李衍軍 劉友華 劉立晶,2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083； 2.土壤-植物-機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

氣送式排種方式有利于播種機(jī)的配置，目前廣泛應(yīng)用于大型播種機(jī)[1-6]。氣送式排種系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、種箱、集中式排種器、過(guò)渡輸種管、導(dǎo)流管、分配器及輸種管等組成，各部分均會(huì)對(duì)排種性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而氣送式排種系統(tǒng)直接影響氣送式播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。雷小龍等[7-8]研究了集排器的傾角及轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響；楊慧[9]、彭傳杰等[4]研究了集排器排種輪有效長(zhǎng)度對(duì)排種性能的影響，且通過(guò)試驗(yàn)得出了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系；DANIEL[10]、WANG等[11]分別對(duì)導(dǎo)流管的管徑和形狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改變進(jìn)出口管徑及采用橢圓形窩眼可提升種子分布均勻性；秦軍偉等[12-13]設(shè)計(jì)制造了Ⅰ型分配器；戴億政等[14]在設(shè)計(jì)一種適用于氣力集排式水稻直播機(jī)的分種器時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸種管長(zhǎng)度影響分種效果，但僅試驗(yàn)了1.5 m和2.8 m兩個(gè)水平。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)氣送式播種機(jī)輸種管的研究較少，而在食品工程[15-17]、化工[18-20]等領(lǐng)域，前人開展了不同管道長(zhǎng)度對(duì)物料運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯?。在氣送式排種系統(tǒng)中輸種管長(zhǎng)度會(huì)對(duì)排種性能產(chǎn)生影響。對(duì)于大型氣送式播種機(jī)而言，機(jī)具的寬幅特性導(dǎo)致輸種管長(zhǎng)度很難保持一致。

本文針對(duì)氣送式排種系統(tǒng)輸種管管內(nèi)氣流在不同長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)頻率下的變化開展試驗(yàn)研究，分析長(zhǎng)度與氣流流速的關(guān)系，探索輸種管長(zhǎng)度對(duì)排種性能影響的規(guī)律及機(jī)理，為解決不同長(zhǎng)度輸種管導(dǎo)致排種性能不佳等問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

氣送式排種系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)是在土壤-植物-機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2PST排種器性能測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增設(shè)了獨(dú)立的氣送式排種系統(tǒng)和相關(guān)檢測(cè)儀器。氣送式排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)、種箱、集中式排種器、空氣-種子混合室、過(guò)渡輸種管、導(dǎo)流管、分配器、輸種管等組成。

圖1 氣送式排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of pneumatic conveying system1.風(fēng)機(jī) 2.種箱 3.集中式排種器 4.空氣-種子混合室 5.過(guò)渡輸種管 6.導(dǎo)流管 7.輸種管 8.分配器

本試驗(yàn)臺(tái)采用旋渦式氣泵風(fēng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)速2 850 r/min，最大風(fēng)壓32 kPa，最大風(fēng)量9 m3/min，功率5.5 kW。風(fēng)機(jī)參數(shù)可通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，最高頻率為50 Hz。排種軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為100 r/min。

分配器為24行，依據(jù)生產(chǎn)用24行播種機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作幅寬4 m，排種器距種溝底垂直高度1 m。輸種管長(zhǎng)度為1～4 m。

其工作過(guò)程為：集中式排種器定量播施排種箱內(nèi)種子，以風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流為載體，輸送空氣-種子兩相流，經(jīng)過(guò)過(guò)渡輸種管和導(dǎo)流管到達(dá)分配器，通過(guò)分配器徑向分配排種，經(jīng)過(guò)輸種管落入接種杯中。

1.2 試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)選用在內(nèi)蒙古自治區(qū)廣泛種植且產(chǎn)量穩(wěn)定的小麥品種農(nóng)麥3號(hào)，長(zhǎng)度平均值5.95 mm，寬度平均值3.13 mm，厚度平均值3.00 mm，千粒質(zhì)量為39.98 g。

