全膜双垄沟膜面气流场与种床覆土互作过程模拟研究

史瑞杰 赵武云 戴 飞 宋学锋 赵一鸣 王 锋

(甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070)

0 引言

全膜覆盖双垄沟播技术是近年来我国西北旱作农业发展的一项突破性技术，该技术的大面积推广和应用，为西北旱区粮食单产大幅提高、稳产增产提供了强大的技术支撑[1-3]。该技术通过机械化作业方式，完成大垄、小垄、膜面覆土模式下的种床构建，同时结合膜下垄沟种植技术，确保作物生长所需水分和养分，可达到膜下抑蒸、种床增温、蓄水保墒、集雨抗旱、水肥高效利用等效果[1-6]。生产实践证明，全膜双垄沟播技术抗旱、增产和保墒效果显著，比普通地膜覆盖栽培单产增长近30%，推广应用面积呈逐年递增趋势[6-8]。

近年来，张绪成等[9]和谢军红等[10]对不同耕作方式、培肥模式下旱地全膜双垄沟播玉米的生长和产量进行了研究；魏万成等[11-12]对旱地玉米全膜双垄沟土壤水热效应进行了数值模拟研究和农艺优化；石林榕等[13]针对玉米播种环节设计了直插穴播机强排-强启排种装置，对前进速度补偿机构进行了参数优化；张仕林等[5,14]对全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程进行了仿真分析与试验；辛尚龙等[15]根据玉米全膜双垄沟播农艺要求，研发了玉米穗茎兼收对行联合收获机；王久鑫等[16]对玉米全膜双垄沟残膜回收机进行了优化设计与试验；戴飞等[17-19]研制了一系列全膜双垄沟微垄、单幅、双幅、横腰带覆土式覆膜覆土联合作业机并进行了试验，其中横腰带覆土方式有效减少了大风揭膜和地表径流。关于全膜双垄沟膜面气流场与种床覆土互作过程的研究未见报道，种床构建方式仍以农户经验选择为主。

黄土高原地区属大陆性季风气候，冬春季寒冷干燥多风沙，夏秋季炎热多暴雨，大风天气对工业、农业、畜牧业生产有较大影响[20]。全膜双垄沟顶凌覆膜时容易发生大风揭膜、扬尘等现象，为进一步提升全膜双垄沟种床构建质量、合理膜面覆土、减少扬尘，探究种床覆土与空气流场间互作规律，本文以不同风速、不同风向下全膜双垄沟种床气流场为基础，采用CFD-DEM耦合技术，通过离散元颗粒表征土壤颗粒，得出不同风速、不同风向下全膜双垄沟种床覆土与空气流场间的互作机制，并进行田间试验，为全膜双垄沟种床构建及覆土理论提供参考。

1 全膜双垄沟农艺要求与风速风向

1.1 全膜双垄沟农艺要求

全膜双垄沟播技术在起垄时要求大小垄总宽1 100 mm，其中大垄宽700 mm，高100～150 mm，小垄宽400 mm，高100～150 mm，起垄完成后地膜完全覆盖大小垄体，在大垄面和小垄沟内覆土镇压，形成大垄面、小垄沟及横腰带覆土，并在小垄沟内完成膜上打孔，便于雨水渗入土壤[4-7](图1)。但农户覆膜覆土时没有理论指导依据，完全依据地形地貌与自身经验选择覆膜方向，一般覆膜方向与正北方向夹角范围为0°～90°(图2)。

图1 全膜双垄沟播技术示意图

图2 农户自主选择种床构建方向作业图

1.2 风速风向

黄土高原地区1957—2009年间平均风速为2.36 m/s，水蚀区、水蚀风蚀交错区和风蚀区年均风速分别为1.94、2.17、2.6 m/s，并均经过0.001的极显著性检验[20-21]。本文选取国家气象局设置在甘肃省定西市临洮县境内的52986号观测站点数据为计算依据，临洮县地处洮河下游，南北狭长，地势由东南向西北倾斜，境内以黄土地貌为主，近年来主要推广全膜双垄沟播技术；该站点经度103.87°，纬度35.37°，海拔1 893.8 m，气压传感器海拔1 895 m，数据选取时间为1981年1月至2010年12月。根据国家气象科学数据中心统计数据显示，该站点全年平均风速为1.32 m/s，极大风速平均值18.07 m/s，最大极大风速出现在6月，平均风速26.5 m/s，最小极大风速出现在12月，平均风速13.6 m/s，站点主导风向常年以北风为主，具体数据见表1。

