侧深施肥装置三通管气固两相流仿真与试验

陈威 王川 王丽伟 张瑾 王伟 卢碧芸

摘要：为探究气吹式侧深施肥装置三通管不同结构特征对气流和肥料颗粒运动的影响，通过理论分析，设计气流入口与出口轴线垂直的a型三通管、气流入口与出口轴线呈45°夹角的b型三通管、气流入口与出口同轴的c型三通管。在三通管内径为28 mm、通入气流速度为16.4m/s、肥料颗粒流量为20 g/s的条件下，采用CFD-EDM耦合方式对不同管道内气流、压力、颗粒运动状态进行仿真分析。结果表明：气流经a、b、c三种类型三通管产生不同的流动效果，进而影响肥料颗粒运动特性，颗粒最大运动速度分别为1.99 m/s、2.94 m/s、2.07 m/s，期间颗粒产生最大碰撞力分别为0.05 N、0.13 N、0.34 N。通过验证试验对比表明，采用b型管侧深施肥装置排肥稳定性变异系数为0.81，肥料破损率为0.72%，施肥过程中无肥料堵塞。

关键词：水稻侧深施肥；气吹式；三通管；气固两相流；仿真分析

中图分类号：S224.21  文献标识码：A  文章编号：2095-5553 （2024） 03-0074-07

Simulation and experiment of gas-solid two-phase flow in three-way pipe of side deep fertilization plant

Chen Wei， Wang Chuan， Wang Liwei， Zhang Jin， Wang Wei， Lu Biyun

（Agricultural Engineering Research Institute， Anhui Academy of Agricultural Sciences， Hefei， 230001， China）

Abstract：

In order to explore the influence of different structural characteristics of the three-way pipe of the air-blown side deep fertilization device on the movement of air flow and fertilizer particles， the a-type three-way pipe perpendicular to the axis of the air flow inlet and outlet， the b-type three-way pipe with a 45° angle between the axis of the air flow inlet and outlet， and the c-type three-way pipe with the air flow inlet and outlet coaxial are designed through theoretical analysis. Under the conditions that the inner diameter of the tee pipe is 28 mm， the inlet air velocity is 16.4 m/s and the flow rate of fertilizer particles is 20 g/s， the CFD-EDM coupling method is used to simulate and analyze the flow， pressure and particle motion state in different pipes. The results showed that the air flow through the three types of tee pipes a， b and c produced different flow effects， and then affected the movement characteristics of fertilizer particles. The maximum movement velocity of particles was 1.99 m/s， 2.94 m/s and 2.07 m/s， respectively， and the maximum impact force of particles was 0.05 N， 0.13 N and 0.34 N， respectively. Through the verification test， the comparison showed that the variation coefficient of fertilizer discharge stability was 0.81 and the fertilizer breakage rate was 0.72% with the b-tube side deep fertilization device， there was no fertilizer blockage in the fertilization process.

Keywords：rice side-deep fertilization; air-blown; three-way pipe; gas-solid two-phase flow; simulated analysis

0 引言

水稻是我國主要粮食作物之一，2022年全国水稻种植面积占粮食作物播种总面积的24.88%，水稻产量占粮食总产量的30.37%［1］。水稻种植过程中施肥是重要环节，与传统的人工撒肥或机械抛肥相比，水稻侧深施肥技术能将肥料一次性准确、定量地施在水稻根部侧深位置，减少施肥次数，增大肥料利用率，达到节本增效、降低污染的效果［24］。当前水稻侧深施肥装置按照排肥方式可分为强制排肥和气吹输肥两种方式，气吹式侧深施肥装置因结构简单、容易操作，能够解决水稻侧深施肥过程中肥料遇湿潮解产生管道堵塞问题被广泛接受［5］。目前相关学者对气吹式侧深施肥装置三通管结构做了很多研究，王金峰［4］、左兴健［6］等在设计水稻侧深施肥装置时都采用了三通管部件，但未单独对三通管工作效果做更多介绍。Zha等［7］在对水稻机插施肥装置的研究中也采用了三通管部件，但更多的是对风源侧放、中置、集中分配三种气流分配方式效率比较。高观保［8］、吴苗苗［9］采用气固两相流数学模型，对排肥轮下壳体三通管在不同的仿真条件下产生的气流速度与颗粒运动的情况进行分析，得出最优结构参数，并通过试验验证了理论分析的正确性。胡辰等［10］通过对气固混合腔不同直径和不同肥料入口角度的仿真分析，设计出的三通管经过田间试验达到较好的工作效果。

