蘿卜精量播種機吸嘴流場數值模擬

湯亮+葉方平+龔發云+曲遠輝

摘要：設計了一款自走式蘿卜精量聯合播種機，對吸嘴部分產生的速度流場分布情況進行研究，探討其對吸種效果的影響。為考察不同真空壓力條件下的吸種效果，以CFD軟件為計算平臺，采用結構化網格，以標準的k-ε湍流模型對吸嘴內部速度流場的分布進行了研究。結果表明，當真空壓力分別為60、65、70、80 kPa時，得到這些真空度所對應的播種器吸嘴附距離分別為3.28、3.33、3.35、3.45 mm；最終確定吸嘴的吸附距離隨著真空度的加大而增大。

關鍵詞：播種機；真空吸嘴；流場分析；數值模擬

中圖分類號：S776.24

文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4708-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.053

Numerical Simulation of Nozzle Flow Field of the Radish Precise Seeder Suction

TANG Liang，YE Fang-ping，GONG Fa-yun，QU Yuan-hui

（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract： A self-propelled combining seeder for precise radish was designed. The velocity distribution flow field of suction nozzle part was studied to examine the impact on sucking seed. In order to investigate the effects of different kinds of vacuum suction pressure， using CFD software as the computing platform， structured grid and a standard k-ε turbulence model for the distribution of the velocity field inside the nozzle were studied. Results showed that when the vacuum pressure was 60， 65， 70， 80 kPa， the corresponding vacuum seeder nozzle attached to distance was 3.28， 3.33， 3.35， 3.45 mm， respectively. The adsorption distance of nozzle increased with the increase of the vacuum degree.

Key words： seeding-machine； vacuum nozzle； flow field analysis； numerical simulation

中國蘿卜的種植面積已超過100萬hm2，其中大部分蘿卜生產仍是露地栽培，采用傳統小農生產模式，缺乏科學的生產管理，生產存在著較為嚴重的要素資源浪費、生產效率低下等問題[1，2]。目前國內生產蘿卜播種機械廠家為數不多，蘿卜種植的機械化還有待提高，極少量進口的播種機價格高，且不適應中國蘿卜種植模式，收獲效果差，制約了中國蘿卜作物機械化生產的發展，成為產業發展的瓶頸[3]。

為解決蘿卜種植中出現的上述問題，促進蘿卜生產機械化水平的進一步提升，設計了一款自走式蘿卜精量聯合播種機，設計中的排種器采用的氣吸式精量排種器，使用真空負壓的原理進行吸種和排種，由于吸種的過程難以預測，所以需要對吸嘴部分產生的速度流場分布情況進行研究，探討其對吸種效果的影響。孫曉東[4]研究了吸氣管路有漏洞、氣壓下降等因素導致氣吸力減小，種子沒吸住致使一部分或全部漏播的因素，姜秀美等[5]研究了圓形排種盤的結構參數對排種過程的影響。為了考察不同真空壓力條件下的吸種效果，采用結構化網格，以標準的k-ε湍流模型對吸嘴內部速度流場的分布進行了研究。

1 蘿卜播種機總體結構設計

根據蘿卜播種過程的特殊性，為了提升蘿卜播種過程中的工作效率，設計的蘿卜播種機機構主要包括機架、主軸、刮土板、施肥機構、水箱、植保機構、開溝器、穴灌水機構、鎮壓機構、鋪膜機構及間隔填土壓膜機構等。機架部分包括大梁、懸掛裝置、鎮壓地輪和風機等。鎮壓地輪由鋼架和橡膠組成，通過鏈條驅動排種器和排肥器工作。具體形式如圖1所示。

播種部分包括種子箱、氣吸式排種盤、圓盤式開溝器、覆土器、鎮壓輪、四桿仿形機構、吸氣管等，氣吸式排種器安裝在圓盤式開溝器上面，覆土器和鎮壓輪安裝在圓盤式開溝器的后面，呈后仿形。播種的粒距是由排種盤的吸種孔數及其轉速兩者共同決定的，使用時選用了吸種孔數多但排種盤轉速較低的傳動組合，這樣有利于提高吸種的可靠性和降低空穴率。