表1 1981年1月—2010年12月52986号观测站点平均数据

2 膜面气流场仿真

2.1 模型建立

计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)是在质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程控制下对流体进行的数值模拟[22]。本文根据临洮县地势及风向特点，以52986号观测站点年平均风速1.32 m/s、年平均极大风速18.07 m/s、月平均极大风速26.5 m/s为仿真数据来源，以农户经验选择覆膜方向范围0°～90°的最小值、中间值、最大值为全膜双垄沟种床方向，即以正北方向为基准，以0°、45°、90°为种床方向，分别建立T1(0°)、T2(45°)、T3(90°)3个全膜双垄沟种床模型，模拟不同方位的膜面气流场。采用RNGk-ε湍流模型进行全膜双垄沟膜面气流场数值模拟，在SolidWorks中采用反向画法绘制全膜双垄沟三维模型(图3a)，将模型简化处理，膜面覆土视为表面光滑的整体，简化后另存为.x_t格式导入ANSYS Workbench Mesh模块中，将壁面重新命名为interface、outface和wall，采用适应性较强的非结构四面体网格对T1、T2、T3三维模型进行网格划分，同时对网格进行加密，膨胀层由项目自行控制，划分网格完成后以.msh格式导出[22]。其中T1模型共产生604 955个节点，3 484 834个网格；T2模型共产生414 165个节点，2 378 721个网格；T3模型共产生364 498个节点，2 092 202个网格，平均质量较好(图3b)。

图3 T1三维模型与CFD分析网格

2.2 参数设置

将T1、T2、T3模型.msh网格文件导入Fluent软件中，检查网格时没有负体积生成，可以进行流体域仿真计算[23]。设置仿真模型为RNGk-ε湍流模型，重力方向为Y轴负方向，将interface面设置为速度进口，进口速度分别为1.32、18.07、26.50 m/s，将outface设置为压力出口，出口压力为标准大气压，其他面均为绝热壁面，类型为wall，流体介质为空气，密度为1.2 kg/m3，黏度1.8×10-5Pa·s，残差精度10-3，最后设置仿真时间步长为50，每步时间长0.01 s，共计算0.5 s。

2.3 仿真结果分析

仿真计算完成后，将数据导入后处理软件Tecplot，得到不同风速下T1、T2、T3模型膜面气流场速度等值线云图(图4)。

图4 不同风速下T1、T2、T3模型膜面气流场速度等值线云图

由图4可知，在竖直平面内，当空气流速为1.32 m/s时，T1模型横腰带覆土表面及小垄沟覆土表面空气最大流速为1.6 m/s，大垄面覆土表面及大垄面、小垄面空气流速呈扇形逐渐向四周递减，最终趋于接近空气流速(图4a)；T2模型横腰带覆土表面空气最大流速为1.1 m/s，大垄面与小垄沟垄面空气流速向四周递减，且大垄面、小垄沟垄面左侧空气流速明显大于右侧空气流速，递减无规律，整个流体域内气流速度均小于空气流速(图4d)；T3模型横腰带覆土表面空气最大流速为1.8 m/s，同样逐渐向上空呈阶状递减，最终趋于接近空气流速(图4g)。当空气流速为18.07 m/s时，T1模型横腰带覆土表面空气最大流速为22 m/s，大垄面覆土表面及大垄面、小垄面空气流速呈扇形逐渐向四周递减，最终趋于接近空气流速(图4b)；T2模型横腰带覆土表面空气最大流速为20 m/s，大垄垄面与小垄沟垄面空气流速向四周递减，且大垄面、小垄沟垄面左侧空气流速明显大于右侧空气流速，递减无规律，整个流体域内气流速度均小于空气流速(图4e)；T3模型横腰带覆土表面空气最大流速为30 m/s，同样逐渐向上空呈阶状递减，最终趋于接近空气流速(图4h)。当空气流速为26.5 m/s时，T1模型横腰带覆土表面空气最大流速为30 m/s，大垄沟覆土表面及大垄面、小垄面空气流速呈扇形逐渐向四周递减，最终趋于接近空气流速(图4c)；T2模型横腰带覆土表面空气最大流速为30 m/s，大垄面与小垄沟垄面空气流速向四周递减，且大垄面、小垄沟垄面左侧空气流速明显大于右侧空气流速，递减无规律，整个流体域内气流速度均小于空气流速(图4f)；T3模型横腰带覆土表面空气最大流速为40 m/s，同样逐渐向上空呈阶状递减，最终趋于接近空气流速(图4i)。

