陈书法,刘永康,宋正坤,解法旺,孙启新
(淮海工学院 机械与海洋工程学院,江苏 连云港 222005)
排种器按照工作原理分为机械式和气力式[1]:机械式排种器主要是利用机械物理原理对种子作用,使种子能按照要求顺利排出,其结构简单、制造容易、造价低廉,在市场中还占有一定的使用比例[2];气力式排种器主要是利用气流的作用效果,对种子进行吹送或吸附,使种子按照预期的规律移动[3]。气力式排种器与机械式排种器相比,具有不伤种、对种子外形尺寸要求不高、通用性好及作业速度高的优点[4],目前国内外对气力播种技术的播种基本原理、气力播种各技术环节等方面开展了广泛研究[5]。气力式排种器主要有气吸式、气吹式和 气压式3种形式[6]。本文主要对气吸式排种器的气室形状及型孔结构进行仿真分析,研究气室形状和不同型孔结构对排种器性能的影响。
1.1.1 分析假设
运用ANSYS/FLUENT求解流体问题时,首先要确定流体的特征。排种器气室内的流体为空、不存在温度变化的情况,不用考虑温度变化对气体参数的影响,所以假设气室内的气体特性参数为常量。
1.1.2 气室内流体类型的确定
根据流体能否被压缩,可将流体分为可压缩流体与不可压缩流体两类[7]:密度随着压强的变化较大且不可视为常数的流体称为可压缩流体;密度随压强的变化很小且可视为常数的流体称为不可压缩流体。
气体类型的判定要根据马赫数来判定。当马赫数大于0.3时,可将该处的气体视为可压缩气体;当马赫数小于0.3时,视为不可压缩气体[7]。判定排种器气室内流体类型的公式为
(1)
(2)
式中k—等熵指数,室温20℃时k=1.4;
R—气体常数,室温20℃时R=287;
T—气体绝对温度,室温20℃时T=293;
ρ—空气密度标准大气压下,室温20℃时ρ=1.205kg/m3;
ΔP—气室真空度,此处取ΔP=1.5~4kPa;
a—型孔空气阻力系数,型孔直径为0.5~3mm时a=0.17~0.72。
由公式得:Mmax=0.18<0.3。因此,气室流场气体视为不可压缩气体。
1.1.3 气室流场确定
对于不可压缩流体的恒定势流,若忽略重力,可运用势流的伯努利方程[7],即
(3)
式中p—静压(Pa);
1/2ρu2—动压(Pa);
ρ—密度(kg/m3);
u—质点运动速度(m/s);
c—常数。
常数c对于该势流场的整个流场是相同的,说明整个流场的全压是处处相等的。由此认定,气室流场是一个势流流场,全压强处处相等,从而可以认为气室容积对型孔吸附性能没有影响[8]。
1.1.4 仿真模型的选取
为了在计算过程中选择合适的模型,需要确定流体的运动形式。流体的运动状态包括层流和湍流两种形式,可以用雷诺数Re来判定。一般情况下Re<2 300时,为层流;2 300
(4)
(5)
式中ρ—空气密度;
v—流体速度(m/s);
μ—粘性系数(m/s);
d—管道直径(m);
a—型孔空气阻力系数,型孔直径为 0.5~3mm时a=0.17~0.172;
ΔP—气室真空度,取ΔP=1.5~4kPa。
当Re较小时,说明粘性摩擦力起着主要作用;当Re较大时,惯性力起主要作用。常温状态(即室温20℃)时,空气密度ρ=1.205kg/m3,流体速度v=62m/s,粘性系数μ=1.8×10-5Pa·s,型孔处直径d=0.001m。由式(4)计算得Re=4150>4 000,所以运动形式为湍流,在计算时选择湍流模型。
ANSYS/FLUENT是一款用户较多的CFD软件,通过使用FLUENT求解流动问题能够求解流动过程中的多种物理现象,用于二维和三维流动体的流场分析[8],计算结果可以显示流场中各项参数的详细信息。
本文仿真所用排种器模型的排种盘型孔贴近气室外侧,外侧半径不能改变,因此通过调整气室内径的大小来改变排种器气室的容积。型孔所在位置位于排种盘直径110mm处,考虑到负压进气口的直径,气室内侧直径变化范围为50~70mm,直径增量为10mm。对气室流场进行分析,建立不同的模型,均选择标准k-e模型进行仿真。
在计算模块中对流体模型设置定义的进出口压强大小,选择湍流计算模型为k-e模型,定义出口类型为opening,入口压强为0kPa,出口压强为-2kPa,设置计算结果的收敛精度为10-4,计算迭代次数为500,进行计算。计算结果如图1~图3所示。
由图1~图3中的流速云图可以看出不同容积情况下负压区气室的仿真结果。分析其对型孔端面的流速与压强的关系,可以得出:①气室容积减小,使气室内的流速产生一定的变化,但是三者相差不多;②型孔处气流的流速并没有太大的变化,流速最大值为12m/s左右,最小值为10m/s左右。因此,气室容积的变化对排种器排种性能的影响并不大,与之前引用文献的理论分析结果一致。所以,笔者认为改变气室容积大小对排种器排种性能的影响为不显著影响。