施肥部分由肥料箱、排肥器、輸肥管、開溝器及傳動裝置等組成。肥料箱安裝在大梁上，排肥器為水平星輪式，水平安裝在肥箱底部。排肥量可通過改變肥箱內隔板上的活門開度大小或排肥軸的傳動比進行調節。這種排肥器適合排施干燥的粒狀化肥，從出肥口排出的肥料落入種子的旁側，由覆土板進行覆土。

播種機設計為氣吸式精密播種機，共2行，播種株距為10 cm，行距為20 cm。由于在播種過程中播種機需要較大的動力，所以在工作時播種機一般與豐收-180、上海-50等大中型拖拉機聯合使用，以此適合在土地平整、面積大的土地上進行作業。

2 蘿卜播種機吸嘴流場建模

播種機工作時，種子在排種器的種箱中，排種盤將氣室和種箱隔開，氣室通過軟管與風機相連。當風機工作時，使氣室內產生一定的真空度，在壓差的作用下，排種盤上的吸孔便成了氣流通道而產生吸力，種箱內種子被吸孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉動，當轉到刮種器的部位時，刮種器將多余的種子刮掉，只留一粒種子繼續隨排種盤旋轉到投種區，負壓消失，種子在自重的作用下掉入溝內[5]。種子的最小直徑是1.9 mm，先前已經根據流體力學中受力的平衡方程算得了吸附種子的最低氣流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉軸對稱圖形，為了簡化流場模型所以在分析流場時僅分析過回轉軸的截面，如圖2所示，建立的幾何模型近似于喇叭狀，其幾何尺寸如表1所示。

3 數值模擬理論基礎

進行數值模擬計算，可以看成是對方程的求解，而方程是經過離散來進行求解的，那么對于流體的流動問題，都要求解質量守恒方程，當流動是湍流時，還要解附加湍流輸運方程。因為播種機吸嘴內部流體流動特性比較復雜，所以用數值模擬的方式預測播種機吸嘴流體的特性，對設計高效可靠的播種機吸嘴、評價和改造現有播種機的性能十分必要。要保證模擬計算的可靠和有效，需要對各個數學模型進行充分的了解和掌握，選擇準確適合的數學計算模型尤為關鍵。

3.1 質量守恒方程

質量守恒定律可以表述為：單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間內流入該微元體的凈質量。按照這一定律，可以得出質量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 標準k-ε湍流模型

液相湍動能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？著

？籽■+？籽■（vl？著）=■（■■？著）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt為湍流黏性系數，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動能的增量[6]，表2為相關常數值設定情況。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 邊界條件的確定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解計算軟件進行數值模擬。在本次數值模擬過程中使用二維單精度求解器，首先選擇合理的邊界條件來模擬實際環境，氣流入口處為壓力入口邊界（pressure-inlet），出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壁面邊界條件設置為無滑移邊界（no-slip）。選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標準k-ε方程，在求解參數的過程中根據模擬的實際問題選擇流動方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍動能方程的離散均采用一階迎風格式（First Order Upwind）。由于在Fluent軟件中有四種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過程中采用基于結構網格的SIMPLE算法。

4 結果與分析

4.1 真空度與氣流速度的關系

如圖3顯示的是當吸嘴內的真空度為60 kPa時，其速度流場的分布情況。分析其速度分布的情況：在吸嘴口處氣流速度急劇增加，在吸嘴內氣流速度達到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心處，同一半徑的截圓上的節點速度大小差異不大。根據計算結果，查看中心對稱線上各節點具體的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 處，氣流速度達到了8.18 m/s。即種子移動到離吸嘴距離在3.28 mm 以內，即可把種子吸附。

真空度為65 kPa時候結果如圖4。從圖4可以看出吸嘴內的速度達到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm節點處速度達到8.13 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.33 mm 以內，即可把種子吸附。

真空度為70 kPa時候結果如圖5。從圖5可以看出，吸嘴內的速度達到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm節點處速度達到8.38 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.35 mm以內，即可把種子吸附。

真空度為80 kPa時候結果如圖6，從圖6可以看出，吸嘴內的速度達到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm節點處速度已達到8.23 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.45 mm以內，即可把種子吸附。