综上所述，当空气流速恒定时，横腰带覆土表面空气最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大垄面覆土表面空气流速与标准空气流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知，当空气风速恒定时，T3模型膜面及覆土表面空气流速最大，T1模型影响次之，T2模型影响最小；气流与覆膜方向呈90°时，种床覆土受气流影响最大，发生大风揭膜现象概率最大，所需覆土质量最大，极易发生扬尘现象。故全膜双垄沟覆膜覆土时应避免气流与覆膜方向夹角过大，应在0°～45°依地形地貌合理选择。

3 膜面气流场与种床覆土互作过程仿真

3.1 CFD-DEM气固耦合模型建立

全膜双垄沟种床模型采用2.1节画法，对模型进行简化后采用相同方法划分网格，种床表面视为光滑地膜，无覆膜土壤(图5)。土壤颗粒形态主要有块状、核状、片状和柱状[24-25]，全膜双垄沟覆膜土壤经过旋耕机作用后土壤颗粒纤细、粒径较小，故土壤颗粒离散元模型全部采用球形颗粒，为减少仿真时间及计算负荷，在不影响仿真效率前提下，将全膜双垄沟覆膜土壤颗粒半径扩大10倍建模。

图5 全膜双垄沟种床三维模型

离散元物料属性包括泊松比、剪切模量、密度等，接触参数包括静摩擦因数、动摩擦因数、恢复系数等，文献[24-26]中土壤特征参数、土壤-土壤接触参数已确定，由文献[27]中可得地膜特征参数聚乙烯地膜泊松比为1.34，而泊松比随着物料的弹性程度增大而增大，离散元仿真时采用最大值0.5，土壤-地膜滑动摩擦因数由文献[24-26]确定，土壤-地膜静摩擦因数采用斜面法确定，恢复系数采用自由落体试验确定[28]。斜面法试验时将覆膜土壤放置在内衬厚度0.01 mm地膜的金属槽内，金属槽一端紧贴地面，另一端紧靠支撑架，并缓慢抬升金属槽，待覆膜土壤开始下滑时停止抬升金属槽并测量土槽与水平面夹角，重复10次试验后根据μ=tanθ计算得到土壤-地膜静摩擦因数平均值(图6a)。自由落体试验时覆膜土壤由450 mm高处自由落至地膜表面，使用高速摄像机记录土壤颗粒弹起高度(图6b)，恢复系数e计算公式为

图6 全膜双垄沟覆膜土壤-地膜静摩擦因数与恢复系数测定

(1)

式中v1——土壤颗粒碰撞前速度，m/s

v2——地膜碰撞前速度，碰撞前地膜静止不动，v2=0 m/s

v′1——土壤颗粒碰撞后速度，m/s

v′2——地膜碰撞后速度，碰撞后地膜静止不动，v′2=0 m/s

h——碰撞前土壤颗粒高度，mm

h′——碰撞后土壤颗粒弹起高度，mm

土壤颗粒与地膜接触参数如表2所示。

表2 EDEM中物料属性及接触参数

将T1、T2、T3三维模型另存为.x_t格式后导入EDEM，同时按照表2为T1、T2、T3模型新建材料并添加材料属性，在T1、T2、T3模型大垄垄面、小垄垄沟、横腰带覆土上方分别建立颗粒工厂，在Y轴负方向添加颗粒初始速度为0.5 m/s，同时增大计算域范围，根据文献[17-19]设置生成大垄面覆土颗粒质量19.3 kg，小垄垄沟覆土颗粒质量7.8 kg，横腰带覆土颗粒质量1.44 kg。