本文结合气吹式水稻侧深施肥的农艺要求，开展对常用三通管的结构设计，通过理论分析和CFD-EDM耦合的方法对气料混合过程进行模拟仿真，探究三通管不同的结构特征对气流、压力和肥料颗粒运动的影响，并对比分析三种结构类型的三通管工作效果。

1 整机结构与工作原理

通过对水稻侧深施肥过程中常见问题的研究分析，设计的气吹式水稻侧深施肥装置需要有效携带肥料颗粒高速流动，对水泥漫灌导致的肥料潮解、堵塞问题有较好的适用性。整机主要由肥料箱、电机、排肥器、风机、风道、排肥管、开沟器等部件组成，结构如图1所示。气吹式水稻侧深施肥装置工作行数为6行，配合高速插秧机作业速度为0.7～1.2m/s，作业幅宽为1.8m。

在工作过程中，肥料箱中的肥料在重力的作用下充满排肥轮，电机带动排肥轮轴转动，肥槽中的肥料经自由落体落入三通管肥料入口。此时鼓风机工作，气流经主风道进入各个三通管进风口，肥料和气流在三通管内进行二相混合，高速气流携带肥料颗粒经三通管的出口进入排肥管内，排肥管出口位于锲型开沟器的后方，在开沟器开出肥沟后，肥料经气流吹进肥沟，经覆土后完成侧深施肥作业。

2 气力输送系统设计

2.1 结构设计

气吹式输送系统的设计关系到气流能否顺利地将肥料送到指定位置的关键，是实现水稻侧深稳定施肥的重要方式之一，能够避免水田泥水倒灌造成肥料黏结在排肥管末端形成堵塞，造成施肥断行。按照侧深施肥装置的结构特点，设计的气力输送系统结构如图2所示，风机位于主风道的一端，6支三通管的入风口与主风道相连接。

依据文丘里效应对三通管的结构设计，主要包括气流入口、肥料入口、气固混合物出口和喉部特征4部分组成。在气流入口通道有上部收缩产生的喉部特征，气流经过喉部特征在文丘里效应的作用下，在肥料进口处产生一定的负压，负压气流携带肥料颗粒加速运动，气流与肥料的混合物向三通管出口处流动，进入排肥管内。相关学者对气吹式水稻侧深施肥装置做了大量工作［4， 6］，但對于相同工作条件下，不同结构特征的三通管工作效果缺少对比分析，按照文丘里效应理论结合常见的三通管模型设计出a、b、c三种不同结构的三通管如图3所示。

2.2 参数设计

气力输送系统中管道的结构特征、气流速度、风量的大小以及混合浓度比等参数都会影响到作业效果，且参数之间相互影响，具有一定的内在联系［11， 12］。三通管所在的气吹系统与高速插秧机配合使用，考虑到水田特殊工作条件，设插秧机的平均工作速度为1 m/s，工作幅宽为1.8m，施肥量450 kg/hm2，则肥量输送率

W=Q1Bv10 000×3 600（1）

式中：Q1——单位面积施肥量，450 kg/hm2；B——机具工作幅宽，1.8m；v——机具的工作速度，1 m/s。

通过式（1）计算得肥量输送率为291.6 kg/h。

在气吹系统中为保证肥料能够在管道中顺利输送，不产生堵塞，需要合适的气固混合物的浓度比，气固混合浓度比过大会导致输送压力损失增大，更易导致肥料在管道内堵塞。由于气吹式水稻侧深施肥装置压力源较低，取气固混合浓度比为1.2［4， 12］。利用式（2）可计算出气力系统中所需要的输送风量Q2为202.5m3/h。在气力系统中，考虑到漏风现象难以避免，因此实际输送风量不小于202.5m3/h，增加10%的余量，取整为220 m3/h。

Q2=Wγρ（2）

式中：γ——气固混合浓度比，1.2；ρ——空气密度，1.2 kg/m3。

在气力输送系统的设计过程中，输送气速过高会增加功耗以及肥料磨损，过低容易导致肥料阻塞，肥料的悬浮速度是确定输送速度的重要依据［12， 13］。对物料悬浮速度的确定通常由公式计算法和试验法得出，肥料颗粒高度近似于球形，空气阻力受气流方向影响较小，适合用公式计算法［13］。以史丹利复合肥为材料，肥料颗粒平均直径为3.2mm，密度为1 511 kg/m3，阻力系数取0.44［14］，则由式（3）可计算出颗粒的悬浮速度vf为10.93 m/s。将计算出的颗粒悬浮速度代入式（4），可得出系统输送气速v0为16.40 m/s。

