基于DEM-CFD耦合的氣吸式大豆排種器種盤參數優化

尚增強　張開飛　楊東福　馬質璞

摘要：針對氣吸式排種器在高速氣流場下種子的運動規律及受力特性復雜、難以準確分析計算的問題，通過離散元（DEM）與計算流體力學（CFD）耦合的方法，對氣吸式大豆排種器的工作過程進行氣固兩相仿真并對其種盤參數進行優化。分析充種過程中種子所受曳力的變化規律，對充種各階段臨界點進行劃分，定義各階段充種性能評價指標。以吸附持續時間和種子移出阻力作為充種性能評價指標，以托種臺高度、托種臺角度、攪種桿厚度為試驗因素，進行三因素二次旋轉正交組合試驗，并對試驗結果進行響應曲面分析和多目標尋優，確定最佳的排種盤參數組合：托種臺高度為2.8mm、托種臺角度為31.2°、攪種桿厚度為1.4mm。此時，排種器充種性能指標為：吸附持續時間0.104s，種子移出阻力0.0081N。對優化結果進行臺架試驗驗證，與優化前的排種盤在不同作業速度下進行對比。臺架試驗結果表明：優化后的排種盤的排種性能有顯著提升，其合格指數和漏播指數均優于原排種器，滿足大豆精量播種要求。

關鍵詞：大豆；氣吸式排種器；離散元；計算流體力學；氣固耦合仿真

中圖分類號：S223 文獻標識碼：A 文章編號：20955553 （2023） 11000108

Simulation optimization of seed plate of air suction soybean seed-metering device

based on DEM-CFD coupling

Shang Zengqiang Zhang Kaifei Yang Dongfu Ma Zhipu

（1. Nanyang Vocational College of Agriculture， Nanyang， 473000， China；

2. College of Mechanical & Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：Aiming at the problem that the movement law and force characteristics of the air suction seed metering device under the high-speed air flow field are very complex and difficult to accurately analyze and calculate， this paper carries out gas-solid two-phase simulation of the working process of the air suction soybean seed metering device and optimizes the parameters of its seed tray through the coupling method of discrete element （DEM） and computational fluid dynamics （CFD）. The change law of the traction force on the seeds in the process of seed filling was analyzed， and the critical points of each stage of seed filling were divided， and the evaluation indexes of seed filling performance at each stage were defined. Taking the adsorption duration and seed removal resistance as the evaluation indexes of seed filling performance， and taking the height of the seed supporting table， the angle of the seed supporting table and the thickness of the stirring rod as the experimental factors， a three factor quadratic rotation orthogonal combination test was carried out. The response surface analysis and multi-objective optimization were carried out on the test results， and the best parameter combination of the seed metering plate was determined： the height of the seed supporting table was 2.8 mm， the angle of the seed supporting table was 31.2°， and the thickness of the stirring rod was 1.4 mm. At this time， the performance indicators of seed metering device were as follows： adsorption duration 0.104 s， seed removal resistance 0.008 1 N. The optimized results were verified by bench test， and compared with the optimized seed metering tray under different operating speeds. The bench test results showed that the seed metering performance of the optimized seed metering tray was significantly improved， and its qualification index and missed seeding index were better than the original seed metering device， which met the requirements of soybean precision sowing.

Keywords：soybean; air suction seed-metering device; discrete element; CFD; gas-solid coupling simulation

0引言

排種器作為精密播種的核心部件，其工作性能直接影響播種質量［12］。精量排種器按工作原理可以分為機械式排種器和氣力式排種器兩大類［34］。兩者的核心區別是分別采用機械結構和氣流作用完成對種子的取種、運移和投遞。氣吸式排種器是氣力式排種器中應用較廣的類型之一，由于該型排種器采用氣流充種，因此對種子尺寸適應性較高，且具有不傷種的優點，是發展高速精量播種技術所采用的主流排種器。但是氣吸式排種器在高速作業過程中，由于排種盤高速旋轉，種子的充種時間較短，漏播現象普遍的問題難以有效解決。