試驗(yàn)儀器包括：電子天平(量程0～500 g，精度0.01 g)、秒表、游標(biāo)卡尺(量程0～150 mm，精度0.02 mm)、接種杯(2 L)、風(fēng)壓檢測(cè)儀(-2 000～2 000 Pa)等。

1.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》中的田間測(cè)試方法推導(dǎo)臺(tái)架試驗(yàn)條件和計(jì)算總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)與各行排量一致性變異系數(shù)。

根據(jù)GB/T 19232—2003《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》A.3.2節(jié)測(cè)量靜壓。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)過(guò)程中，分別進(jìn)行了各行排量一致性變異系數(shù)和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)測(cè)定。參考文獻(xiàn)[9]，選定風(fēng)機(jī)頻率x1和播種量x2為試驗(yàn)因素，根據(jù)我國(guó)不同地區(qū)農(nóng)藝要求，播種量滿足150～300 kg/hm2，風(fēng)機(jī)頻率40～50 Hz。試驗(yàn)方法選用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)[21]，試驗(yàn)因素編碼如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

以風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高壓氣流為載體，帶動(dòng)種子在氣送式系統(tǒng)中移動(dòng)，氣流速度對(duì)種子的輸送至關(guān)重要，管內(nèi)氣流速度與管內(nèi)壓力相關(guān)，且前人在開展管長(zhǎng)對(duì)物料的運(yùn)輸影響分析時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壓力會(huì)對(duì)物料運(yùn)輸產(chǎn)生影響[15，22]。試驗(yàn)采用的條件為在改變風(fēng)機(jī)頻率和播種量同時(shí)輸種管長(zhǎng)度在0.50～6.25 m時(shí)，以0.25 m為梯度，共計(jì)24根，輸種管分別與分配器24個(gè)出口連接，用接種杯收集各輸種管內(nèi)的種子，每次測(cè)定收集種子的時(shí)間為30 s，重復(fù)5次，稱量并記錄數(shù)據(jù)。輸種管按順序依次標(biāo)記為i(i=1，2，…，24)。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)及參數(shù)測(cè)定

2.2.1各行排量一致性變異系數(shù)與總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)測(cè)定

測(cè)定24行中各行的排種量，重復(fù)5 次，計(jì)算各行排量一致性變異系數(shù)。

總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)測(cè)試方法與各行排量一致性變異系數(shù)相同，重復(fù)5 次，計(jì)算平均值。

2.2.2輸種管內(nèi)氣流壓力測(cè)定

氣送式排種系統(tǒng)工作時(shí)，采用靜壓環(huán)裝置分別測(cè)量分配器內(nèi)腔全壓和24個(gè)出口處管壁靜壓。輸種管內(nèi)徑30 mm，靜壓取壓口直徑1.3 mm，取壓接口管內(nèi)徑4 mm。在取壓口安裝無(wú)毛刺且與壁面呈直角的測(cè)壓嘴，測(cè)壓嘴長(zhǎng)度3 mm。靜壓環(huán)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 靜壓環(huán)裝置簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of ring of static pressure1.壁面 2.取壓口 3.測(cè)壓嘴 4.取壓接口 5.取壓接口管 6.風(fēng)壓檢測(cè)儀

分配器內(nèi)腔直徑350 mm，內(nèi)腔截面大于輸種管的截面，在分配器內(nèi)腔中，可視作流速為零。分配器內(nèi)腔氣流流動(dòng)可視為定常流動(dòng)。氣流流向分配器上端面，速度在接近上端面中心點(diǎn)A時(shí)逐漸減低，流至A點(diǎn)滯止為零，氣流在A點(diǎn)的動(dòng)壓為零，所以A點(diǎn)所測(cè)靜壓便是全壓。如圖3所示。

測(cè)定輸種管入口處?kù)o壓時(shí)，測(cè)量斷面應(yīng)盡量選擇在氣流平穩(wěn)的直管段上，當(dāng)測(cè)量斷面設(shè)在彎頭、三通管等異形部件后面時(shí)與這些部件距離應(yīng)為4～5倍管道直徑[23]。本試驗(yàn)選擇在輸種管上距離分配器出口5d(d為輸種管內(nèi)徑，取0.03 m)處的截面上互呈90°分布靜壓孔進(jìn)行靜壓測(cè)定。如圖4所示。

