水稻氣力有序拋栽缽苗運動過程研究

姚穎杰，王玉興，唐艷芹，羅錫文

(華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

目前，我國自行研制的水稻拋秧機械種類較多[1-6]，而有序式拋秧機一般采用導苗管結構，以實現水稻缽苗的有序移栽。導苗管結構會直接影響水稻移栽的直立度、入土深度及行株距的均勻性[7]。研究導苗管對拋栽效果的影響，往往以最終拋栽效果為指標，進行土槽試驗或者田間試驗；但是，相應的試驗費時費力，且無法反映水稻缽苗在導苗管內運動的情況。因此，有學者采用高速攝影試驗的方式[8]，觀察水稻缽苗在導苗管內某一特定位置的運動情況；但高速攝影只能反映在投影的二維界面內水稻缽苗的運動情況，無法直觀地反映水稻缽苗在三維空間的運動狀態。為此，有學者提出采用仿真試驗的方式進行研究。朱克武等人曾利用LS-DYNA軟件，對水稻缽苗拋栽過程進行研究；但受限于當時軟件版本以及計算水平，只能分別對水稻缽苗吹出瞬間、水稻缽苗與導苗管后壁碰撞瞬間進行仿真[9-10]。

近年來，隨著軟件版本的升級及計算機運算水平的提高，運用LS-DYNA軟件進行仿真的模型規模呈指數性增長。國內外學者已可以利用LS-DYNA模擬降落傘打開過程、游輪與冰山碰撞過程等復雜的流固耦合模型[11-14]。為此，本文提出利用LS-DYNA仿真方式，以水稻氣力有序拋栽為研究對象，研究水稻缽苗的運動軌跡與缽苗在導苗管出口處位置分布，為提高拋栽行株距有序性提供理論依據。

1 水稻氣力有序式拋栽原理

水稻氣力有序拋栽過程中，工作裝置依靠電磁閥控制噴嘴有序噴射氣流，吹出秧盤對應穴位中的缽苗。缽苗被吹離秧盤后，經導苗管導向，有序落入田間，進而實現缽苗有序拋栽。導苗管采用4管結構，每個分管對應1組噴嘴，每組噴嘴上排3個，下排4個，對稱分布，如圖1所示。上排噴嘴與水平面夾角為15°，下排噴嘴與水平面夾角為9°，每個噴嘴噴射氣體時間為0.02s。

圖1 氣嘴序號圖示Fig.1 The dynamic graphic of the nozzles’ numbers

2 仿真試驗

2.1 仿真試驗方法

水稻氣力有序拋栽，涉及噴嘴噴射氣體、缽苗脫離秧盤及缽苗在導苗管內運動3部分。氣體噴射一般采用FLUENT軟件進行模擬，因此利用FLUENT建立了五通管模型，模擬拋栽工作時，噴嘴出口處的氣流速度，再將此作為水稻缽苗運動模型(LS-DYNA模型)的輸入數據，最終模擬出水稻氣力有序拋栽缽苗的運動過程。

2.2 建立五通管模型

拋栽工作裝置通過五通管結構實現氣體的噴射。五通管分為1個進口和4個出口，每個出口對應連接在導苗管各條分管內，而進口則經電磁閥與儲氣罐連接，電磁閥接通時，4個出口同時噴射氣體。

五通管模型采用標準的K-EPSILON模型。設定材料模型為空氣模型，密度為1.25kg/m3。設定流體(空氣)入口和出口為PRESSURE-INLET，入口壓力為0.5MPa，出口壓力為0MPa。迭代計算收斂后，導出五通管出口處的速度云圖，如圖2所示。將每個出口按照圖3進行劃分，導出Ai、Bi、Ci、Di、Ei各個節點的氣流速度，求得平均速度，整理如表1所示。

圖2 五通管氣流速度矢量圖Fig.2 The velocity vector chart of the five coupling tube

圖3 噴嘴出口節點劃分Fig.3 The node division of the nozzle’s outlet表1 噴嘴出口節點速度Table 1 The node velocity of the nozzle outlet

節點平均速度/m·s-1節點平均速度/m·s-1Ai351Bi335Ci312Di203Ei102

2.3 建立缽苗運動模型

水稻缽苗的運動仿真模型，包括缽土、水稻秧苗、導苗管、秧盤及空氣。本文利用ANSYS WORKBENCH中EXPLICIT DYNAMICS(LS-DYNA EXPORT)模塊進行相應的網格劃分、約束定義、重力定義和計算參數定義;之后生成相應K文件，導入LS-PREPOST進行其他關鍵詞的修改。修改的關鍵詞包括各項材料的定義、接觸的定義及ALE相關關鍵詞的定義。