3.2 CFD-DEM气固耦合参数设置

气固耦合仿真时参照2.2节将T1、T2、T3模型.msh网格文件导入Fluent与EDEM软件中，依照2.3节、3.1节进行仿真参数设置。EDEM仿真过程中particles-particles、particles-geometry接触模型均采用Hertz-Mindlin无滑移接触模型，并添加removeparticles.dll文件。Fluent-EDEM耦合仿真时进行双向数据交换，二者仿真时间步长和数据保存间隔必须呈整数倍才能完成数据传递[29-30]，因此在EDEM计算时采用瑞丽时间的16.34%，时间步长为2×10-5s，数据保存间隔为0.01 s；Fluent中设置仿真时间步长为1×10-4s，每50个时间步长保存数据1次，共仿真10 000个时间步长，仿真时间为1 s。Fluent与EDEM仿真参数设置完成后开启EDEM耦合接口，在Fluent中加载udf耦合接口文件，连接成功后由Fluent控制仿真计算。

3.3 CFD-DEM气固耦合结果分析

CFD-DEM耦合仿真结束后，在EDEM后处理模块和CFD-Post后处理软件进行数据提取与分析。在CFD-Post后处理软件中导入Fluent计算结果文件，在T1模型中在Z轴500、1 250、2 000 mm处分别建立平行于XY平面的3个平面；在T2模型中在X轴-200、350、900 mm处分别建立平行于YZ平面的3个平面；在T3模型中在Y轴-550、0、550 mm 处分别建立平行于XZ平面的3个平面，并生成T1、T2、T3模型在3个平面上气流速度云图和矢量云图(图7)，并导出T1、T2、T3模型中间位置的3个平面各网格坐标的速度值。在EDEM后处理模块中显示T1、T2、T3模型土壤颗粒在1 s时刻的运动形态及所处位置(图8)，并导出随机选择的3组土壤颗粒运动坐标。将导出的数据在Excel中进行处理，得到1 s时刻，不同风速下T1、T2、T3模型覆土过程膜面土壤颗粒运动速度云图(图9)和气流场中移动曲线(图10)。

图7 不同风速下T1、T2、T3模型覆土过程膜面气流场速度云图与矢量图

图8 1 s时不同风速下T1、T2、T3模型覆土过程膜面土壤颗粒运动速度云图

图9 不同风速下T1、T2、T3模型覆土过程膜面横截面网格速度分布图

图10 不同风速下T1、T2、T3模型覆土过程膜面土壤颗粒受风力位移变化曲线

由图7a～7c、图9a可知，当风速为1.32 m/s时，T1模型3个截面中大垄面、小垄沟空气流速均为0.5 m/s，均小于空气流速，大垄面覆土表面空气流速趋于0.8 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于0.9 m/s，横腰带覆土区域空气流速为1.1～1.2 m/s，其余区域空气流速趋于1.4 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速稍有影响，气流分布与垄体形状基本吻合，气流速度呈现由垄面向四周扩散增长趋势；当风速为18.07 m/s时，T1模型3个截面中大垄面空气流速均为5 m/s，小垄沟空气流速均为4 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于6 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于10 m/s，横腰带覆土区域空气流速为11～13 m/s，其余区域空气流速趋于19 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速影响较大，气流分布与垄体形状吻合度较高，气流速度同样呈现由垄面向四周扩散增长趋势；当风速为26.5 m/s时，T1模型3个截面中大垄面、小垄沟空气流速均为10 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于24 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于24 m/s，横腰带覆土区域空气流速为18～24 m/s，其余区域空气流速趋于26 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速影响较大，气流分布偏离垄体形状，气流速度同样呈现由垄面向四周扩散增长趋势。

由图7d～7f、图9b可知，当风速为1.32 m/s时，T2模型3个截面中大垄面空气流速为0.6 m/s，小垄沟空气流速为0.2 m/s，均小于空气流速，大垄面与小垄沟间形成1个涡流，风速达到1.2～1.4 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于0.6 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于0.8 m/s，横腰带覆土区域空气流速为1.0～1.2 m/s，其余区域空气流速趋于1 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速稍有影响，气流路径受垄面起伏的影响，流速分布不均，与垄体形状有差异，气流速度呈现由垄面向四周扩散增长趋势；当风速为18.07 m/s时，T2模型3个截面中大垄面空气流速为12 m/s，小垄沟空气流速为8 m/s，均小于空气流速，大垄面与小垄沟间形成1个涡流，风速达到14～18 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于12 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于8 m/s，横腰带覆土区域空气流速为8～12 m/s，其余区域空气流速趋于14 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速影响较大，气流路径受垄面起伏的影响，流速分布不均，与垄体形状差异较大，气流速度同样呈现由垄面向四周扩散增长趋势；当风速为26.5 m/s时，T2模型3个截面中大垄面空气流速为15 m/s，小垄沟空气流速为5 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于15 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于20 m/s，大垄面与小垄沟间形成1个涡流，风速达到20～25 m/s，覆土表面空气流速趋于15～20 m/s，横腰带覆土区域空气流速为15～20 m/s，其余区域空气流速趋于20 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速影响较大，气流路径受垄面起伏的影响，流速分布不均，与垄体形状差异较大，气流速度同样呈现由垄面向四周扩散增长趋势。