圖3 分配器測(cè)壓點(diǎn)Fig.3 Distributor pressure measuring point layout1.導(dǎo)流管 2.分配器下端面 3.分配器上端面 4.輸種管

圖4 輸種管入口處?kù)o壓的測(cè)定Fig.4 Measurement of static pressure at inlet of seed drop tube1.輸種管 2.靜壓環(huán) 3.混流裝置 4.壓力表

2.2.3輸種管內(nèi)氣流平均流速計(jì)算

采用測(cè)得的全壓與靜壓數(shù)據(jù)，計(jì)算輸種管動(dòng)壓，定量得到管內(nèi)氣流流速，得出氣流流速與對(duì)應(yīng)輸種管長(zhǎng)度的趨勢(shì)圖，觀測(cè)規(guī)律。

氣流由分配器進(jìn)入輸種管的過(guò)程中，氣壓損失可忽略不計(jì)。動(dòng)壓計(jì)算公式為

pdi=pA-pji

(1)

式中pA——A點(diǎn)處所測(cè)全壓，Pa

pdi——第i行輸種管的動(dòng)壓，Pa

pji——第i行輸種管入口處的靜壓，Pa

第i行輸種管內(nèi)平均流速公式為

(2)

式中ρ——工作狀態(tài)下(20℃)空氣的密度，取1.205 kg/m3

3 輸種管內(nèi)氣流流速分析

輸種管可分為氣流流動(dòng)起始段和完全發(fā)展段，當(dāng)輸種管長(zhǎng)度較短時(shí)，氣流在管中心線上的流速難以達(dá)到最大值，此時(shí)輸種管只有氣流流動(dòng)起始段。

本文針對(duì)具有起始段和完全發(fā)展段的輸種管，通過(guò)計(jì)算雷諾數(shù)及氣流流動(dòng)阻力，定性分析各行輸種管內(nèi)氣流流速的變化，闡述氣流流速的變化規(guī)律和氣流對(duì)種子的作用情況。

3.1 雷諾數(shù)

流體雷諾數(shù)計(jì)算式為

(3)

式中v——試驗(yàn)狀態(tài)下空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，20℃下為1.5×10-5m2/s

對(duì)于圓截面管道，當(dāng)Re1≤2 300時(shí)，管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)是層流；Re1>2 300時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)是紊流。將式(1)和式(2)計(jì)算值代入式(3)，可得Re1的取值范圍為1.152 3×104～2.640 3×104，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2 300，所以本試驗(yàn)中，輸種管內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)為紊流。

3.2 氣流流動(dòng)阻力

黏性流體在管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)產(chǎn)生阻力的原因不同，可將其流動(dòng)阻力分為局部阻力和沿程阻力。局部阻力是流體流過(guò)管路中的折彎、閥門、變徑管件等時(shí)，流體的流向和流速發(fā)生改變，導(dǎo)致邊界層分離產(chǎn)生漩渦而造成的能量損失。在紊流狀態(tài)下，沿程阻力大部分是由流體質(zhì)點(diǎn)的遷移和橫向脈動(dòng)造成，小部分是由黏性摩擦造成，為克服這部分阻力，流體在流動(dòng)過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生能量損失[24]。本試驗(yàn)中氣流由分配器進(jìn)入輸種管，管道變徑，考慮局部阻力；氣流在輸種管內(nèi)流動(dòng)，無(wú)明顯變徑變向，考慮沿程阻力。

3.2.1分配器出口處壓損計(jì)算

氣流由分配器進(jìn)入輸種管，流道斷面突然收縮，造成氣流在分配器出口處壓力損失。在紊流流動(dòng)中，Re1越大，慣性效應(yīng)相比于粘性效應(yīng)越占主導(dǎo)地位，此時(shí)壓力損失系數(shù)K很大程度與裝置幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)，圖5描繪流體變徑進(jìn)入管道的兩種典型流動(dòng)模式，給出相對(duì)應(yīng)的壓力損失系數(shù)K[25-26]。

