水稻育秧播种器吸孔结构对吸孔堵塞的影响

水稻育秧播种器吸孔结构对吸孔堵塞的影响

0吸种孔结构参数的研究播种装置是水稻育种装置的主要工作部件，主要包括机械和气法，包括滚筒式、吸针式和吸盘式。吸盘式播种方式具有作业效率高和易实现按育秧盘按穴精确播种等优点,但负压气室内气流场分布的影响因素多、吸孔结构参数对吸种性能影响大和吸种孔易堵塞形成空穴等问题。目前,国内外学者对气吸式播种器的研究错误!未指定书签。错误!未指定书签。,错误!未指定书签。主要集中在通过试验或数值仿真分析吸种孔吸种性能,研究的对象主要以圆粒和经包衣丸化的种子[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],而对于作业对象为非球型水稻种子的吸孔吸种性能和吸孔堵塞的研究则较少。本文以吸盘式水稻盘育秧播种器吸孔为研究对象,ANSYS12.0/Fluent为工具,对吸孔气流场进行数值模拟试验,分析工况参数和吸孔结构参数对水稻种子的吸种性能和吸孔堵塞的影响,并通过室内试验对数值模拟试验结果进行验证,为整盘气吸盘式水稻育秧播种器吸孔设计提供参考。1板上吸孔加工吸盘式水稻盘育秧播种器由负压气室和吸种板组成,吸种板上吸孔按盘播量和播种间距等要求加工出相应吸孔,结构如文献所示。针对非球型水稻种子,设计了直孔、内倒角30°和沉孔3种类型的吸孔,其结构形式如图1所示。2种子临界气流速度cd在水稻与吸孔气流场组成的气固两相流体系统中,当种子接近吸种孔时,种子在吸种孔附近会与气流场产生复杂的相互耦合作用,在吸种孔口较远处,种子对吸种孔气流的影响较小,此时可以忽略气流场与种子之间的相互耦合作用。水稻种子受到吸种孔垂直向上的气流作用,种子受到的力有向上的绕流阻力R、浮力F和向下的重力G,如图2所示。假设种子为球形,则根据流体力学知识得。式中,Cd为阻尼系数,其与种子形状、表面状态和雷诺数有关;ρ为空气的密度,kg/m3;vt为作用在种子上的气流速度,m/s;ds为圆形种子的半径,m。对于球型种子,浮力式中,g为重力加速度,m/s2。种子受到的重力式中,ρs为种子的密度,kg/m3。种子在气流场中被吸起的临界状态时受到的合力为0,即式(1)、(2)和(3)带入式(4)可得吸起球型种子的临界气流速度为当距离吸孔某处气流速度大于种子临界气流速度时,种子即开始被吸起,随着被吸起的种子越来越接近吸孔,吸孔处气流场与种子之间将产生复杂的耦合作用,种子加速运动直至种子吸附到吸种孔口上,此时由气室内部静负压提供吸力平衡种子的重力。由于水稻种子不是规则的球形,因此随着水稻种子在气流方向上投影面积的变化,受到的绕流阻力R也不断变化,所以对于水稻种子,临界气流速度为一个范围值。种子悬浮的临界气流速度可以通过试验测得,通过悬浮试验测得水稻种子的临界悬浮速度为6~8m/s,水稻种子中小枝梗等杂质的悬浮速度小于饱满种子的悬浮速度。取水稻种子的最大悬浮速度8m/s,定义气流速度等于8m/s处位置距吸孔口垂直距离为吸孔最大吸种距离,则吸孔最大吸种距离值越大,表明吸孔吸附种子的能力就越强。3数值模拟试验3.1几何模型建立环境几何模型的建立和网格的划分方式在分析过程中起关键性作用,ANSYSWorkbench集成工作环境提供了几何模型建立、网格划分和有限元分析的集成环境。