vf=4g3·ds（ρs-ρ）Cρ（3）

式中：g——重力加速度，9.81 m/s2；ds——肥料颗粒直径，3.2mm；ρs——肥料颗粒密度，1 511 kg/m3；C——阻力系数，0.44。

v0=K·vf（4）

式中：K——速度系数，K值大小与物料浓度和管道复杂程度有关，本文取1.5［12］。当已知输送气速和风量时，总管道内径的大小可用式（5）计算得出。

d1=4Q23 600πv0（5）

其中主风道的内径d1用所需输送风量Q2为220 m3/h、系统输送气速v0为16.40 m/s，将参数代入式（5），得出主风道的内径为68.90 mm，为方便安装配合，对结果进行取整d1=70 mm。假设系统在工作过程中总风量不变，则6个分风管的风量Q3为主风管的1/6，将Q3带入式（5），可得出三通管内径d2为28.13 mm，对结果取整后得d2=28 mm，管道外径D取32 mm，进口与出口间长度L为150 mm。根据文丘里效应，为使气流经三通管落料口处产生负压，管道进风口内部上半部有向下收缩产生的喉部特征，收缩角度α为21°［4， 6］。文丘里效应是指气流流动受限时，气流的速度会随着截面积收窄而变大，管道内流速增加伴随着气压的降低，在喉部产生一定的负压，使其产生吸附效果，因此喉部通道高度小于进气口直径。王金峰［4］、左兴健［6］、高观保［8］等设计的三通管喉管高度均大于入口直径的1/2，因此取b1为17 mm。

流体在管道内运动时存在层流和湍流两种状态，可根据雷诺数的大小进行判断，当雷诺数Re<2 300时为层流，Re>8 000时为湍流。雷诺数的计算公式如式（6）所示。通过计算雷诺数Re>8 000，该仿真选择为湍流模型。

Re=ρV0d2μ（6）

式中：V0——气体速度，16.4m/s；μ——空气动力黏度，1.81×10-5 Pa·s。

3 CFD-DEM耦合仿真

3.1 CFD-DEM仿真设计

三通管是气吹系统中重要的组成部件，直接影响肥料下落的效果。为在理论上描述气流和肥料在三通管内的运动规律，采用离散元法和流体运动力学相融合的方式对该过程进行模拟仿真，CFD-DEM耦合仿真是研究多相流和结构优化的重要工具，需要的经验参数少，能方便得到流场和颗粒运动参数，被广泛应用于农业工程领域研究颗粒在气流场中的运动状态以及系统的流场特性［15］。邢凯等［16］用CFD-DEM耦合的方式对播种机分配器排种性能进行仿真分析，结合试验验证出仿真的合理性。郭晓冬［5］、吴苗苗［9］等曾对喉管不同的截面形状进行CFD-DEM耦合仿真分析，一致得出由水力直径大小确定的半径为13.5mm、弦长为22.5mm的弓形喉管通道性能更好。本文选用弓形喉管截面，借用CFD-DEM模拟仿真法对不同结构的三通管工作情况进行对比分析。

利用NX10.0软件对三通管进行三维建模，将模型转成.step格式后导入ICEM CFD 200R2中进行网格划分。在网格划分中采用八叉树方法生成四面体类型的非结构化网格，因其划分简单、可控性好被广泛使用［17， 18］，网格最大尺寸为3 mm，5层边界层。a、b、c三种结构的三通管生成网格数量在200 000左右，网格质量均在0.3以上，基本满足仿真要求。求解器选用基于压力的瞬态方式，在边界条件设置中将三通管的气流入口和出口分别设置为速度入口和压力出口，壁面设置为无滑移边界条件。运用标准k-epsilon模型对三通管通道进行模拟计算，在CFD-DEM耦合过程中，选择DDPM耦合方法。采用标准初始化的方式，从全局进行计算。

3.2 仿真参数设置

在EDEM中用圆形小球代替肥料颗粒，因为肥料之间表面光滑几乎无黏附力，在接触模型中选择Hertz-Mindlin （no slip）对肥料颗粒进行模拟［13， 19］。离散元仿真中肥料颗粒与材料的本征参数、接触参数参考文献［12］进行设置，如表1所示。