圖5 管道變徑情況簡(jiǎn)圖Fig.5 Sketches of entrance flow conditions

本試驗(yàn)中，分配器出口處結(jié)構(gòu)氣流變徑流出如圖5b所示，取壓力損失系數(shù)K=0.04。

分配器出口處局部壓力損失計(jì)算式為

(4)

其中

pA-pj=γhj

(5)

γ=ρg

(6)

(7)

式中pj——輸種管入口處?kù)o壓，Pa

hj——分配器出口處局部阻力

γ——流體重度，N/m3

g——重力加速度，取9.81 m/s2

3.2.2輸種管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算

輸種管內(nèi)流體流動(dòng)的沿程阻力可表示為達(dá)希-威斯巴赫公式

(8)

式中hf——輸種管內(nèi)沿程阻力，m

l——輸種管長(zhǎng)度，m

λ——沿程阻力系數(shù)，與流體黏度、流速、管徑以及管壁的粗糙度等有關(guān)

在紊流狀態(tài)下，根據(jù)絕對(duì)粗糙度Δ和層流底層厚度δl之間的關(guān)系，將流體沿固體壁面的流動(dòng)分為水力光滑壁流動(dòng)和水力粗糙壁流動(dòng)。

圓管中層流底層厚度一般用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

(9)

24行輸種管中，計(jì)算得δl的最大值為0.28 mm。查表可得含有加強(qiáng)鋼絲的橡膠軟管內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度Δ的取值范圍為0.3～4 mm，據(jù)實(shí)際觀察，本試驗(yàn)中絕對(duì)粗糙度Δ取值為0.3 mm。

當(dāng)雷諾數(shù)Re1較大，而層流底層的厚度δl較小，且δl<Δ時(shí)，部分管壁粗糙高度不能被層流底層覆蓋，突出在層流底層外的壁面粗糙高度成為紊流脈動(dòng)與旋渦運(yùn)動(dòng)的新來(lái)源，壁面粗糙度對(duì)流經(jīng)壁面的紊流產(chǎn)生影響。這種流動(dòng)稱為“水力粗糙壁”流動(dòng)。當(dāng)雷諾數(shù)Re1繼續(xù)增大，層流底層的厚度幾乎為零，層流底層已無(wú)法覆蓋壁面粗糙度，這種流動(dòng)稱為“完全粗糙壁”流動(dòng)[27]。

本試驗(yàn)中δl<Δ，且Re1>4 160[d/(2Δ)]0.85，所以輸種管中氣流的流動(dòng)可稱為“完全粗糙壁”流動(dòng)。此時(shí)沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re1無(wú)關(guān)，而只與相對(duì)粗糙度d/Δ有關(guān)?？蛇x用尼古拉茲歸納的公式計(jì)算沿程阻力系數(shù)

(10)

將d=0.03 m和Δ=0.3 mm代入式(10)中可得λ=0.037 88。

將λ=0.037 88、d=0.03 m和lmin=0.5 m代入式(8)中，可得

(11)

比較hj與hfmin的數(shù)值，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在計(jì)算氣流的流動(dòng)阻力時(shí)，可不考慮局部阻力hj，即視氣流由分配器進(jìn)入輸種管的過(guò)程中，無(wú)氣壓損失。

3.3 氣流平均流速

3.3.1氣流平均流速變化規(guī)律

分配器中心頂點(diǎn)處A至輸種管出口截面間的伯努利方程為

(12)

式中zA——A點(diǎn)截面高度，m

z0——輸種管出口截面高度，m

uA——分配器中心頂點(diǎn)處的氣流流動(dòng)速度，uA=0

p0——工作狀態(tài)下的大氣壓，Pa

將式(6)、(8)代入式(12)中，可得氣流流體由分配器內(nèi)腔至輸種管出口處的壓降

(13)

(14)

