基于EDEM-FLUENT耦合的气吹式排种器工作过程仿真分析

本文以一种气吹式排种器和吉科豆种子为研究对象，将种子颗粒按离散相处理，通过牛顿定律求解每个颗粒的运动，即离散元法（DEM）；同时将气体按连续相处理，通过求解Navier-Stokes方程得到气体的运动，即计算流体力学方法（CFD）；最后考虑颗粒与气体的双向耦合作用。在此基础上，基于商品软件EDEM及其与FLUENT的耦合，对不同参数下排种器的工作过程进行仿真分析，以期为改良现有排种器和研制新型排种器建立一种新方法。本文的主要工作和结论如下。 （1）对EDEM软件及其与FLUENT软件的耦合方法进行了分析，确定采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型来模拟颗粒-颗粒和颗粒-边界的接触碰撞；采用具有相间耦合作用的Eulerian-Eulerian法，来模拟颗粒-气体的双向耦合作用；采用Ergun andWen&Yu（Gidaspow）模型来求解曳力；忽略升力和相间传热的影响。 （2）将大豆种子简化为球形颗粒和组合球颗粒两种模型，采用EDEM仿真了4种排种轮转速（13.99r/min、20.33r/min、26.67r/min、33.01r/min）条件下不加气时（型孔轮式）排种器的工作过程，并与台架试验进行了对比分析，得到如下结论： ①仿真得到的两种颗粒模型单粒率和空穴率的变化趋势与试验是相同的，随着排种轮转速的增大，单粒率逐渐减小，空穴率逐渐增大，双粒率的变化没有一定规律。在转速较低时，仿真与试验值相对误差在6%以内；当转速达到33.01r/min时，组合球颗粒的仿真与试验值相对误差达到13%； ②两种颗粒模型投种角的仿真值均比试验值小，但是随着排种轮转速变化的趋势是相同的，且组合球颗粒的相对误差比球形颗粒小； ③两种颗粒模型拖带层种子运动轨迹的仿真值均与试验存在偏差，但是变化趋势相同，且球形颗粒的仿真轨迹更接近试验轨迹； ④球形颗粒的仿真速度较组合球颗粒要快，但是在排种性能和投种角对比分析时，组合球颗粒的仿真结果更接近台架试验。 （3）在GAMBIT中建立了完整的流场模型，并采用FLUENT进行了数值模拟，具体求解方法：移动区域的流体流动问题采用滑移网格模型处理；数值模拟选用压力基求解器进行求解；精度控制采用二阶迎风格式离散对流项；选用SIMPLEC算法进行速度-压力耦合计算。最后通过后处理分析，验证了排种器的气吹原理。 （4）对流场模型进行了简化处理。在3种进气压（0.4kPa、1.2kPa、2.0kPa，对应气流速度为6.582m/s、10.327m/s、12.845m/s）和3种排种轮转速（20.33r/min、26.67r/min、33.01r/min）的条件下，应用EDEM-FLUENT耦合模块对气吹式排种器的工作过程进行了耦合模拟，并将耦合仿真结果与台架试验结果和不加气时EDEM仿真结果进行了对比，得到如下结论： ①不论是耦合仿真还是台架试验，在气压一定时，随着排种轮转速的增大，单粒率逐渐减小，空穴率逐渐增大，且变化趋势一致，而双粒率均小于1%且没有一定的变化规律；在进气压为2.0kPa时，耦合仿真结果与台架试验结果的相对误差最小，在5%以内。 ②与不加气时EDEM仿真结果对比发现，在转速较低时，气吹作用对排种性能无明显影响，且耦合仿真结果与台架试验结果非常接近。 ③耦合仿真的拖带层种子运动轨迹与试验轨迹存在一定偏差，但是在3种进气压下的运动趋势是相同的，且在0.4kPa时，仿真轨迹与试验轨迹较其他2种气压更为接近。 总之，仿真模拟是一种较理想的试验，且对参数和模型的处理要求较高，本文只是初步证明了应用EDEM-FLUENT耦合方法研究气吹式排种器的可行性。