根据台架试验排肥轮工作时，水稻侧深施肥装置排肥器肥料下落速率在12.5～55 g/s之间，为控制变量，减小肥料颗粒落速率对肥料在三通管内的运动会产生影响，取落料速率为20 g/s，为模拟真实肥料颗粒直径分布，设置颗粒直径为3.2mm的存在50%，3 mm、3.4mm的颗粒直径各存在25%，将气流入口、肥料入口、出口均设为虚拟，颗粒工厂设置在三通管肥料进口处，初始下落速度设为1.2m/s进行仿真。通过式（4）理论计算，三通管气流入口风速设置为16.4m/s，在标准大气压下进行仿真。

4 仿真结果与分析

4.1 结构特征对气流速度和压强的影响

为对比气流在不同结构三通管内的流动情况，按照参数设置在Fluent中对管道内的流场和压力场仿真结果进行分析。图4是相同条件下不同结构管道气流速度的分布情况云图，从图4可以看出，不同的结构特征对流场的影响很大。从入口到喉部之间，氣流速度变化平稳，在经喉部收缩后气流速度急剧增加，并在喉部产生速度的最大值。其中b型管速度最大值为35.39 m/s，c型管产生的最大速度为30.69 m/s，a型管最大速度为28.83 m/s，这与a型管中气体直接撞击管壁上有关，气体在撞击管壁后沿肥料运动方向上产生两个分速度，其中向上的分速度与肥料颗粒下落相反；b型管沿肥料下落方向有45°夹角，气流经加速后与管道内壁触碰产生的速度损失较小，在肥料运动方向上的分速度较大，但在与颗粒运动相反的方向上也产生小范围流场；c型管中气体经喉部加速后在混合物流出管道底部形成一条稳定的高速流场，管道上半产生的气流很小。

图5是相同条件下不同管道的压力分布云图，在气流入口处的压力都明显大于肥料入口处压力，在经过喉部时压力急剧减小，并产生一定的负压区。在a型管中，位于气流通道正对的内壁上产生局部高压，与b型管对比可知，这是由于气体垂直撞击到管壁上流动受阻产生的局部高压，其中b型管气流与管壁呈45°接触，产生高压区面积和最大值均小于a型管，在肥料下落管道内形成大片负压区，有利于肥料颗粒顺利下落，但小范围的高压区也会对颗粒的下落过程产生不利的影响。c型管产生的负压区分布均匀，负压值较小，在颗粒入口和混合物出口处压值近似，与a型管、b型管对比可发现气流运动受阻会产生不稳定的压力场以及局部高压。

4.2 结构特征对肥料颗粒运动的影响

图6为CFD-DEM耦合过程中肥料颗粒在管道内运动分布图，其中箭头代表颗粒的运动方向，颗粒以1.2m/s的速度进入管道内部，在重力的作用下均有加速的过程。

a型管内部分颗粒在下落过程中存在速度降低的现象，结合图4速度云图可知是与气流在向上产生的分速度有关，阻碍颗粒下落运动。b型管颗粒运动加速过程均匀，颗粒运动轨迹与气流速度云图具有高度的一致性，表明气流能够携带颗粒运动。c型管中颗粒在重力的作用下有一段加速过程，在颗粒撞击到管壁后造成速度大量损失，部分颗粒产生弹跳现象。之后在气流的作用下颗粒有较大的加速过程，最后以较高的速度流出管道。

在EDEM软件中，对仿真趋于稳定的时间段内，存在于三种不同结构管道内的肥料颗粒各选取5个计算速度平均值，对比三种管道对颗粒运动速度的影响。由于肥料颗粒在管道内运动时间各不相同，采集到的速度点少，采用Origin2017对数据进行线性插值法处理，时间设为0～0.25 s，并生成颗粒速度变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，颗粒的初始速度均在1.2m/s，在重力的作用下都有一段加速过程，通过斜率可看出b型管内颗粒加速最大，c型管道次之，a型管最小，参照图4可知由于a型管内上下两个分气流，分别对颗粒运动产生抑制和加速的过程，颗粒流出管道的速度1.99 m/s；b型管内颗粒运动加速过程相对稳定，颗粒流出管道的速度2.94 m/s；c型管颗粒由于自由下落存在一段时间加速过程，在撞击到管道内壁后速度急剧减小，速度最小值为1.08 m/s，在管道气流的作用下颗粒速度逐渐增加，流出管道时的速度为2.07 m/s。对比三条曲线颗粒的初始加速过程可得出，在此条件下b型管内颗粒在重力和负压气流的双作用下具有较高的加速状态，且加速过程相对稳定，更有利于肥料获取更大的运动速度，有效避免因水田泥水上涌排肥管道造成肥管堵塞的发生。