式(13)中24行輸種管的p0均為大氣壓，pA均為分配器中心頂點(diǎn)A處的全壓，Δp1在本試驗(yàn)中為定值，ρ、λ、d也均為定值，且對(duì)不同行次的輸種管，Δp1、ρ、λ和d均相等，故管內(nèi)氣流平均流速的平方與管長(zhǎng)大致成反比。

3.3.2氣流平均流速變化速率的規(guī)律

氣流由分配器內(nèi)腔流入輸種管進(jìn)口端，最終流出輸種管出口端的流動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的輸種管分為長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的起始段和長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的完全發(fā)展段。

圖6 氣流流動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.6 Diagram of airflow

氣流由分配器內(nèi)腔流入輸種管中，由式(1)、(2)可知輸種管內(nèi)氣流平均流速為

(15)

氣流在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的輸種管內(nèi)的壓降為

Δp2=pj-p0

(16)

輸種管內(nèi)壓降等于壓力梯度沿管長(zhǎng)的積分，即

(17)

(18)

將式(16)、(18)代入式(15)中，可得

(19)

因?yàn)檩敺N管內(nèi)氣流在單位長(zhǎng)度起始段的壓力損失大于完全發(fā)展段，則起始段L1的平均壓力梯度B1大于完全發(fā)展段L2的平均壓力梯度B2，總長(zhǎng)度L內(nèi)的平均壓力梯度為

(20)

綜合分析可知，輸種管長(zhǎng)度只包含起始段L1時(shí)，氣流平均流速減少明顯；輸種管長(zhǎng)度包含起始段L1和完全發(fā)展段L2且接近L時(shí)，氣流平均流速減少平緩。

3.4 種子運(yùn)動(dòng)速度變化規(guī)律

小麥種子外形似橢球體，種子在輸種管內(nèi)無(wú)序運(yùn)動(dòng)時(shí)，可近似等效為球體。等效球體的直徑是

(21)

式中D——小麥種子等效球體直徑，m

LM——小麥種子長(zhǎng)度，取5.95×10-3m

W——小麥種子寬度，取3.13×10-3m

T——小麥種子厚度，取3.00×10-3m

計(jì)算得小麥種子等效球體直徑D=3.82×10-3m。

種子特征雷諾數(shù)

(22)

式中u0——輸種管內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)速度，m/s

種子在輸種管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于氣流平均流速，故u0在式(22)中可忽略，即

(23)

將由式(1)和式(2)計(jì)算出的ui和D=3.82×10-3m代入式(23)中，可得到Re2的取值范圍為1.467 3×103～3.361 9×103。

在黏性流體繞圓球的運(yùn)動(dòng)中，阻力系數(shù)的定義式

(24)

則氣流作用在種子上的推力為

(25)

其中

S=πd2/4

(26)

式中CD——阻力系數(shù)

FD——?dú)饬髯饔迷诜N子上的推力，N

S——種子的最大迎流面積，m2

根據(jù)圓球的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線可知，當(dāng)雷諾數(shù)Re2取值范圍為1.467 3×103～3.361 9×103時(shí)，阻力系數(shù)CD=0.44，是定值[25]，故本試驗(yàn)中氣流作用在小麥種子上的推力FD和氣流平均流速與種子運(yùn)動(dòng)速度差值的平方(ui-u0)2成正比，即FD∝(ui-u0)2。

可以假定種子在輸種管內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，所受壁面摩擦力f為定值。f=FD，則在不同行次輸種管，當(dāng)輸種管內(nèi)氣流平均流速ui減小，所對(duì)應(yīng)的管內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)速度u0也必然降低。

3.5 定性分析

具有起始段與完全發(fā)展段的輸種管，管內(nèi)氣流平均流速的平方與管長(zhǎng)大致成反比。輸種管長(zhǎng)度增加，管內(nèi)氣流平均流速減小，所對(duì)應(yīng)的管內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)速度降低，導(dǎo)致輸種管排種量減少。