4.2 真空度與種子吸附距離

應用流體力學平衡方程計算得到種子被吸附起的臨界氣流速度7.97 m/s，以此為考察依據，分析了不同真空壓力下的種子吸附距離，將真空度與對應的吸附距離的關系，見圖7。從圖7可以看出，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa時，真空度與吸附距離近似正比關系。在真空度超過60 kPa后，隨著真空度增大，吸附距離增幅較大。

5 小結

通過對蘿卜播種機吸嘴實際應用情況的分析，運用二維軟件建模后，確立了在CFD數值計算中的邊界條件問題。采用標準k-ε湍流模型對不同真空條件下的吸嘴內部流場變化進行了數值求解，以入口圓形區域的數值中心線為界，氣吸流場具有對稱分布的特征，隨著真空度的增大，吸附距離也隨之增大，同時也說明了CFD數值計算方法縮短了研發時間，提高了研發效率。

參考文獻：

[1] 楊 健.蘿卜生產成本收益及全要素生產率分析[D].武漢：華中農業大學，2010.

[2] 蘇彩霞，廖慶喜.我國農業機械化技術進步的內在機理研究[J].農機化研究，2003（2）：18-19.

[3] 馬 勇，李 偉，侯連民.我國胡蘿卜栽培技術與機械化生產[J].農業機械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孫曉東.小議氣吸式精量播種機常見問題及故障排除方法[J].民營科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀倫，呂翠珍.32BHQ-2型氣吸式花生精量播種機的設計[J].設計制造，2012（2）：97-99.

[6] 龔發云，葉方平，湯 亮.折流板幾何結構對換熱器性能影響的數值模擬[J].湖北工業大學學報，2013，28（5）：1-4.

2 蘿卜播種機吸嘴流場建模

播種機工作時，種子在排種器的種箱中，排種盤將氣室和種箱隔開，氣室通過軟管與風機相連。當風機工作時，使氣室內產生一定的真空度，在壓差的作用下，排種盤上的吸孔便成了氣流通道而產生吸力，種箱內種子被吸孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉動，當轉到刮種器的部位時，刮種器將多余的種子刮掉，只留一粒種子繼續隨排種盤旋轉到投種區，負壓消失，種子在自重的作用下掉入溝內[5]。種子的最小直徑是1.9 mm，先前已經根據流體力學中受力的平衡方程算得了吸附種子的最低氣流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉軸對稱圖形，為了簡化流場模型所以在分析流場時僅分析過回轉軸的截面，如圖2所示，建立的幾何模型近似于喇叭狀，其幾何尺寸如表1所示。

3 數值模擬理論基礎

進行數值模擬計算，可以看成是對方程的求解，而方程是經過離散來進行求解的，那么對于流體的流動問題，都要求解質量守恒方程，當流動是湍流時，還要解附加湍流輸運方程。因為播種機吸嘴內部流體流動特性比較復雜，所以用數值模擬的方式預測播種機吸嘴流體的特性，對設計高效可靠的播種機吸嘴、評價和改造現有播種機的性能十分必要。要保證模擬計算的可靠和有效，需要對各個數學模型進行充分的了解和掌握，選擇準確適合的數學計算模型尤為關鍵。

3.1 質量守恒方程

質量守恒定律可以表述為：單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間內流入該微元體的凈質量。按照這一定律，可以得出質量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 標準k-ε湍流模型

液相湍動能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？著

？籽■+？籽■（vl？著）=■（■■？著）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt為湍流黏性系數，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動能的增量[6]，表2為相關常數值設定情況。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 邊界條件的確定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解計算軟件進行數值模擬。在本次數值模擬過程中使用二維單精度求解器，首先選擇合理的邊界條件來模擬實際環境，氣流入口處為壓力入口邊界（pressure-inlet），出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壁面邊界條件設置為無滑移邊界（no-slip）。選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標準k-ε方程，在求解參數的過程中根據模擬的實際問題選擇流動方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍動能方程的離散均采用一階迎風格式（First Order Upwind）。由于在Fluent軟件中有四種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過程中采用基于結構網格的SIMPLE算法。

4 結果與分析

4.1 真空度與氣流速度的關系

如圖3顯示的是當吸嘴內的真空度為60 kPa時，其速度流場的分布情況。分析其速度分布的情況：在吸嘴口處氣流速度急劇增加，在吸嘴內氣流速度達到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心處，同一半徑的截圓上的節點速度大小差異不大。根據計算結果，查看中心對稱線上各節點具體的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 處，氣流速度達到了8.18 m/s。即種子移動到離吸嘴距離在3.28 mm 以內，即可把種子吸附。

