基于DEM-CFD耦合的气吸式排种器仿真研究

张凯 洪杨 徐祝欣

摘要

为提高大白菜等小粒径精密播种机的机械化水平，设计了一种小粒径气吸式排种器.首先利用JPS-12排种器性能检测试验台对排种器进行测试，得到不同参数组合下的性能指标与最优参数组合.然后使用计算流体力学方法（CFD），借助FLUENT软件分析了吸种器内部流场的分布，得到了吸种器内部压力分布云图和吸种孔截面云图.最后基于离散元法（DEM）建立大白菜种子颗粒模型，对排种器仿真模型进行简化和网格划分，完成了小粒径气吸式排种器DEM-CFD耦合仿真实验.对比台架与仿真试验结果，得出如下的结论：当排种盘转速为20 r/min，真空度为2.2 kPa时，排种性能最佳.关键词

气吸式排种器;小粒径种子;离散元法;流体力学

中图分类号 S223.2

文献标志码 A

0 引言

为解决大白菜等小颗粒种子选育施肥中机械化程度低、稠度差、播种效率低、机械要求差异性大等问题，研制适合小粒径播种的气吸式精密播种机非常重要[1].作为播种机核心部分的气吸式排种器，其工作性能直接影响播种质量.本文采用负压吸种的工作原理，设计了一种气吸式排种器，依靠气吸室的真空度将种子吸附在吸种孔上，因此气吸室的流场压力分布需要均匀.

近年来，DEM（离散元法）-CFD（计算流体力学）耦合仿真在工业、农业方面得到了广泛的运用，国内外主要应用在中大型颗粒种子的气吸式排种器上[2]，很少应用于小粒径气吸式排种器.本文首先进行JPS-12台架试验，得到不同参数组合下的排种器性能指标与最优参数组合，接着利用FLUENT 软件分析气吸式排种器内部流场分布，最后利用EDEM软件建立大白菜种子颗粒模型，实现小粒径气吸式排种器DEM-CFD耦合仿真[3]，对比台架与仿真试验结果，验证了仿真分析的可行性.

1 排种器的结构与工作原理

气吸式排种器主要由排种盘、壳体、搅拌器、刮种器、泄种量调节插板、气吸室等结构组成，如图1所示.采用负压吸种的原理，排种盘垂直放置在排种器中间，一侧与充种室相连，另一侧与气吸室相接[4].排种器经由上方的管道与风机连接，工作时由高速风机产生负压，再传送至排种单体的真空室.排种盘在前进作业过程中，种子依靠负压的作用附着在排种盘上并随其一齐转动[5]，当种子从真空室移出时，由于负压的消失，仅靠重力或在刮种器作用下落入沟内，进而完成一次排种过程.

2 试验台试验

2.1 不同转速试验结果分析

为了研究排种盘转速对排种性能的影响，排种盘转速从10 r/min到40 r/min，每5 r/min一个水平，共分为7个水平，真空度保持为3 kPa.在种床带运行平稳之后，每个参数试验记录种床带连续分布的200粒种子，重复3次取平均值作为最终结果，试验结果如图2所示.

2.2 不同真空度试验结果分析

在其他工作参数相同的情况下，真空度从1.5 kPa到5 kPa，平均分为8个水平，转速保持为30 r/min，在种床带运行平稳之后，每个参数试验记录种床带连续分布的200粒种子，重复3次取平均值作为最终结果，试验结果如图3所示.

2.3 正交试验

在转速单因素试验中，发现转速在20～30 r/min时，播种性能比较好.在真空度单因素试验中，真空度在2～3.5 kPa时，播种性能比较好.为了研究转速和真空度对排种性能影响的主次顺序以及最优参数组合，对每个参数取3个试验水平，考虑到转速与真空度之间存在相互作用，采用正交表L9（34）进行试验台试验，正交试验水平如表1所示.每个参数组合试验统计种床带连续分布的200粒种子，重复3次取平均值作为最终结果，正交实验结果表2所示.

极差的大小代表着因素对试验指标影响的大小，极差越大，影响越显著.对表2的极差进行分析，对于合格指数和漏播指数，转速的影响较显著;对于重播指数，真空度影响较显著.当转速20 r/min、真空度2.2 kPa时，排种性能达到最佳，合格指数为93.02%，重播指数为4.41%，漏播指数仅有2.79%，各项性能均符合国家农作物单粒精量播种质量指标要求.

3 气吸式排种器流场仿真分析

3.1 模型建立与前处理

采用SolidWorks软件建立了气吸式排种器的仿真模型，通过观察测量发现实际结构尺寸较为复杂，有必要对模型进行一定程度的简化去杂[6]，如图4所示.对简化的模型利用GAMBIT进行网格划分，定义空气出入口，定义吸种孔与气吸室及充种室的交界面为interface，其他面默认为壁面wall，生成的网格文件如图5所示.

3.2 仿真结果分析

3.2.1 不同真空度下流场的变化规律

为了得出真空度影响排种器内部流场分布的变化规律，选择了3种不同真空度条件，设置合适的算法参数，经过多次迭代计算，当残差曲线收敛时，得到的仿真结果如图6所示.图6a为气吸室流场压力云图，图6b为吸种孔内部速度云图，图6c为不同吸种孔截面速度云图.