根据吸种孔的结构尺寸在DesignModeler模块建立吸孔的三维模型,在Meshing模块对吸孔三维模型进行网格划分,网格划分方法可选择Fluent和CFX方法,本文中选用Fluent求解器则选择Fluent方法进行网格划分,对吸孔部分表面网格划分为0.05mm2。3.2吸孔仿真模型模型边界条件设定和求解在ANSYS12.0/Fluent中进行,仿真分析时对吸孔模型作如下假设:1)空气为可压缩理想空气;2)室温为恒定25℃,大气压为1.01×105Pa;3)吸孔壁面施加无滑移边界条件;4)假设负压气室内部负压均匀一致,只对一个吸孔进行数值仿真研究。吸孔入口边界条件设为压力入口边界条件,压力值等于1.01×105Pa。吸孔出口边界条件设为压力出口边界条件,负压值等于负压气室的负压值。吸孔的出入口边界条件为压力远场边界条件,边界条件直接施加于吸孔不符合真实状态,为有效近似无限远处的条件,边界条件施加于距吸孔10倍直径的距离处。求解时湍流模型选择k-e模型,定义最大运算步数为200,收敛条件为10-4。3.3数值模拟试验方案负压气室和吸孔结构形式对吸孔吸种性能和堵塞影响较大,选择负压、孔径、吸孔导程和吸孔结构形式为四个因素,各因素水平如表1所示,数值模拟试验按L9(34)正交试验表安排。3.4uen计算结果的后处理按四因素三水平正交试验进行9组数值模拟试验,Fluent计算结果后处理在CFD-Post中进行。吸孔最大吸种距离和吸孔最大气流速度仿真计算结果如表2所示,吸孔的气流场速度分布或等速面分布如图3所示。3.5室吸孔导程选择吸孔导程进行单因素数值模拟试验,取气室负压17.6kPa、吸孔孔径为1mm、吸孔形式为直孔,吸孔导程变化范围为0.1~2mm,间隔值为0.2mm。3.6气流速度分布建立如图1所示的通过直孔中心线的直角坐标系,由ANSYS12.0/Fluent计算不同导程吸孔的气流速度在直型吸孔中心线上的速度分布,得到12个不同导程吸孔速度分布图如图4所示,吸孔最大气流速度如图5所示,吸孔最大吸种距离如图6所示。4吸种板及吸种行为在试验过程中,通过换用不同真空度的漩涡气泵来实现吸种气室不同真空度的变化,随着真空度的增加,吸盘空穴率明显降低,但随着真空度的增加吸种孔吸附多粒种子的情况明显增加。试验结果表明吸孔真空度增加对吸种孔吸种能力的提高具有极显著的影响。通过使用双层吸种板重叠组合,可以组合成不同导程和孔型的吸种孔,试验过程中表面吸种板选择0.5、1、1.5mm厚度3种板,吸孔选择1、1.2mm2种直径吸孔,为了提高吸种板刚度,表面吸种板后重叠内板,内板厚度5mm,内板上开8mm大孔,孔中心与表面吸种板吸种中心重合组合成沉孔。试验过程中如果种箱中水稻种子静止不动,吸孔空穴率极大,当吸种板贴近种子面时只有部分吸孔能吸附种子,空穴率在80%以上。通过振动装置当种子在种箱中作“沸腾”状上下振动时,在吸种板贴近种子面1~2mm时吸附效果最好。选择2种直径3种导程的吸孔进行吸种试验,负压源选择最大风压17.6kPa的漩涡气泵,吸种板有效吸种面积为580mm×280mm,每块吸种板上共有1986个吸种孔,考察吸种板空穴率,吸附1粒以上种子的重吸率和吸种孔被水稻小枝梗等杂质堵塞的堵塞率。