本文將缽土、水稻秧苗、導苗管材料模型定義為*MAT_ELASTIC，將秧盤[9]材料模型定義為*MAT_RIGID。各材料模型參數，如表2所示。

表2 主要材料基本參數Table 2 The basic parameters of main material

將空氣材料模型定義為*MAT_NULL。其中，密度為1.25kg/m3，動力粘度系數為1.745 6×10-5Ns/m。空氣的狀態方程由*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL表示，即

p=c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4+c5μ+c6μ2)e

其中

式中p—氣體壓力；

c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6—多項式各項系數；

e—內能；

V—氣體的相對體積。

仿真模型中，空氣模型按理想氣體進行參數設定，空氣材料基本參數如表3所示。因為理想氣體是符合γ律狀態方程的氣體，故有

c0=c1=c2=c3=c6=0

c4=c5=γ-1

初始狀態時，空氣模型滿足

式中p0—初始氣體壓力；

γ—比熱系數；

e0—初始內能；

V0—氣體的相對體積。

其中，比熱系數γ=1.4，初始相對體積V0=1。設定初始時空氣壓力p0=1.013×105Pa，則可得對應e0=2.533×105J/m3。

表3 空氣材料基本參數Table 3 The air basic parameters

在ANSYS WORKBENCH生成的原始K文件中，空氣模型的單元類型被設定為*SECTION_SOLID，該單元類型不適用于ALE運算，故將其修改為*SECTION_SOLID_ALE。同時，添加用于流固耦合運算的關鍵詞 *CONTROL_ALE以及*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。其中，將空氣模型定義為MASTER，將其他模型組合并定義為SLAVE。

噴射空氣由*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET關鍵詞定義，該關鍵詞定義噴嘴出口處空氣的運動速度。因為每個噴嘴噴射氣體時間為0.02s，故將該關鍵詞的生效時間定義為0～0.02s。噴嘴出口處的空氣模型各節點速度與表1各節點平均速度相對應。內外管1號噴嘴對應的缽苗運動模型如圖4所示。

(a) 內管模型

(b) 外管模型圖4 內外管1號噴嘴對應的缽苗運動模型Fig.4 The movement model of the pot seedling thrown from the No.1 nozzle in the inner and outer tubes

3 仿真結果及分析

本文采用LS-PREPOST作為后處理軟件，對仿真結果數據文件(D3PLOT文件)進行讀取并分析，在該軟件中可以直觀得到水稻缽苗在導苗管內的運動過程。對每一時刻的缽苗位置圖進行疊加處理，能得到水稻缽苗在導苗管內的運動軌跡。

3.1 YZ投影面拋栽軌跡

水稻氣力有序拋栽缽苗過程中，導苗管內外管中下段的彎折度差異，會影響缽苗拋栽的行距。研究仿真結果中，YZ投影面內的缽苗拋栽軌跡，為提高拋栽行距有序性提供理論依據。

YZ投影面內，水稻缽苗在內管中的拋栽軌跡如圖5所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，在進入內管中段后，均會與中段的左側面相接觸；缽苗在與該面接觸之后，均不產生明顯彈跳，而是緊貼在該面上向下滑動；缽苗在滑離內管中段左側面后，進入內管下段；在下段的運動中，各組缽苗均逐漸趨近內管下段的右側面，最終與右側面相接觸；接觸之后，各組缽苗均未產生明顯反彈；到達內管出口處時，各組缽苗均靠近出口的右側。

YZ投影面內，水稻缽苗在外管中的拋栽軌跡如圖6所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，在進入外管中段后，也均會與中段的左側面相接觸。其中，第2組缽苗在與左側面接觸后產生了較為明顯的彈跳，并與中段的右側面相碰撞，但該組缽苗最終也和其他組一樣，沿著外管中段的左側面滑入外管下段；在下段的運動中，各組缽苗均趨近并與右側面相接觸；缽苗與外管下段右側面接觸后，均產生了明顯的反彈；最終，到達外管出口處時，除第2、4組缽苗外，其余各組缽苗均靠近出口左側。

在YZ投影面中，無論內管或者外管，缽苗均會沿中段的左側面下滑，并在同一位置進入導苗管下段；進入導苗管下段的位置相同，提高了缽苗在導苗管下段運動的一致性，使得缽苗在導苗管出口的橫向位置有集中分布的特征。

圖5 內管YZ投影面內缽苗運動軌跡Fig.5 The trajectory of the pot seedling in the YZ plane of the inner tube

圖6 外管YZ投影面內缽苗運動軌跡Fig.6 The trajectory of the pot seedling in the YZ plane of the outer tube

3.2 XY投影面拋栽軌跡

導苗管內管在XY面的投影，和導苗管外管在XY面的投影一樣。仿真結果中，XY投影面內的缽苗拋栽軌跡，為提高拋栽株距有序性提供理論依據。

XY投影面內，水稻缽苗在內管中的拋栽軌跡如圖7所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，首先會與內管上段的后壁(XY投影面中，導苗管的左端面)碰撞，并產生明顯的反彈；各組缽苗與后壁碰撞的位置較為一致，均略低于拋栽初始位置；各組缽苗反彈后進入內管中段，并逐步趨近內管前壁(XY投影面中，導苗管的右端面)；除第6組外，其余各組缽苗與內管前壁碰撞后，均產生明顯的反彈，各組反彈程度較為相似。但是，各組缽苗與前壁碰撞位置有明顯差異，導致缽苗反彈后，在內管下段的運動軌跡差異明顯，最終各組缽苗到達內管出口處的位置無明顯規律。