近年來，隨著計算機技術的發展，為了詳細描述顆粒相和氣流相之間的相互作用，結合計算流體力學和離散元法（DEM-CFD）的耦合計算方法已應用于谷物清選［5］，流化床顆粒運動［68］，氣力顆粒運動［911］等領域。針對氣力式排種器，張開興等［12］采用Fluent分析了不同吸孔對氣室流場的影響，得出了最佳的排種盤吸孔結構；廖宜濤等［13］通過計算流體力學建立了負壓氣室的流體域模型，分析得出了影響吸種效果的主要因素；Yazgi等［14］通過建立氣吸式排種器各物理量間的數學模型，并通過高速攝像和響應面分析法，確定了種盤轉速、吸孔直徑和真空壓力之間的對應關系；nal等［15］通過排種機理的分析，計算得出了種盤的最佳吸孔數。在這些研究中均采用單一的離散元方法或理論計算的方式優化氣力式排種器的結構參數，存在一定局限性。

本文采用DEM-CFD耦合的方法分析氣吸式大豆排種器的工作過程，研究充種過程中各階段影響充種性能的主要因素，分析種子作業過程中的運動規律和受力特性，開展三因素二次旋轉正交組合試驗，優化排種盤主要結構參數，并進行臺架試驗驗證。

1充種原理與結構設計

1.1整體結構與工作原理

氣吸式大豆排種器的整體結構如圖1所示，主要由氣室、卸種機構、毛氈擋板、密封氣墊、排種盤、清種機構等部件組成。其中排種盤是核心工作部件，由吸孔、托種臺、攪種桿和種盤本體組成，托種臺和攪種桿均勻分布于吸孔周邊。當排種器工作時，種子通過進種口在重力作用下落入種腔室，排種盤在動力軸的作用下作周向旋轉運動，氣流在排種盤吸孔兩側形成壓差，將種子吸附在吸孔上隨排種盤轉動，排種盤上的攪種桿將種腔室內的種群離散化，而托種臺起到輔助充種的作用，直至吸附在吸孔上的種子脫離種群完成充種過程；多余的種子隨后將在清種刀的作用下回落至種腔室；最終僅存單粒種子到達氣室末端，此時氣流被阻斷，負壓消失，種子將在重力、離心力和卸種機構的外力作用下落入預先開好的種溝中，完成精量播種作業。

1.2排種盤關鍵結構設計

排種盤作為排種器中主要與種子接觸的部分，是影響種子充種性能的關鍵部件，合理設計排種盤結構可有效提升排種器的作業質量［1617］。

1.2.1托種臺高度設計

托種臺是排種盤上的關鍵結構，能夠使處于種腔室內充種區的種子具有一定的初速度，起到輔助托持種子的作用。具有托種臺設計的排種盤，種子在吸孔處的受力分析如圖2所示。

為了計算托種臺的合理高度，選取設計排種盤最高速度為16km/h。如圖2所示，當種子靠近吸孔時，種子將在氣流曳力的作用下朝吸孔運動，并最終被吸孔捕獲。種子如果沒有被吸附發生掉落，將從上一托種臺邊緣掉落至下一吸孔區域，此時滿足式（1）～式（3）。

托種臺高度增加，吸附種子所需的氣室負壓減小，托種臺可發揮輔助托種的作用。但托種臺的高度過大，則對種子的托持作用越大，將使吸孔穩定吸附雙粒或多粒種子，導致重播現象嚴重。本文試驗采用的大豆種子等效直徑均值為6.7mm，選取托種臺高度為2～5mm，具體參數還需進一步試驗分析。

1.2.2托種臺角度設計

2排種盤輔助充種性能仿真分析

2.1DEM-CFD方法的數學建模

2.2種子顆粒與排種器幾何體建模

在氣固耦合仿真中，氣流場和顆粒場分別基于ANSYS Fluent 2021和EDEM 2021軟件。在EDEM中對排種器整體結構進行簡化，去除無關仿真精度的相應部件。本文以應用較為廣泛的合農91種子為試驗對象，其三軸尺寸均值為6.2mm×6.5mm×7.8mm。根據EDEM官方材料庫和預先試驗，仿真采用的材料力學特性如表1所示。

在排種器的氣流場建模中，在排種盤吸孔處需要劃分細致的網格尺寸，為了確保耦合仿真精度，大豆種子顆粒模型需通過粘結顆粒方法進行建立，該方法可以在耦合模擬中準確計算顆粒的體積分數和動量源項。此外，組成大豆種子粘結顆粒的子球數量越多，則顆粒模型與實際大豆種子形狀越接近，但耦合計算成本急劇增加，因此綜合考慮耦合精度和計算成本后，選擇基于102球組成的大豆種子粘結顆粒模型，如圖4所示，子球與子球之間通過內聚鍵粘結。