图1 内径50mm时气室内的气流流速云图
图2 内径60mm时气室内的气流流速云图
图3 内径70mm时气室内的气流流速云图
排种盘上的型孔一般分为圆形孔和漏斗形孔,其结构如图4所示。
图4 型孔结构
在SolidWorks中对型孔进行建模,然后导入FLUENT中,采用FLUENT自带的网格划分工具MESH进行网格划分。由于模型为标准模型,不存在尖锐情况,划分时的条件均采用默认条件,划分后的网格如图5所示。定义模型左端为OUT边界,出口气压定义为-1 500Pa,定义模型右端面为IN,建立进口边界,进口压强为0Pa,收敛条件为10-4,计算迭代次数500,进行计算。仿真结果如图6和图7所示。
图5 型孔网格
图6 圆形型孔压力云图
图7 漏斗形型孔孔压力云图
由图6、图7可以看出:圆孔前后两端的压力差很小。当种子为不规则形状时,种子与型孔之间的间隙会泄露空气,使气室真空度降低,导致型孔边的吸附力能够吸附多余的种子;锥孔前后两端的压力差较大且锥孔端面的压力两边小中间大时,即使种子是不规则球形,在端面两边泄露空气也较少,能够有效地避免重吸。
此外,当锥孔和圆孔同时吸附1粒种子时,由于锥孔前面是倾斜平面,有利于种子的滑动进入型孔。当种子进入型孔后,能够有效减小漏气量,其它的种子就会跌落至充种室,从源头上减小播种的重播率。
由于气室真空度的存在,排种盘两侧的压力差在型孔处会产生吸附力,其大小会直影响型孔对种子的吸附能力,影响型孔对种子的吸附质量,它与种子物理特性有关。一般不同种子都对应着一个最佳真空度值:真空度过小,漏吸几率增大,漏播指数升高;真空度过大,重吸率增加,重播指数增加。为了验证上文不同型孔的仿真结果,在JPS-12排种器检验试验台上做了室内台架试验。
试验材料选择大白菜种子,采用游标卡尺测得种子的长、宽、高,一共测量150粒种子:取平均值得到如下结果:长度在1.38~1.87mm之间,平均值为1.63mm;宽度在1.23~1.82mm之间,均值为1.57mm;高度在1.18~1.79mm之间,均值1.51mm。同时,测得含水率7.6%,千粒质量3.98g。
在相同条件下,对圆形型孔和漏斗形型孔的排种器进行室内台架试验[9]。将种床带的前进速度设置为5.4km/h,排种盘转速35r/min,气室工作负压选取为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0kPa等6个水平,分别对两种不同型孔结构进行单因素试验。为确定试验数据的可靠性,重复对每个数据进行3次试验,试验结果取平均值,并根据试数据绘制拟合图来分析两种型孔结构对排种器排种性能的影响。
图8表示型孔为漏斗形型孔时工作风压与排种性能的曲线图,并得到排种性能指标的回归方程。
合格指数回归方程为
A=-3.36x3+22.54x2-40.18x+93.77
R2=0.91
(6)
重播指数回归方程为
D=2.70x2-8.71x+12.55
R2=0.97
(7)
漏播指数回归方程为
M=2.51x2-23.16x+51.94
R2=0.93
(8)
图8 风压对漏斗形型孔排种性能的影响
图9表示型孔为圆形型孔时工作风压与排种性能的曲线图,并得到排种性能指标的回归方程。
图9 风压对圆形型孔排种性能的影响Fig.9 Effect of wind pressure on seed metering
performance in a circular hole
合格指数回归方程为
A=-3.52x3+24.12x2-44.38x+94.84
R2=0.93
(9)
重播指数回归方程为
D=1.84x2-5.15x+10.71
R2=0.97
(10)
漏播指数回归方程为
M=3.23x2-26.8x+56.64
R2=0.91
(11)
由图8和图9可知:在排种盘转速一定的情况下,排种粒距合格率随工作风压的增大,呈现先上升后下降的趋势,在3.0kPa左右时合格率最高;重播率随工作风压的增大而逐渐升高,漏播率则随着工作风压的增大呈逐渐下降的趋势,在2.0~3.0kPa时漏播率下降明显,之后下降趋势逐渐平滑。因此,风机工作风压对排种工作性能影响比较显著。
当排种盘上的型孔采用不同的结构时,其拟合曲线的走势变化不大;但在相同的条件下,漏斗形的型孔的合格率比圆孔的合格率高,圆形孔容易吸附更多的种子,与模拟分析的结果一致。由此说明:漏斗形型孔的排种效果略优于圆形型孔。
1)对排种器气室容积进行理论分析,并通过ANSYS/FLUENT进行仿真验证,表明排种器气室容积对排种器工作性能的影响不大。
2)对于圆形型孔和漏斗形型孔进行仿真分析,结果表明:漏斗形型孔的排种性能要优于圆形型孔结构的排种器。
3)对不同型孔结构的排种器进行室内台架试验,结果表明:漏斗形型孔排种器排种性能优于圆形型孔的排种器。