真空度為65 kPa時候結果如圖4。從圖4可以看出吸嘴內的速度達到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm節點處速度達到8.13 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.33 mm 以內，即可把種子吸附。

真空度為70 kPa時候結果如圖5。從圖5可以看出，吸嘴內的速度達到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm節點處速度達到8.38 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.35 mm以內，即可把種子吸附。

真空度為80 kPa時候結果如圖6，從圖6可以看出，吸嘴內的速度達到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm節點處速度已達到8.23 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.45 mm以內，即可把種子吸附。

4.2 真空度與種子吸附距離

應用流體力學平衡方程計算得到種子被吸附起的臨界氣流速度7.97 m/s，以此為考察依據，分析了不同真空壓力下的種子吸附距離，將真空度與對應的吸附距離的關系，見圖7。從圖7可以看出，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa時，真空度與吸附距離近似正比關系。在真空度超過60 kPa后，隨著真空度增大，吸附距離增幅較大。

5 小結

通過對蘿卜播種機吸嘴實際應用情況的分析，運用二維軟件建模后，確立了在CFD數值計算中的邊界條件問題。采用標準k-ε湍流模型對不同真空條件下的吸嘴內部流場變化進行了數值求解，以入口圓形區域的數值中心線為界，氣吸流場具有對稱分布的特征，隨著真空度的增大，吸附距離也隨之增大，同時也說明了CFD數值計算方法縮短了研發時間，提高了研發效率。

參考文獻：

[1] 楊 健.蘿卜生產成本收益及全要素生產率分析[D].武漢：華中農業大學，2010.

[2] 蘇彩霞，廖慶喜.我國農業機械化技術進步的內在機理研究[J].農機化研究，2003（2）：18-19.

[3] 馬 勇，李 偉，侯連民.我國胡蘿卜栽培技術與機械化生產[J].農業機械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孫曉東.小議氣吸式精量播種機常見問題及故障排除方法[J].民營科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀倫，呂翠珍.32BHQ-2型氣吸式花生精量播種機的設計[J].設計制造，2012（2）：97-99.

[6] 龔發云，葉方平，湯 亮.折流板幾何結構對換熱器性能影響的數值模擬[J].湖北工業大學學報，2013，28（5）：1-4.

2 蘿卜播種機吸嘴流場建模

播種機工作時，種子在排種器的種箱中，排種盤將氣室和種箱隔開，氣室通過軟管與風機相連。當風機工作時，使氣室內產生一定的真空度，在壓差的作用下，排種盤上的吸孔便成了氣流通道而產生吸力，種箱內種子被吸孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉動，當轉到刮種器的部位時，刮種器將多余的種子刮掉，只留一粒種子繼續隨排種盤旋轉到投種區，負壓消失，種子在自重的作用下掉入溝內[5]。種子的最小直徑是1.9 mm，先前已經根據流體力學中受力的平衡方程算得了吸附種子的最低氣流速度是7.97 mm/s，由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉軸對稱圖形，為了簡化流場模型所以在分析流場時僅分析過回轉軸的截面，如圖2所示，建立的幾何模型近似于喇叭狀，其幾何尺寸如表1所示。

3 數值模擬理論基礎

進行數值模擬計算，可以看成是對方程的求解，而方程是經過離散來進行求解的，那么對于流體的流動問題，都要求解質量守恒方程，當流動是湍流時，還要解附加湍流輸運方程。因為播種機吸嘴內部流體流動特性比較復雜，所以用數值模擬的方式預測播種機吸嘴流體的特性，對設計高效可靠的播種機吸嘴、評價和改造現有播種機的性能十分必要。要保證模擬計算的可靠和有效，需要對各個數學模型進行充分的了解和掌握，選擇準確適合的數學計算模型尤為關鍵。

3.1 質量守恒方程

質量守恒定律可以表述為：單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間內流入該微元體的凈質量。按照這一定律，可以得出質量守恒方程[6]：