種子—種子、種子—排種盤的接觸模型采用Hertz-Mindlin接觸模型。在排種器工作過程中，排種盤作周向旋轉運動，因此采用滑移網格法，將托種臺與吸孔的體網格區域屬性設定為動態網格，其余結構設定為靜態網格。分別將吸孔與種腔室和氣室的接觸面定義為交界面，以實現排種盤旋轉過程中種腔室與氣室之間的數據交換，并設定EDEM中排種盤的旋轉速度與Fluent中吸孔旋轉速度一致。

設置共生成400粒大豆種子粘結顆粒模型，由于EDEM的時間步長遠小于CFD，因此選擇EDEM和CFD時間步長分別為2×10-5s和1×10-4s以獲得良好的計算收斂性，總模擬時間為2.0s，每0.002s在EDEM和Fluent中記錄數據，以提取種子顆粒的運動信息和受力特性，耦合仿真過程如圖5所示。

2.3充種過程仿真分析

在充種區采用Fluent導出種子與氣流跡線的關系示意圖，如圖6所示。在EDEM中導出種子顆粒速度與位置示意圖，如圖7所示。由于EDEM與Fluent耦合仿真是雙向的，顆粒在流體中運動，顆粒會受到氣流的曳力，使種子顆粒能夠在種腔室內按既定路線運動，與此同時，氣流會受到顆粒的阻力（顆粒阻礙氣流流動），曳力與阻力大小相等，方向相反。圖6和圖7表明，流場中種子顆粒與氣流跡線的關系與排種器種子運動機理一致，驗證了基于DEM-CFD耦合仿真的準確性。

3仿真優化與臺架試驗

3.1仿真試驗方案

3.2仿真試驗結果與分析

3.3排種盤結構參數優化

根據Matlab的尋優算法優化求解，可得排種盤的最佳參數組合托種臺高度為2.8mm、托種臺角度為31.2°、攪種桿厚度為1.4mm，此時吸附持續時間為0.104s，種子移出阻力為0.0081N。

3.4驗證試驗

為了驗證氣固耦合仿真優化排種盤結構參數的準確性，對優化后的氣吸式大豆排種器的排種性能進行臺架對比試驗，優化前排種盤的結構參數對應表2中的零水平。試驗在河南農業大學STB-700排種性檢測試驗臺上進行，排種盤轉速選擇20r/min，30r/min，40r/min和50r/min進行單因素重復試驗，氣室風壓固定為-4kPa，誤差為±0.1kPa，每組試驗重復3次，結果如圖10所示。優化前后排種器的合格指數均隨排種盤轉速的增加呈現先上升后下降的趨勢；重播指數均隨排種盤轉速的增加呈現下降趨勢；漏播指數均隨排種盤轉速的增加呈現上升趨勢。

在較低排種盤轉速下（20r/min），優化前的排種器表現出較佳的排種性能，其合格指數為90.27%，但在較高排種盤轉速下（≥20r/min），氣固耦合仿真優化后的排種器在合格指數上均優于原排種器，在排種盤轉速為40r/min時，其合格指數最大為92.87%，且優化后的排種器在各排種盤轉速下，漏播指數較低，顯著改善了高速作業下氣吸式排種器漏播現象普遍的問題，因此采用DEM-CFD氣固耦合方法優化排種器關鍵結構參數能夠有效提高排種器的排種性能。

4結論

1） 建立了氣吸式排種器充種過程的數學模型，分析了吸附階段和跟隨階段影響排種器充種性能的主要因素，確定了排種盤結構優化的目標參數為托種臺高度、托盤臺角度和攪種桿厚度。

2） 通過DEM-CFD方法對排種器工作過程進行耦合仿真，分析了氣流曳力對種子顆粒的作用過程，定義了氣吸式排種器的充種性能評價指標為吸附持續時間和種子移出阻力，通過正交仿真試驗和多目標尋優分析，確定了排種盤的最佳參數組合托種臺高度為2.8mm、托種臺角度為31.2°、攪種桿厚度為1.4mm，此時吸附持續時間為0.104s，種子移出阻力為0.081N。

3） 臺架對比試驗結果顯示，優化后的排種器在各排種盤轉速下，漏播指數較低，顯著改善了高速作業下氣吸式排種器漏播現象普遍的問題，此外在較高排種盤轉速下（≥20r/min），優化后的排種器在合格指數上均優于原排種器，在排種盤轉速為40r/min時，其合格指數最大為92.87%，表現出優越的作業性能。

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