基于CFD-DEM耦合的气流一阶集排式排种系统仿真与试验

近年来谷物种植规模化的发展及大型拖拉机的推广应用,使播种机械向大幅宽、高速度作业方向发展。而我国市场上现有的播种机仍以配套中小型拖拉机的型号居多,多采用“一器一行”的排种器形式,增大幅宽时,就需要增加相应数量的排种器,排种器数量过多会造成播种机整机结构臃肿、庞大,不便于作业转场运输及保证作业质量。而集排器相比“一器一行”式排种器排种效率高、单个排种器能同时完成多行的排种任务。大宽幅播种机采用集排器可减少排种器的使用数量,简化播种机整机结构,是近年来的发展方向。本文在国内外研究基础上,设计了气流一阶集排式排种系统。利用CFD-DEM耦合数值模拟的方法优化排种系统结构,对设计计算加以修正。试制气流一阶集排式排种系统样机,搭建气流一阶集排式排种系统试验台对气流一阶集排式排种系统进行排种性能试验研究,得出最优排种性能工作参数。本论文具体研究内容如下:(1)通过查阅相关文献掌握了小麦种植的农艺要求,根据农艺要求确定气流一阶集排式排种系统结构方案,并对其结构和工作原理进行了阐述,对系统工作参数和关键部件进行设计计算。(2)根据设计的集排系统参数建立数值仿真模型进行耦合计算分析,模型收敛性良好,验证了 CFD-DEM耦合法模拟排种系统的可行性。仿真计算种子排出系统速度达2m/s,没有出现种子的沉降,滞留及堵塞现象,气流一阶集排系统设计功能实现。排种速度达15.6kg/min,各行排量一致性变异系数为4.7%。(3)查阅相关文献资料,采用PB试验设计方法,利用CFD-DEM耦合数值模拟的方法对影响集排系统排种性能的结构参数进行仿真试验,筛选出混合室长度、弯管弯径比、褶型管长度为对排种性能的主要影响因素。设计二次旋转正交组合试验进行仿真试验,得出混合室长度、弯管弯径比、褶型管长度对排种性能的影响规律,对参数进行优化分析得出褶型管长度在297.46mm时,混合室长度在196.4-208.2mm、弯径比在4.7-5.5时为最优结构参数组合,各行排量一致性变异系数小于4.6%。根据仿真试验优化出的结构参数试制排种系统样机,搭建试验台进行试验验证,试验结果各行排量一致性变异系数为5.18%。由于安装制造有误差及实际试验条件无法达到模型理想边界条件,验证试验结果略有偏差,仿真试验结果可信。(4)设计入风口气流速度、喂种速度对排种性能影响的单因素试验,通过单因素试验分析得出喂种量为260g/s,气流速度为40m/s时各行排量一致性变异系数最低为6.8%。气流速度为40m/s,喂种速度为300g/s时各行排量一致性变异系数最低为6.1%。以气流速度、喂种速度、弯管弯径比为影响因素,以各行排量一致性变异系数为目标函数,采用二次旋转正交组合试验设计方法,对试验结果进行优化分析,弯管弯径比为5时,气流速度为49.2-51.9m/s、喂种速度为258.7-267.6g/s时为最优工作参数组合,各行排量一致性变异系数小于4.35%。(5)在气流一阶集排式排种系统设计和试制基础上,对其结构及工作参数对排种性能的影响进行研究,为工程设计和进一步研究提供参数依据和理论基础。