■+■+■=0

3.2 標準k-ε湍流模型

液相湍動能和耗散率方程可表示如下[6]：

？籽■+？籽■（vlk）=■（■■k）+Gk-？籽？著

？籽■+？籽■（vl？著）=■（■■？著）+c1Gk■-？籽c2■

式中，μt為湍流黏性系數，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動能的增量[6]，表2為相關常數值設定情況。

μt=cμ ？籽■

Gk=μt（■+■）■+（■）■+（■）■

3.3 邊界條件的確定以及求解

此文使用基于有限元法的Fluent求解計算軟件進行數值模擬。在本次數值模擬過程中使用二維單精度求解器，首先選擇合理的邊界條件來模擬實際環境，氣流入口處為壓力入口邊界（pressure-inlet），出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壁面邊界條件設置為無滑移邊界（no-slip）。選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標準k-ε方程，在求解參數的過程中根據模擬的實際問題選擇流動方程（Flow）和湍流方程（Turbulence），湍流耗散率和湍動能方程的離散均采用一階迎風格式（First Order Upwind）。由于在Fluent軟件中有四種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過程中采用基于結構網格的SIMPLE算法。

4 結果與分析

4.1 真空度與氣流速度的關系

如圖3顯示的是當吸嘴內的真空度為60 kPa時，其速度流場的分布情況。分析其速度分布的情況：在吸嘴口處氣流速度急劇增加，在吸嘴內氣流速度達到了最大值133.42 m/s，在吸嘴中心處，同一半徑的截圓上的節點速度大小差異不大。根據計算結果，查看中心對稱線上各節點具體的速度值，在吸嘴正下方3.28 mm 處，氣流速度達到了8.18 m/s。即種子移動到離吸嘴距離在3.28 mm 以內，即可把種子吸附。

真空度為65 kPa時候結果如圖4。從圖4可以看出吸嘴內的速度達到了138.07 m/s，在吸嘴正下方3.33 mm節點處速度達到8.13 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.33 mm 以內，即可把種子吸附。

真空度為70 kPa時候結果如圖5。從圖5可以看出，吸嘴內的速度達到了142.79 m/s，在吸嘴正下方3.35 mm節點處速度達到8.38 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.35 mm以內，即可把種子吸附。

真空度為80 kPa時候結果如圖6，從圖6可以看出，吸嘴內的速度達到了151.60 m/s，在吸嘴正下方3.45 mm節點處速度已達到8.23 m/s，即種子移動到離吸嘴距離在3.45 mm以內，即可把種子吸附。

4.2 真空度與種子吸附距離

應用流體力學平衡方程計算得到種子被吸附起的臨界氣流速度7.97 m/s，以此為考察依據，分析了不同真空壓力下的種子吸附距離，將真空度與對應的吸附距離的關系，見圖7。從圖7可以看出，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于65 kPa時，真空度與吸附距離近似正比關系。在真空度超過60 kPa后，隨著真空度增大，吸附距離增幅較大。

5 小結

通過對蘿卜播種機吸嘴實際應用情況的分析，運用二維軟件建模后，確立了在CFD數值計算中的邊界條件問題。采用標準k-ε湍流模型對不同真空條件下的吸嘴內部流場變化進行了數值求解，以入口圓形區域的數值中心線為界，氣吸流場具有對稱分布的特征，隨著真空度的增大，吸附距離也隨之增大，同時也說明了CFD數值計算方法縮短了研發時間，提高了研發效率。

參考文獻：

[1] 楊 健.蘿卜生產成本收益及全要素生產率分析[D].武漢：華中農業大學，2010.

[2] 蘇彩霞，廖慶喜.我國農業機械化技術進步的內在機理研究[J].農機化研究，2003（2）：18-19.

[3] 馬 勇，李 偉，侯連民.我國胡蘿卜栽培技術與機械化生產[J].農業機械，2011，38（11）：1106-1109.

[4] 孫曉東.小議氣吸式精量播種機常見問題及故障排除方法[J].民營科技，2011（6）：109-110.

[5] 姜秀美，姜秀倫，呂翠珍.32BHQ-2型氣吸式花生精量播種機的設計[J].設計制造，2012（2）：97-99.

[6] 龔發云，葉方平，湯 亮.折流板幾何結構對換熱器性能影響的數值模擬[J].湖北工業大學學報，2013，28（5）：1-4.