ε湍流模型

液相湍动能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？着

？籽■+？籽■（vl？着）=■（■■？着）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt为湍流黏性系数，Gk为由平均速度梯度所引起的湍动能的增量[6]，表2为相关常数值设定情况。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 边界条件的确定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解计算软件进行数值模拟。在本次数值模拟过程中使用二维单精度求解器，首先选择合理的边界条件来模拟实际环境，气流入口处为压力入口边界（pressure-inlet），出口边界条件为压力出口（pressure-outlet），壁面边界条件设置为无滑移边界（no-slip）。选择基于压力的半隐式求解方式，激活标准k-ε方程，在求解参数的过程中根据模拟的实际问题选择流动方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍动能方程的离散均采用一阶迎风格式（First Order Upwind）。由于在Fluent软件中有四种速度-压力耦合算法，在本次模拟过程中采用基于结构网格的SIMPLE算法。

4 结果与分析

4.1 真空度与气流速度的关系

如图3显示的是当吸嘴内的真空度为60 kPa时，其速度流场的分布情况。分析其速度分布的情况：在吸嘴口处气流速度急剧增加，在吸嘴内气流速度达到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心处，同一半径的截圆上的节点速度大小差异不大。根据计算结果，查看中心对称线上各节点具体的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 处，气流速度达到了8.18 m/s。即种子移动到离吸嘴距离在3.28 mm 以内，即可把种子吸附。

真空度为65 kPa时候结果如图4。从图4可以看出吸嘴内的速度达到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm节点处速度达到8.13 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.33 mm 以内，即可把种子吸附。

真空度为70 kPa时候结果如图5。从图5可以看出，吸嘴内的速度达到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm节点处速度达到8.38 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.35 mm以内，即可把种子吸附。

真空度为80 kPa时候结果如图6，从图6可以看出，吸嘴内的速度达到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm节点处速度已达到8.23 m/s，即种子移动到离吸嘴距离在3.45 mm以内，即可把种子吸附。

4.2 真空度与种子吸附距离

应用流体力学平衡方程计算得到种子被吸附起的临界气流速度7.97 m/s，以此为考察依据，分析了不同真空压力下的种子吸附距离，将真空度与对应的吸附距离的关系，见图7。从图7可以看出，很明显吸附距离是随着真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa时，真空度与吸附距离近似正比关系。在真空度超过60 kPa后，随着真空度增大，吸附距离增幅较大。

5 小结

通过对萝卜播种机吸嘴实际应用情况的分析，运用二维软件建模后，确立了在CFD数值计算中的边界条件问题。采用标准k-ε湍流模型对不同真空条件下的吸嘴内部流场变化进行了数值求解，以入口圆形区域的数值中心线为界，气吸流场具有对称分布的特征，随着真空度的增大，吸附距离也随之增大，同时也说明了CFD数值计算方法缩短了研发时间，提高了研发效率。

参考文献：

[1] 杨 健.萝卜生产成本收益及全要素生产率分析[D].武汉：华中农业大学，2010.

[2] 苏彩霞，廖庆喜.我国农业机械化技术进步的内在机理研究[J].农机化研究，2003（2）：18-19.

[3] 马 勇，李 伟，侯连民.我国胡萝卜栽培技术与机械化生产[J].农业机械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孙晓东.小议气吸式精量播种机常见问题及故障排除方法[J].民营科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀伦，吕翠珍.32BHQ-2型气吸式花生精量播种机的设计[J].设计制造，2012（2）：97-99.

[6] 龚发云，叶方平，汤 亮.折流板几何结构对换热器性能影响的数值模拟[J].湖北工业大学学报，2013，28（5）：1-4.