基于CAD-DEM-CFD耦合的气吹式排种器数字化设计方法研究

本文以一种气吹式大豆精密排种器为研究对象,在对国内外有关气固耦合理论进行深入研究的基础上,将气相按连续介质处理,通过求解控制方程分析气相运动信息,即计算流体力学方法（简称CFD）;将大豆种子按离散介质处理,通过牛顿第二定律求解每个颗粒的运动速度和位移,即离散元法（简称DEM）,同时考虑气相与固相的双向耦合作用,在此基础上研制出基于CAD-DEM-CFD耦合的气吹式精密排种器二维设计分析软件。采用该软件通过改变排种器的CAD模型、种子模型和仿真参数,来分析不同结构排种器的性能,以期为气吹式排种器的研究和优化设计建立一种新方法。本文的主要工作和结果如下。 1)对3种大豆种子（吉科豆、吉新豆和吉豆）的物理力学参数进行了测试分析,包括大豆种子的含水率、密度、三轴尺寸、动静摩擦系数、刚度系数、弹性模量及碰撞恢复系数,其中静摩擦系数和碰撞恢复系数采用自制仪器测试。 2)设计制作了内部可视的气吹式大豆精密排种器,在PSJ型排种器试验台上进行了台架试验,借助高速摄像技术和爆破分析软件分析了气吹式大豆精密排种器在不加气和加气2种情况下的工作过程与性能,包括排种性能、种子运动速度和轨迹、投种角,由分析可知: ①在不加气时,随着型孔轮转速（13.99 r/min33.01 r/min）增大,排种单粒率减小、空穴率增大、双粒率无变化规律且值均小于0.6%;离型孔轮较远处的种子速度和位移很小,基本处于原位置自转或静止状态;拖带层种子和投种口种子速度均随型孔轮转速增大而增大;在型孔轮转速一定时,3种大豆种子投种角差别较小,但随转速增大投种角增大;投种后种子的运动轨迹为开口向下的抛物线,且随型孔轮转速增大抛物线开口增大;排3种大豆种子时上述变化规律基本相同; ②加气且吹气口方向与水平夹角成60°时,型孔轮转速一定时,随风压（0.4 kPa~ 2.0 kPa）增大,排种单粒率增大、空穴率减小,而双粒率无变化规律且值均较小,特别是转速26.67 r/min、风压1.2 kPa时,排种性能明显优于不加气时的排种性能;风压一定时,随型孔轮转速增大,排种单粒率减小、空穴率增大、双粒率无变化规律且值均较小;离型孔轮较远处种子的速度和位移很小,基本处于原位置自转或静止状态;拖带层种子速度随型孔轮转速增大而增大,随风压增大而减小;投种口种子速度随型孔轮转速增大而增大,随风压增大也增大;风压一定时,种子投种角随型孔轮转速增大而增大,与不加气时规律相同,转速一定时,投种角随风压增大而减小;投种后种子的运动轨迹为开口向下的抛物线,风压一定时,随型孔轮转速增大抛物线开口增大,型孔轮转速一定时,随风压增大抛物线开口减小;排3种大豆种子时上述变化规律基本相同; ③加气且吹气口方向与水平夹角成90°时,在型孔轮转速为26.67 r/min时,风压增大,排种（吉科豆）单粒率增大、空穴率减小,而双粒率无变化规律,但值均小于等于1.3%,这与倾斜进气口排种规律基本相同;投种后种子运动轨迹的抛物线开口不随风压变化而呈规律性变化,其它与夹角60°时变化规律相同。 3)在深入研究二维结构和非结构网格生成方法的基础上,建立了2种网格生成的改进方法,即TM-魏改进法和基于局部弹簧平衡系统的布点方法,这2种方法可提高网格的贴体性、正交性、疏密性等网格质量。 4)在对DEM、CFD和DEM-CFD耦合方法进行深入研究的基础上,基于同位网格和有限体积法建立了求解气相场的改进算法——SIMPLERC。该算法吸收了SIMPLER算法的优点,克服了SIMPLE算法对压力修正的不理想,同时吸纳了SIMPLEC算法的核心思想,即略去速度修正方程中的∑a nb （u n′b?u′P）项,因而减轻直接由压差项修正速度的负担,使速度场求解速度加快,也避免了SIMPLE算法中“不协调一致”的错误。 