輸種管越短，氣流平均流速減少越明顯，種子運(yùn)動(dòng)速度降低越明顯，排種量減少越顯著；輸種管大于一定長(zhǎng)度時(shí)，氣流平均流速減少趨緩慢，種子運(yùn)動(dòng)速度降低趨緩慢，排種量減少趨平緩。

4 仿真分析

4.1 仿真模型建模與簡(jiǎn)化

在SolidWorks三維空間中建立分配器和輸種管組合的三維簡(jiǎn)化模型，如圖7所示，輸種管長(zhǎng)度由0.50 m至6.25 m順時(shí)針均勻分布，以0.25 m為梯度，并將其導(dǎo)入Flow Simulation模塊中，進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算。SolidWorks Flow Simulation將流體分析劃分為兩個(gè)獨(dú)立類型[28]：內(nèi)部分析和外部分析。本文采用內(nèi)部分析，即考慮的是流體在外圍固體壁面內(nèi)部的流動(dòng)。在運(yùn)行內(nèi)部分析之前須通過(guò)模型檢查工具檢查模型是否完全封閉及裝配體的零件之間是否存在無(wú)效接觸等幾何問(wèn)題，使用封蓋功能將導(dǎo)流管下端進(jìn)風(fēng)口和輸種管末端出風(fēng)口封閉，計(jì)算出總的流體體積為0.055 m3。

圖7 氣流輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型Fig.7 Model simplification of pneumatic conveying system1.空氣-種子混合室 2.導(dǎo)流管 3.分配器 4.輸種管

4.2 邊界條件設(shè)置與網(wǎng)格劃分

邊界條件和工程目標(biāo)是控制使計(jì)算有解和收斂的前提。整個(gè)氣流輸送系統(tǒng)都是置于自然環(huán)境中，溫度設(shè)定為20℃，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，輸送氣流速度公式

(27)

式中va——輸送氣流速度，m/s

KL——物料粒度系數(shù)，小麥為16

Kd——物料特性系數(shù)，小麥為(2～5)×10-5

ρs——物料密度，取1.37×103kg/m3

Lz——輸種管道的折算長(zhǎng)度，m

由于Kd很小，所以KdLz很小，可以忽略不計(jì)，同時(shí)考慮到輸送管道的密封性以及壓損等影響因素，實(shí)際輸送氣流速度應(yīng)較理論值大10%～30%，因此輸送氣流速度va=(1+10%)×18.7=20.6 m/s，可取21 m/s作為進(jìn)口速度進(jìn)行仿真；輸種管末端出口靜壓均為大氣壓力，設(shè)置出口邊界條件為壓力出口，壓強(qiáng)為101.325 kPa。對(duì)于內(nèi)部流場(chǎng)而言，雷諾數(shù)Re1>2 300時(shí)，則流動(dòng)一定為紊流[29]。所以，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及默認(rèn)定義量。壁面條件設(shè)置為理想壁面，完全反射。分別選擇進(jìn)、出口封蓋內(nèi)側(cè)面作為表面參數(shù)選擇面，勾選用靜壓、動(dòng)壓力和速度等參數(shù)作為分析運(yùn)行完成后獲取顯示的工程目標(biāo)參數(shù)。

SolidWorks Flow Simulation自動(dòng)將計(jì)算域劃分為很多切片，并進(jìn)一步細(xì)分為長(zhǎng)方體網(wǎng)格來(lái)產(chǎn)生計(jì)算網(wǎng)格。之后為了正確求解模型的集合體，網(wǎng)格單元會(huì)根據(jù)需要再次細(xì)分，生成與時(shí)間相關(guān)的Navier-Stokes方程組，并基于計(jì)算網(wǎng)格來(lái)求解該方程組。本模型各部分的間隙很小，設(shè)定最小縫隙尺寸為0.1 mm，最小壁面厚度為1 mm，全局在采用自動(dòng)設(shè)置下，“初始網(wǎng)格的級(jí)別”設(shè)置為6級(jí)，因輸種管的厚度為3 mm，則最小壁厚可以設(shè)置為1 mm。對(duì)輸種管部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，選擇“高級(jí)狹長(zhǎng)通道”，分配器部分設(shè)定了局部網(wǎng)格細(xì)化，以獲得關(guān)鍵部位的更細(xì)小的網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格劃分后得到約173萬(wàn)個(gè)流體網(wǎng)格和36萬(wàn)個(gè)部分網(wǎng)格(即流體和固體邊界的網(wǎng)格)。