由图6可知，在不同真空度下，压力大小呈轴对称分布，管道处压力值达到最高（图6a）.随着真空度的变化，气吸室的壓力分布没有明显变化，说明真空度对气吸室压力分布没有影响，只是改变了压力大小.吸种孔内速度大小受真空度的影响而改变，其区域的速度分布相对一致（图6b）;而吸种孔端面的速度大小以管道处为峰值，呈轴对称状分布并向圆环两侧递减（图6c）.

3.2.2 改变转速后的流场变化

选择了10 r/min、20 r/min和30 r/min这三种转速条件，真空度保持3 kPa不变.设置适当的算法参数，经过多次计算迭代，当残差曲线收敛时，得到的仿真结果如图7所示.在本研究中，24个锥形吸种孔均匀分布在排种盘上，每两个吸种孔之间间隔15°，为此区间选择了4个转动度数：0°、4°、8°、12°，如图7所示.

从图7可以看出，同一时间，在不同转速下，气吸室压力分布变化不大，说明气吸室流场压力分布受转速的影响不明显.而在相同转速下，随着排种盘的转动，气吸室的压力分布变化较为明显，说明排种盘的转动对气吸室压力分布有很大影响.

4 气吸式排种器工作过程耦合仿真分析

4.1 建立仿真模型

为构建大白菜种子颗粒模型，需要测量种子的物理特性，测得种子的三径为：长1.98 mm，宽1.95 mm，高1.92 mm.为了便于进行仿真，本文特意简化了大白菜种子颗粒模型，采用等效直径为1.95 mm的单球模型[7]，如图8所示.

4.2 耦合仿真结果分析

在耦合的模拟仿真试验过程中，可直接观察到排种盘每个吸种孔上的大白菜种子数并手动记录.每次模拟试验统计80个样本，再对数据进行计算得出排种器的性能指标，如表3所示.

通过对表3中数据的分析，发现重播指数较其他两个指数差距较大，进而推测在现实试验中，因为电机工作振动的影响，吸种孔内的若干种子可能会被抖落掉出.而耦合仿真环境理想，没有干扰因素，所以造成了仿真试验的重播指数略大于台架试验的重播指数.

为了验证真空度和转速在耦合仿真条件下均会对排种器的排种性能造成影响，通过改变转速并观察统计各个吸种孔上的种子数，其中转速参数的设置与之前的台架试验保持一致，实验结果如表4所示.

经过对上述数据的观察和分析，可以发现两次检测的合格、重播和漏播指数这三者的变化趋势是相同的;通过对模拟试验中转速对排种性能影响的显著性分析，发现转速对漏播和合格指数的影响较为显著，对重播指数的影响很小.

5 结论

针对目前小粒径种子精密播种机机械化程度较低的问题，基于负压吸种的原理设计出一款小粒径气吸式排种器，满足小粒径种子精密播种的需要.对气吸式排种器内部流场进行仿真分析，得到了真空度和转速对流场的作用规律.吸种孔内的速度大小只受真空度的影响，且随着真空度的增大减小成正比关系;转速对气吸室整体的压力分布影响不显著，起主导作用的是吸种孔的转速.

不论是耦合仿真试验还是台架试验，当转速为20 r/min、真空度为2.2 kPa时，排种器的性能最佳.台架试验的合格指数为93.02%，重播指数为4.41%，漏播指数2.79%，耦合仿真试验的合格指数为91%，重播指数为7%，漏播指数为2%.通过对比分析，仿真试验与台架试验的规律是一致的，试验结果较为接近，表明了基于EDEM-FLUENT耦合仿真试验来分析排种器的排种性能是可行而有效的.

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Simulation of an air suction seed drainer based on DEM-CFD coupling

ZHANG Kai1 HONG Yang2 XU Zhuxin3

1 School of Automation，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044

2 Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，

Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044

3 Qingdao Plantec Machinery Technology Company Limited，Qingdao 266109

Abstract An air suction seed drainer was designed and simulated in order to improve the mechanization level of precision seeders applicable for small size grains such as Chinese cabbage seeds.Firstly，the performance of the seed metering device was acquired through tests using performance test-bench of JPS-12，based on which the optimal parameter combination was obtained.Then，the flow field distribution inside the air suction chamber under different vacuum degrees or rotating speeds was analyzed using computational fluid dynamics （CFD） and FLUENT software，and a seed shape model of Chinese cabbage was established based on discrete element method （DEM）.Finally，the seed metering device simulation was carried out by a simplified model and grid meshing.The comparison between bench test and simulation result showed that the air suction seed drainer performed best when the rotating speed of seed metering tray is 20 r/min and the vacuum degree of air suction chamber is 2.2 kPa.

Key words air suction seed metering device;small seeds;discrete element method （DEM）;fluid mechanics

收稿日期 2020-07-03

資助项目 国家重点研发计划（2017YFD0701201-02）

作者简介

张凯，男，博士，教授，研究方向为智能装备研究.zkark@163.com