在仿真试验中，气流对肥料颗粒运动有明显的促进作用，但过高的颗粒速度易与管壁产生强烈的碰撞，导致颗粒破损，影响施肥效果。通过EDEM后处理得到，a型管、b型管、c型管中颗粒受到的最大碰撞力（表2）分别是0.05 N、0.13 N、0.34 N，由于碰撞时速度不同，方式不同，产生的碰撞力大小不同。在a型管中，气流流向与颗粒运动方向为同一轴线，对颗粒运动路径改变较小，与管壁碰撞少，力度小；b型管中的颗粒在重力和气流的作用下，自由落体运动发生偏移与管壁产生碰撞；c型管中颗粒在经前期一定时间的自由落体，与管壁产生碰撞，产生较大的碰撞力，这与图6中颗粒运动变化具有一致性。

5 试验验证

5.1 试验方案

为验证仿真分析的合理性，利用水稻侧深施肥装置对三种结构的三通管进行排肥性能試验。试验采用史丹利复合肥，肥料千粒重为23.94 g。试验以30 s为一个周期［20］，采用分度值为0.01 g的电子秤记录肥料重量，分度值为0.1m/s的风速检测仪测量风速的大小，重复5次，取平均值。在对颗粒破损统计中，王磊等［20］用筛网筛出粒径小于3 mm的肥料颗粒作为破损肥料，这种方式对肥料粒径标准化要求较高。试验采用0.047 mL容器对下落的肥料随机称取，将表面有破损肥料分离称重，计算出肥料破损率。

为进一步验证在泥水环境下的防堵效果，将设计的三种结构的三通管分别安装于气吹式水稻侧深施肥装置上，配合井关PZ60D高速插秧机，在阜阳市颍上县进行大田试验。作业时插秧机行进速度控制在1 m/s，理论施肥量450 kg/hm2，插秧机一个往复作业为一次试验，作业面积为85 m×3.6m，其中3.6m为两个施肥幅宽，共进行5次。

5.2 结果分析

试验结果如表3所示，气流经三种不同结构的三通管（a型、b型、c型）到达排肥管出口处，经管道沿途能量损失，气流在排肥管出口处平均速度分别为8.58 m/s、16.24 m/s、15.50 m/s，结合图4分析可知，这与三通管结构和排肥通道的结构特征有关。三种不同类型的三通管对施肥稳定性影响相差不大，但气流携带颗粒运动速度不同，导致肥料破损率产生差异，其中a型管中颗粒破损较小与气流作用力较小有关，c型管颗粒破损率较大，这与柯烩彬等［21］在再生稻气力式肥料集排装置试验中提到颗粒在经过90°弯管时产生颗粒碰撞会增加颗粒的破损和管壁磨损的结论具有一定的相似性。在泥水的环境下，a型管产生的分气流阻碍颗粒下落，增加了肥料与泥水黏结堵塞概率；c型管肥料在90°弯管处不能及时被风吹走，易产生管内堆积，造成颗粒速度减缓在管壁黏结。在水田试验结束时，将排肥管剖开对比发现b型管试验组肥料颗粒在管壁内黏结较少，具有良好的防堵性能。

6 结论

1）  通过前期理论分析，借助CFD-DEM模拟仿真，分析了三种管道内气流、压强分布，以及肥料颗粒在管道内流动、受力情况。喉管特征对气流有明显的加速过程，并在喉管处产生一定的负压区，但不同结构的三通管对气体的气流场、压力场分布以及颗粒的运动状态有显著的影响。

2）  由于三通管道结构不同对气流运动方向和大小产生不同的影响，进而对肥料颗粒运动状态产生不同的作用。经三种不同结构的三通管（a型、b型、c型）肥料颗粒最大运动速度分别为1.99 m/s、2.94 m/s、2.07 m/s；最大碰撞力分别为0.05 N、0.13 N、0.34 N。

3）  在试验验证中，分析了三种不同结构的三通管对排肥性能的影响，结果表明，验证试验结果与仿真结果具有较高的一致性。其中b型三通管结构排肥管出口平均风速为16.24 m/s、稳定性变异系数为0.81，肥料破损率为0.72%，在泥水环境下不易堵塞，具有较好的工作性能。

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基金項目：国家重点研发计划子课题（2022YFD2301400）；安徽省农业科学院科研团队项目（2022YL033）

第一作者：陈威，男，1994年生，安徽亳州人，硕士，研究实习员；研究方向为农业装备。E-mail： 1807473956@qq.com

通讯作者：王川，男，1978年生，安徽桐城人，硕士，副研究员；研究方向为农业装备。E-mail： 06wangchuan@163.com