XY投影面內，水稻缽苗在外管中的拋栽軌跡如圖8所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，在外管上段的運動軌跡，與缽苗在內管上段的運動軌跡基本一致；在外管中段，除了第2、3組外，其余各組的缽苗均會與外管前壁碰撞并反彈。但是，各組缽苗與外管前壁的碰撞位置、碰撞后的反彈程度卻有所差異，導致各組缽苗在外管下段的運動軌跡差異明顯，最終各組缽苗到達外管出口處的位置無明顯規律。

在XY投影面中，無論內管或者外管，導苗管前后壁對缽苗的運動軌跡都沒有明確的導向作用。缽苗進入導苗管下段的位置不唯一，加劇了缽苗到達導苗管出口的縱向位置不確定性，進而使缽苗縱向位置分布無明顯規律。

圖7 內管XY投影面內缽苗運動軌跡Fig.7 The trajectory of the pot seedling in theXYplane of the inner tube

圖8 外管XY投影面內缽苗運動軌跡Fig.8 The trajectory of the pot seedling in theXYplane of the outer tube

4 高速攝影試驗驗證

4.1 試驗裝置

為驗證仿真模型的合理性，搭建了一套高速攝像裝置進行試驗。試驗裝置包括高速攝影機(Phantom Miro系列)、高速攝影激光照明系統、計算機及氣力有序式拋秧機，如圖9所示。

圖9 高速攝像試驗裝置Fig.9 The device for the high-speed photography experiment

4.2 試驗材料與方法

試驗所選用的水稻品種為“鄭旱10號”，葉齡為2.5葉。試驗所用缽苗育秧盤為蜂窩狀機拋育秧盤。

試驗前，調節各噴嘴的角度，使之與仿真試驗中的噴嘴角度一致。試驗時，調節氣力有序式拋秧機工作氣壓為0.5MPa，采用拋秧工作檔位進行拋秧；此時，噴嘴噴射氣體時間為0.02s。導苗管為對稱結構，同種類型的管(以內外管區分類型)在理論上，拋栽效果是相同的。因此，拋秧過程中，高速攝影機僅記錄導苗管右側內外管的缽苗運動情況。

4.3 試驗結果

試驗后，利用高速攝影機配套的PCC 2.6軟件對拍攝到的視頻進行處理，記錄各缽苗到達導苗管出口時所處的位置，并進行統計，如圖10所示。其中，記錄缽苗位置時，分別以導苗管內外管出口的左側面以及后壁為基準。

根據圖11和圖12的統計結果可得：缽苗到達內管出口時，86.3%的缽苗與內管出口左側面的距離超過0.03m，即86.3%的缽苗位于內管出口的右半部分；缽苗到達外管出口時，76.9%的缽苗與外管出口左側面的距離小于0.03m，即76.9%的缽苗位于外管出口的左半部分。

圖10 高速攝影試驗結果Fig.10 The result of the high-speed photography experiment

圖11 內管出口處缽苗橫向位置分布圖Fig.11 The distribution map on the lateral position of the pot seedlings at the outlet of the inner tube

圖12 外管出口處缽苗橫向位置分布圖Fig.12 The distribution map on the lateral position of the pot seedlings at the outlet of the outer tube

根據圖13和圖14的統計結果可得：缽苗到達導苗管內外管出口時，在出口前后壁之間的位置分布無明顯規律；無論內管或者外管，在出口前半部分拋出的缽苗數量，與在后半部分拋出的缽苗數量較為接近，在內管和外管出口后半部分(靠近導苗管后壁)拋出的缽苗數量分別占總數55.5%和52.1%。

圖13 內管出口處缽苗縱向位置分布圖Fig.13 The distribution map on the longitudinal position of the pot seedlings at the outlet of the inner tube

圖14 外管出口處缽苗縱向位置分布圖Fig.14 The distribution map on the longitudinal position of the pot seedlings at the outlet of the outer tube

5 結論

1)利用ANSYS FLUENT和ANSYS LS-DYNA相結合的方式，建立了水稻氣力有序拋栽的仿真模型，對水稻缽苗在導苗管內外管中的運動過程進行分析，并通過高速攝影試驗，驗證仿真模型的合理性。

2)水稻缽苗會緊貼導苗管內外管中段的側面下滑，最終滑入導苗管下段并被拋出。水稻缽苗被拋離導苗管時，在出口處的橫向位置有集中分布的特點，與缽苗在中段的運動軌跡有關。導苗管的前后壁對缽苗的運動軌跡沒有明確的導向作用，導致最終缽苗在出口的縱向位置分布較為分散。