5)在对CAD软件进行二次开发的基础上,研制了网格生成模块、气固耦合计算模块,并集成到了课题组研发的二维离散元软件,还采用OpenGL改善了仿真结果的动态显示效果,在此基础上研制出基于CAD-DEM-CFD耦合的气吹式精密排种器二维设计分析软件。通过对该软件的测试和实例验证,包括网格生成模块、气固耦合计算模块等,初步证明了本文开发的二维设计分析软件能实现气体和气固耦合的分析计算。 6)根据试验测得的3种大豆种子的物理力学参数,分别采用圆形和椭圆形2种颗粒模型建立了6种大豆种子的分析模型,采用本文研制的二维设计分析软件分别对不加气和加气情况下的气吹式大豆精密排种器工作过程与性能进行了仿真分析,由仿真分析与试验结果的对比可知: ①不加气时仿真分析,在2种颗粒模型（圆形和椭圆形）和4种转速（13.99 r/min、20.33 r/min、26.67 r/min、33.01 r/min）情况下,排种单粒率均为100%、空穴率和双粒率均为0,与试验结果差别较大,其原因还需深入探讨; ②不加气时仿真分析,离型孔轮较远处种子的速度和位移很小,基本处于原位置静止状态,与试验结果基本相同;在2种颗粒模型和4种转速情况下,拖带层种子和投种口种子（吉科豆）的速度随型孔轮转速增大而增大,与试验结果变化验趋一致;圆形颗粒模型且型孔轮转速为13.99 r/min时,种子（吉科豆）投种角的仿真与试验结果误差为1.01%,种子模型为椭圆形时,投种角仿真与试验结果误差为1.49%,随着型孔轮转速的增大,2种颗粒模型投种角的仿真与试验结果误差均在增大,但仿真与试验结果的变化趋势一致;投种后种子和拖带层种子（吉科豆）运动轨迹与试验结果变化验趋一致; ③加气时且吹气口方向与水平成60°情况下仿真分析,在2种颗粒模型（圆形和椭圆形）、3种转速（13.99 r/min、26.67 r/min、39.35r/min）和3种风压（0.4 kPa、1.2 kPa、2.0 kPa）情况下,排种性能指标均与不加气仿真结果相似,与试验结果差别较大;离型孔轮较远处种子的速度和位移很小,基本处于原位置静止状态,与试验结果基本相同;拖带层种子速度比试验值大、投种口种子速度比试验值小,但总体变化趋势均与试验相同;风压一定时,种子（吉科豆）投种角随型孔轮转速增大而增大,与试验和不加气情况变化趋势相同,转速一定时,随风压增大投种角仿真与试验结果误差增大,但变化趋势相同;投种后种子（吉科豆）运动轨迹为开口向下的抛物线,风压一定时,抛物线开口随型孔轮转速增大而增大,与试验结果变化趋势相同,但较不加气时略小;转速一定时,投种后种子（吉科豆）运动轨迹的抛物线开口随风压增大而略减小,与试验结果变化趋势相同;拖带层种子运动轨迹的仿真与试验虽有误差,但变化趋势基本相同; ④加气时且吹气口方向与水平成90°情况下仿真分析,在2种颗粒模型（圆形和椭圆形）、1种转速（26.67 r/min）和3种风压（0.4 kPa、1.2 kPa、2.0 kPa）情况下,吉科豆的排种性能指标与试验差别较大;离型孔轮较远处种子的速度和位移很小,基本处于原位置静止状态,与其它情况仿真结果及试验结果基本相同;拖带层和投种口种子速度的仿真分析与试验结果变化趋势相同;投种后吉科豆轨迹为开口向下的抛物线,且随风压增大仿真与试验的误差增大,但整体变化趋势相同;拖带层种子运动轨迹的仿真与试验变化趋势相同;风压为0.4 kPa和椭圆颗粒模型时,吉科豆投种角的仿真与试验误差为4.28%,圆形颗粒模型时为8.92%,风压增大时,2种颗粒模型投种角的仿真与试验结果误差均在增大,且椭圆颗粒模型较圆形颗粒模型误差大; ⑤刚度系数和摩擦系数在实测范围内取值时,对仿真结果影响不大。 综上所述可知,虽然仿真结果与试验结果有误差,但除去排种性能指标外,种子运动速度和轨迹、投种角的仿真与试验结果变化趋势一致,由此初步证明了采用DEM-CFD耦合方法和本文研制的二维设计分析软件研究气吹式大豆精密排种器的可行性。