基于气固耦合的气吸滚筒式排种器仿真分析与试验研究

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气吸式排种是解决小颗粒种子精密播种难题的一种有效方式。目前,对气吸式排种的研究主要采用以试验和经验为主,计算机为辅的方法;计算机仿真大多也仅仅是对排种器静态时的气室流场的压力与速度分布进行研究,对排种器吸排种过程中种子颗粒与气流之间的气固耦合机制的探讨还少见报道。本文以气吸滚筒式排种器为对象,采用计算流体力学以及气固耦合的方法对其进行研究,主要开展了如下工作:  1.采用ANSYS/FLUENT对气吸滚筒式排种器负压腔的气流场进行了仿真分析,确定在仿真中气体是不可压缩的,选择标准k-ε湍流模型,负压差为5kPa时,分别对负压腔类型、气道形状、吸孔直径和吸孔导程对气流场的影响进行了分析,得到如下结论:相对于整体气腔式滚筒,多气道式滚筒气流场分布更均匀,静压提高了约6.5%,而且能减少流量约6.2%,更有利气吸式滚筒式排种器的吸种;圆形气道的吸种效果好于方形气道;对于油菜种子,吸孔直径为1mm时排种器吸种效果最好;吸孔导程为3mm时吸种效果最好。  2.研究了流固耦合数值模拟方法的物理模型及各个模型的适用情况,选择DEM-CFD耦合模型对气吸式排种器进行研究。研究分析了EDEM-FLUENT耦合理论,确定Euler-Euler模型作为本文仿真中的耦合模型,选择Ergun and Wen&Yu模型作为本文耦合仿真中的曳力模型。  3.采用EDEM-FLUENT耦合对排种器工作过程进行仿真,研究排种器工作过程中单粒种子的运动轨迹、运动速度和受力情况;对清种正压、滚筒转速和振动频率对排种效果的影响进行研究,得到如下结论:清种正压增加能够降低重播率,但是清种正压过大会造成漏播,在清种正压为3kPa时排种效果最好,单粒率为96.33%,漏播率为2.33%,重播率为1.33%。;增加滚筒转速能提高排种器工作效率,同时也减少了排种器吸种时长,在滚筒转速为30r/min时,单粒率可达97.33%,漏播率为0.33%,重播率2.33%,效果最好;种箱振动能提高种子的流动性,方便吸种,但是振动过于强烈会使种子之间的碰撞过于剧烈,不利于吸种,在振动频率为60Hz时排种效果最好,单粒率可达97.33%,漏播率为1.00%,重播率为1.67%。  4.在样机上进行排种性能试验,通过正交试验对吸孔直径、吸种负压、清种正压、滚筒转速、种箱振动频率对排种器排种性能的影响进行了分析,对排种性能影响大小依次是吸孔直径、滚筒转速、清种正压、吸种负压、种箱振动频率,最优参数水平组合是吸孔直径为1mm,滚筒转速为20r/min,清种正压为2kPa,吸种负压为-4kPa,振动频率为60Hz,并与EDEM-FLUENT耦合仿真的结果进行对比,验证了仿真的正确性。
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