4.3 仿真結(jié)果分析

4.3.1殘差圖

圖8為殘差圖。由圖8可知，經(jīng)過(guò)1 651次迭代計(jì)算，模型的連續(xù)性指數(shù)、x軸速度、y軸速度、z軸速度、湍動(dòng)能k和耗散率ε的殘差均小于0.001，表明模型已經(jīng)收斂。

圖8 殘差圖Fig.8 Distribution of residuals

4.3.2速度分布云圖

氣流到達(dá)分配器后與分配器上端蓋發(fā)生碰撞，壓差使氣流從各個(gè)輸種管中流出。俯視以分配器中部切面為基準(zhǔn)面生成速度流場(chǎng)分布圖，如圖9所示。輸種管長(zhǎng)度由0.50 m增大至6.25 m，所對(duì)應(yīng)的氣流平均流速由39.37 m/s逐步減小至25.54 m/s。輸種管長(zhǎng)度增加，氣流平均流速減小，且當(dāng)輸種管長(zhǎng)度越小時(shí)，氣流平均流速減小越顯著，輸種管長(zhǎng)度越大時(shí)，氣流平均流速減小越平緩，與理論分析結(jié)果相吻合。

圖9 分配器和輸種管氣流速度流場(chǎng)分布Fig.9 Velocity flow field distribution of distributor and seed tube

4.3.3粒子示蹤

為了更好地模擬小麥種子在氣流輸送系統(tǒng)中的分配效果，可用“粒子研究”進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置小麥種子的材料屬性，小麥種子經(jīng)集中式排種器進(jìn)入氣流輸送系統(tǒng)，選擇集中式排種器的入口表面作為起始面，設(shè)置顯示500個(gè)點(diǎn)，在“粒子屬性”中設(shè)置粒子直徑為3.82 mm，球度為0.64，根據(jù)播種量計(jì)算得到“質(zhì)量流量”為0.245 kg/s，且種子在集中式排種器中隨槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在種子排出位置的切向速度為0.256 m/s?？紤]到小麥種子的重力，設(shè)置重力方向?yàn)閤軸正向，重力加速度為9.81 m/s2。

運(yùn)行結(jié)果如圖10所示?？芍庇^地看到，輸種管長(zhǎng)度由0.50 m增大至6.25 m，分配器分配到每行中所對(duì)應(yīng)的種子數(shù)量逐步減少。輸種管長(zhǎng)度增加，輸種管中所對(duì)應(yīng)的種子數(shù)量減少，且當(dāng)輸種管長(zhǎng)度越小時(shí)，種子數(shù)量減少趨勢(shì)越顯著，輸種管長(zhǎng)度越大時(shí)，種子數(shù)量減少趨勢(shì)越平緩，當(dāng)輸種管長(zhǎng)度超過(guò)2.5 m以后，排種量趨于穩(wěn)定。根據(jù)粒子跡線研究統(tǒng)計(jì)各行粒子數(shù)，不同長(zhǎng)度輸種管中粒子數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖10 不同輸種管長(zhǎng)度所得排種量仿真值Fig.10 Simulation value of application rate per row under different seed tubes lengths

表2 不同輸種管長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)Tab.2 Simulation value of particles rate per row under different seed tubes lengths

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行13組試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，當(dāng)輸種管長(zhǎng)度在0.50～2.25 m范圍時(shí)，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.57%～4.53%；輸種管長(zhǎng)度在2.50～6.25 m范圍時(shí)，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.39%～1.28%。