由图7g～7i、图9c可知，当风速为1.32 m/s时，T3模型3个截面中大垄面空气流速为1 m/s，小垄面空气流速为1.8 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于1.0～1.2 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于0.4～0.8 m/s，横腰带覆土区域空气流速为1.6～1.8 m/s，其余区域空气流速趋于1.4 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速稍有影响，气流分布与大垄垄体形状呈相似状，气流速度呈现由垄面向四周扩散增长趋势；当风速为18.07 m/s时，T3模型3个截面中大垄面空气流速为22 m/s，小垄面空气流速为30 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于20～22 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于6～10 m/s，横腰带覆土区域空气流速为14～18 m/s，其余区域空气流速趋于22 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速影响较大，气流分布与大垄垄体形状呈相似状，气流速度呈现由垄面向四周扩散增长趋势；当风速为26.5 m/s时，T3模型3个截面中大垄面空气流速为35 m/s，小垄面空气流速为45 m/s，大垄面覆土表面空气流速趋于25～35 m/s，小垄沟覆土表面空气流速趋于10～25 m/s，横腰带覆土区域空气流速为25～45 m/s，其余区域空气流速趋于30 m/s，整个覆土过程中大垄面、小垄沟土壤颗粒对空气流速影响较大，气流分布与大垄垄体形状呈相似状，气流速度呈现由垄面向四周扩散增长趋势。

由图8a～8c、图10a可知，当风速为1.32 m/s时，T1模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动较小，土壤颗粒移动最大距离为3.8 mm，最小移动距离为0.004 mm，横腰带覆土、大垄面覆土、小垄沟覆土颗粒移动时沿垄面或垄沟移动；当风速为18.07 m/s时，T1模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动较大，土壤颗粒移动最大距离为51.6 mm，最小移动距离为0.6 mm，少量横腰带与大垄面覆土边缘土壤颗粒被吹至小垄沟内，随部分小垄沟土壤颗粒沿垄沟移动；当风速为26.5 m/s时，T1模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动最大，土壤颗粒移动最大距离为182.85 mm，最小移动距离为0.71 mm，大部分横腰带覆土与大垄面覆土边缘土壤颗粒被吹至小垄沟内，随部分小垄沟土壤颗粒沿垄沟移动。

由图8d～8f、图10b可知，当风速为1.32 m/s时，T2模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动较小，土壤颗粒移动最大距离为1.86 mm，最小移动距离为0.07 mm，横腰带覆土、大垄面覆土颗粒移动时流向小垄沟内；当风速为18.07 m/s时，T2模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动较大，土壤颗粒移动最大距离为132.67 mm，最小移动距离为0.006 mm，少量横腰带覆土、大量大垄面迎风面覆土土壤颗粒被吹至小垄沟内，并在小垄沟内堆积；当风速为26.5 m/s时，T2模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动最大，土壤颗粒移动最大距离为298.46 mm，最小移动距离趋于0 mm，大量横腰带覆土、大垄面迎风覆土和小垄沟内覆土土壤颗粒被吹至相邻小垄沟内，并在小垄沟内堆积，导致大垄面与小垄沟覆土量趋于零。

由图8g～8i、图10c可知，当风速为1.32 m/s时，T3模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动较小，土壤颗粒最大移动距离为4.12 mm，最小移动距离为0.004 mm，横腰带覆土、大垄面覆土、小垄沟覆土颗粒移动时沿垄面或垄沟移动；当风速为18.07 m/s时，T3模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动较大，土壤颗粒移动最大距离为164.94 mm，最小移动距离为0.75 mm，少量横腰带覆土、大量大垄面迎风面覆土土壤颗粒被吹至小垄沟内，并在小垄沟内堆积；当风速为26.5 m/s时，T1模型中气流对覆土过程中土壤颗粒扰动最大，土壤颗粒移动最大距离为433.83 mm，最小移动距离为1.55 mm，大量横腰带覆土、大垄面迎风面覆土和小垄沟内覆土土壤颗粒被吹至相邻小垄沟内，并在小垄沟内堆积，导致大垄面与小垄沟覆土量趋于零。