每组试验做3次以上,试验结果表明1mm直径吸孔空穴率在5.4%~5.6%之间,重吸率在1.3%~1.5%之间,吸孔堵塞率从吸孔导程为1.5mm时的0.15%降低到吸种孔导程为0.5mm时的0.05%;1.2mm直径吸孔空穴率在5.2%~5.4%之间,重吸率在1.3%~1.6%之间,吸孔堵塞率从吸孔导程为1.5mm时的0.13%降低到吸种孔导程为0.5mm时的0.06%。5黄秋葵种子吸种导程对吸种距离和吸孔速度的影响对数值仿真结果表2进行直观分析可得,影响吸孔最大气流速度4个因素的极差分别为RA=68.78、RB=1.11、RC=5.26和RD=19.48,因此因素对吸孔最大气流速度影响的主次关系依次为气室负压、吸孔形式、吸孔导程和孔径,吸孔最大气流速度的因素组合为A3B1C3D2,其中孔径和吸孔导程为次要因素;影响吸孔最大吸种距离的4个因素的极差分别为RA=0.72、RB=0.45、RC=0.27和RD=0.36,因此影响吸孔最大吸种距离的因素主次关系为气室负压、孔径、吸孔形式和吸孔导程,吸孔最大吸种距离最大的组合为A3B2C1D3或A3B3C1D3,其中吸孔导程为次要因素。吸种孔的孔径对吸种最大吸种距离和吸孔最大气流速度的影响均不为主要因素,与现有文献中吸种孔径对吸种质量影响为主要因素存在差异,主要原因分析为,数值模拟试验中选择的3三种吸孔直径较接近,由于水稻种子的外形尺寸限定了吸孔直径不能选择过大,否则吸孔过大响应的重吸率将会增大达不到单粒播种的目的。由图4可得吸孔导程变化对吸孔最大气流速度的影响很小,12组不同导程的直孔在相同外部边界条件下最大气流速度的变异系数为2.23%。由图5吸孔导程的变化范围0.1~2mm,吸孔最大吸种距离在1.4~1.8mm之间无规律变化,且变化范围很小,12组不同导程的吸孔的最大吸种距离之间变异系数为8.15%。由室内试验结果可发现吸种孔导程的变化对空穴率和重吸率的影响较小,减小吸种孔导程,吸孔堵塞率有下降趋势。由于水稻小枝梗等杂质的悬浮速度比水稻种子的悬浮速度小,因此吸孔吸附小枝梗等杂质的最大吸附距离较大,因此水稻小枝梗等杂质更容易较水稻种子先吸附。由图3还可得出,当吸孔导程减小到0.1mm时,吸孔的最大气流速度已在吸孔外部。此时吸孔外部的吸力比吸孔内部吸附力更大,因此,吸孔导程缩短助于水稻小枝梗等杂质顺利通过吸孔,与试验结果较吻合。由表2和图4可知,吸孔最大吸种距离在2mm左右,由图3可看出吸孔气流速度沿吸孔中心线的分布式由小到大,再由大到小,越靠近吸种气流速度急剧增大,在离孔口较远处气流速度很小,因此种子只有接近到吸种孔口2mm左右才能被吸附,仿真结论与室内试验时吸种板贴近种子面1~2mm时吸附效果最好相吻合,此时空穴率小于5.6%。当种子在种箱中静止时,吸盘贴附在种子面上吸种时,吸盘空穴率非常大;分析原因主要是种子密集堆积种子之间相互作用加大,依靠吸孔静负压克服不了种子重力和种子之间相互作用力,其次种子堆积且与吸盘很近,吸孔外部空间较小影响了吸孔气空气流量导致吸孔动负压不足。6吸种孔结构形式的选择气室负压和吸孔形式是影响吸孔吸种性能的主要因素,吸种孔导程变化对吸孔最大气流速度和吸孔最大吸种距离的影响较小。吸孔最大气流速度的因素组合为气室负压17.6kPa、孔径1mm、吸孔导程1.5mm和内侧倒角30°型吸孔,吸孔最大吸种距离最大的组合为气室负