輸種管長(zhǎng)度在0.50～2.25 m范圍時(shí)，各行排量一致性變異系數(shù)范圍為13.12%～27.54%，輸種管長(zhǎng)度在2.50～6.25 m范圍時(shí)，各行排量一致性變異系數(shù)為2.82%～3.88%。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of experiment

5.2 輸種管內(nèi)氣流流速計(jì)算結(jié)果

處理試驗(yàn)中在不同播量與風(fēng)機(jī)頻率下測(cè)量的氣壓數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)中，得到不同長(zhǎng)度輸種管對(duì)應(yīng)的管內(nèi)平均流速，如圖11所示。

圖11 不同風(fēng)機(jī)頻率和播種量下管內(nèi)氣流平均流速試驗(yàn)曲線Fig.11 Variation curves of average flow velocity in pipe with different fan frequency and seeding amount

從圖11可得出，在不同播種量與風(fēng)機(jī)頻率下，輸種管內(nèi)氣流平均流速隨著輸種管長(zhǎng)度增加，其平均流速逐漸減小。輸種管長(zhǎng)度小于2.5 m時(shí)，平均流速的變化速率明顯大于輸種管長(zhǎng)度大于2.5 m時(shí)的變化速率，計(jì)算結(jié)果與分析結(jié)果相吻合。

5.3 各行排種量測(cè)試結(jié)果

在不同播種量與風(fēng)機(jī)頻率下，不同長(zhǎng)度輸種管小麥平均排種量如圖12所示。

圖12 不同風(fēng)機(jī)頻率和播種量下各行平均排種量變化曲線Fig.12 Variation curves of average application rate per row under different fan frequency and seeding amount

從圖12可得出，小麥平均排種量隨著輸種管長(zhǎng)度增加逐漸減少。輸種管長(zhǎng)度小于2.5 m時(shí)，排種量減少急劇，輸種管長(zhǎng)度大于2.5 m時(shí)排種量逐漸趨于平穩(wěn)，由此可得輸種管長(zhǎng)度越短，對(duì)排種質(zhì)量的影響越顯著。

結(jié)合圖11與圖12可知，當(dāng)輸種管長(zhǎng)度介于2.50～6.25 m之間時(shí)，管長(zhǎng)對(duì)排種量的影響基本可以忽略，試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果相吻合；在本試驗(yàn)工況下，輸種管起始段與完全發(fā)展段的分界點(diǎn)在2.5 m附近。結(jié)合圖11趨勢(shì)與第3節(jié)分析結(jié)果(輸種管管內(nèi)氣流平均流速的平方與輸種管長(zhǎng)度大致成反比)可知，當(dāng)輸種管達(dá)到一定長(zhǎng)度，管內(nèi)氣流流速不足以帶動(dòng)種子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行送種，此時(shí)排種量無(wú)法滿足排種要求。

6 結(jié)論

(1) 由輸種管內(nèi)氣流流動(dòng)分析得出，輸種管長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致管內(nèi)氣流平均流速的改變，影響種子在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，從而影響種子排種量。

(2) 通過(guò)理論分析與臺(tái)架試驗(yàn)得出，在不同播種量與風(fēng)機(jī)頻率下，當(dāng)輸種管長(zhǎng)度小于2.5 m時(shí)，輸種管內(nèi)氣流平均流速降低明顯；當(dāng)輸種管長(zhǎng)度在2.50～6.25 m時(shí)，輸種管內(nèi)氣流平均流速降低較為平緩，且在具有起始段和完全發(fā)展段的輸種管內(nèi)，氣流平均流速的平方與輸種管長(zhǎng)度大致成反比。

(3) CFD仿真與排種性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著輸種管長(zhǎng)度的增加，小麥排種量減少；輸種管越短，排種量減少越明顯，排種性能不佳；當(dāng)輸種管長(zhǎng)度在2.50～6.25 m時(shí)，各行排量一致性變異系數(shù)為2.82%～3.88%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.39%～1.28%，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且對(duì)排種量的影響基本可以忽略，與分析結(jié)果相一致。設(shè)計(jì)時(shí)，建議輸種管長(zhǎng)度選擇在2.50～6.25 m之間。