综上所述，当空气流速恒定时，覆土过程中种床及颗粒对气流影响程度由大到小依次是T3、T1、T2，气流对颗粒影响程度由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知，当空气风速恒定时，T3模型膜面覆土受气流影响最大，膜面覆土移动距离最大，大量横腰带覆土、大垄面迎风面覆土和小垄沟覆土土壤颗粒被吹至相邻小垄沟内或空气层，产生土壤颗粒在小垄沟内堆积、扬尘现象，致使大垄面与小垄沟覆土量趋于零，种床覆土构建失效，引起保墒效果不理想、大风揭膜等现象，影响作物生长及经济效益。

4 全膜双垄沟种床构建方位优化

4.1 速度方向对种床方向的影响

种床覆土表面流场分析表明：当空气流速恒定时，横腰带覆土表面空气最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大垄面覆土空气流速与标准空气流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。种床覆土过程分析表明：当空气流速恒定时，整个覆土过程中种床及土壤颗粒对气流影响程度由大到小依次是T3、T1、T2，气流对颗粒影响程度由大到小依次是T3、T1、T2。可知T3模型种床及覆土表面气流速度最大，所受气流影响最大，所需覆土质量最大，大风揭膜概率最大，膜面覆土移动距离最大，横腰带覆土、大垄面覆土及小垄沟覆土被气流吹向相邻垄沟或空气层概率最大，易形成扬尘，致使大垄面与小垄沟覆土量趋于零，种床覆土构建失效，引起保墒效果不理想、大风揭膜等现象，影响作物生长及经济效益。同时大垄面覆膜交接点极易渗入气流，引起大风揭膜现象，影响作物生长，危及经济效益。覆膜覆土作业时应避免采用T3模型。种床构建失效形式如图11所示。

图11 T1、T2、T3模型种床覆土过程失效形式

4.2 太阳光照对种床方向的影响

土壤热量主要源自太阳辐射能，高纬度地区由于太阳斜射，全膜双垄沟种床单位面积接受太阳辐射能少，种床构建时应选择接受太阳辐射能最大的方向为宜[31]。临洮县位于35°03′42″～35°56′46″N，以单日13时太阳辐射最大为例，可知T1、T2、T3模型种床接受太阳辐射能总量由大到小依次是T1、T3、T2；同时不同地理方位的种床温度有所差别，南坡(向阳坡)受太阳辐射能最多，种床温度较高，北坡(背光坡)受太阳辐射能最少，种床温度较低。

4.3 覆膜利用率对种床方向的影响

近年来，国家为提高土地利用率和实现机械化，加速了土地流转和梯田化进程，临洮县南北狭长，地势由东南向西北倾斜，不同的全膜双垄沟种床构建方向对耕地利用率、种床构建效率、作物产量、经济效益等有着较大影响。以上述指标为判断依据，种床构建方向对南北走向耕地适宜程度由大到小依次是T1、T3、T2；对东西走向耕地适宜程度由大到小依次是T3、T1、T2。而T2模型适用于小面积、不规则耕地。

综上所述，考虑空气风速风向、太阳辐射能、耕地利用率、种床构建效率及质量、作物产量、经济效益等影响，全膜双垄沟种床构建过程应遵循种床覆土位移最小、太阳辐射能最大、构建效率最快、受太阳辐射能最多、南坡(向阳坡)耕地优先、南北走向耕地优先原则。因此，全膜双垄沟种床构建时优先采用模型依次是T1、T2、T3。

5 田间试验

5.1 试验条件

全膜双垄沟膜面气流场与种床覆土互作过程田间试验在甘肃洮河拖拉机制造有限公司农机装备工程中心试验田内进行，试验场地面积为0.60 hm2，地势平坦，南北走向，土壤为黄绵土，含水率14.6%～15.9%，试验时刻为13：00，地表温度5.99℃，近地表空气风速2.77 m/s，风向为北风，试验场地按照全膜双垄沟种床构建农艺要求，使用起垄覆膜机按照T1、T2、T3模型进行覆膜覆土作业，对作业过程及作业后模型进行性能试验验证，选用地膜为甘肃省政府招标白色地膜，厚度为0.01 mm。

5.2 试验方法

按照 NY/T 986—2006《铺膜机作业质量》和DB62/T 1935—2010《全膜双垄沟铺膜机操作规程及作业质量验收》标准要求，测定T1、T2、T3模型横腰带覆土合格率、大垄面覆土合格率、小垄沟覆土合格率、覆膜效率、耕地利用率和采光面积占有率。测试区域宽度为22 m，长度20 m，经人工钢尺测量得到各组数据，采用测定小区的平均值为测试结果，田间试验如图12所示。

图12 田间试验

5.3 试验结果

结合甘肃省全膜双垄沟覆膜种床构建特点，大垄面覆土宽度为90～110 mm，小垄沟覆土宽度35～45 mm，横腰带覆土宽度90～110 mm，覆土厚度20～30 mm，覆膜效率和采光面积占有率以最大平均值为宜[5-6,19]。起垄覆膜机覆膜作业后，人工测量并计算得出各试验数据。按照试验所定标准，计算得出横腰带覆土合格率、大垄面覆土合格率、小垄沟覆土合格率、覆膜效率、耕地利用率、采光面积占有率等平均值。试验结果如表3所示。

表3 试验结果

样机作业过程中，机具运行平稳，由试验结果可知该试验满足全膜双垄沟种床构建的作业质量和标准要求。当空气流速较低对种床覆土过程影响较小，但不同的模型对后续工序和植株生长影响较大，平均种床合格率由大到小依次是T2、T1、T3，而覆膜效率、耕地利用率、采光面积占有率由大到小依次是T1、T3、T2。因此，综合各因素影响程度，全膜双垄沟种床构建时优先采用模型依次是T1、T2、T3，试验结果与仿真模拟结果完全一致，相互验证了模型的可靠性。

6 结论

(1)为进一步提升全膜双垄沟种床构建质量，合理膜面覆土及减少扬尘，探究膜面覆土与气流间互作规律，本文以甘肃省定西市临洮县境内52986号气象观测站点1981年1月至2010年12月的年平均风速1.32 m/s、年平均极大风速18.07 m/s、月平均极大风速26.50 m/s为仿真数据来源，以正北方向为基准，以农户经验选择覆膜方向范围0°～90°的最小值、中间值、最大值为全膜双垄沟种床方向，分别建立T1(0°)、T2(45°)、T3(90°)3个全膜双垄沟种床模型，采用CFD-DEM气固耦合技术，通过离散元颗粒表征土壤颗粒，得出不同风速、不同方向下全膜双垄沟种床覆土与气流场间的互作机制，综合空气流场、太阳辐射能、耕地利用率对全膜双垄沟种床构建的影响，对其构建方法进行了优化，最后进行了田间验证试验。

(2)种床覆土表面流场分析表明：当空气流速恒定时，横腰带覆土表面空气最大流速由大到小依次是T3、T1、T2，大垄面覆土空气流速与标准空气流速差值由大到小依次是T3、T1、T2。种床覆土过程分析表明：当空气流速恒定时，整个覆土过程中种床及土壤颗粒对气流影响程度由大到小依次是T3、T1、T2，气流对颗粒影响程度由大到小依次是T3、T1、T2。由此可知T3模型种床及覆土表面气流速最大，所受气流影响最大，膜面覆土移动距离最大，易形成扬尘，同时大垄面覆膜交接点极易渗入气流，引起大风揭膜现象，影响作物生长，危及经济效益。

(3)优化后的种床构建方法应遵循种床覆土位移最小、太阳辐射能最大、构建效率最快、南坡(向阳坡)耕地优先、南北走向耕地优先原则，优先采用模型依次是T1、T2、T3。田间试验结果表明：当空气流速为2.77 m/s、风向北风时，平均种床合格率由大到小依次是T2、T1、T3，覆膜效率、耕地利用率、采光面积占有率由大到小依次是T1、T3、T2，试验结果与仿真模拟结果完全一致，相互验证了模型的可靠性，本文可为全膜双垄沟种床构建提供参考。