氣吸式播種器吸嘴流場研究(新)

1、真空氣吸式播種器吸嘴流場研究1莊森，田盈輝，蔣晶，石周正鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鄭州，摘要：氣吸式播種器能提高作業(yè)速度，而且節(jié)省種子。本文通過理論分析得到了種子被吸附起的臨界氣流速度，并用軟件模擬5KPa ，10KPa ，20KPa ，30KPa ，40KPa 真空度時的吸嘴流場，得到這些真空度所對應(yīng)的播種器吸嘴附距離，。最終確定吸嘴的吸附距離是隨著真空度的加大而增大的。關(guān)鍵詞：真空氣吸；播種器；流場；中圖分類號：S776.24，：，5KPa ，10KPa ，20KPa ，30KPa ，40KPa ，：；引言氣吸式播種是一種利用氣流的吸附力或壓附力，將種子從種子堆中分離出來，達(dá)到單粒精量播種的技

2、術(shù)。氣吸式播種機(jī)通常是利用氣流壓力差從種子室攫取單粒種子并依次將其排出。它是以氣流為載體完成囊種和排種的。與機(jī)械式精量播種機(jī)相比，具有省種、不傷種、作業(yè)速度高諸多優(yōu)點(diǎn)，而且對種子尺寸相對要求不嚴(yán)，傷種少，易實(shí)現(xiàn)單粒點(diǎn)播，通用性好，作業(yè)速度提高潛力大，所以氣吸式精密排種器一直是國內(nèi)外科研的攻關(guān)重點(diǎn)。種子被吸附所需的氣流速度計(jì)算目前的煙葉和蔬菜種子一般都是包衣種子，形狀比較規(guī)則，在吸附的過程中，我們假定種子的形狀為圓球體，設(shè)直徑為，密度為m ，圓球體為中心對稱的旋轉(zhuǎn)體，故種子所受的升力，其它各力為向上的力有繞流阻力和浮力，其計(jì)算公式為u 21F =C d A =C d d 2V 02（）281M

3、=d 3g （）6向下的力有重力，其計(jì)算公式為G =1d 3m g （）6種子被吸起的條件是：向上的合力大于等于向下的合力，即F +M G （）其臨界狀態(tài)為F +M =G （）1 作者簡介：田盈輝（1980），男，河南臨潁人，鄭州大學(xué)2004級碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽詣踊a(chǎn)業(yè)技術(shù)裝備。將式（）、（）、（）代入（）則有1112C d d 2V 0+d 3g =d 3m g （）866由式（）得出種子被吸起時的臨界氣流速度為V 0=4m gd （）3C d 24Re當(dāng)時，時，在工程中常用近似計(jì)算×，13Re××，對于本課題的研究情況，取，×，代入式（），

4、得從種子在懸浮狀態(tài)時的受力平衡方程式中，可以看出，只要?dú)饬魉俣却笥谄胶鈺r的臨界氣流速度，那么種子就受到一個向上的加速度，從而被吸嘴所吸附。2 基于計(jì)算流體動力學(xué)的流場氣流分析計(jì)算流體動力學(xué)概述計(jì)算流體動力學(xué)（Computional Fluid Dynamics，簡稱CFD ）是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，通過數(shù)值方法求解流體力學(xué)控制方程，得到流場離散的定量描述，并以此預(yù)測流體流動規(guī)律。CFD 的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的集合來替代，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上變量之間的關(guān)系并得代數(shù)方程組，然后

5、求解代數(shù)方程組獲得變量場的近似值。CFD 有時也稱流場的數(shù)值模擬、數(shù)值計(jì)算、或數(shù)值仿真等2。CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實(shí)驗(yàn)測量方法、組成了研究流體流動問題的完整體系，圖1給出了表征三者之間關(guān)系的“三維”流體動力學(xué)示意圖3。 圖1 “三維”流體動力學(xué)示意圖CFD 的長處是適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣。首先，流動問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，很難求得解析解，而用CFD 方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解；其次，可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗(yàn)，例如，選擇不同流動參數(shù)進(jìn)行物理方程中各項(xiàng)有效性和敏感性試驗(yàn)，從而進(jìn)行方案比較。再者，它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?，省錢

6、省時，有很多的靈活性，能給出詳細(xì)和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。ANSYS 軟件開發(fā)了第一個集成的計(jì)算流體動力學(xué)（CFD ）功能。它是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)與一體的大型CAE 通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。ANSYS 軟件中的FLOTRAN CFD（Computional Fluid Dynamics）的分析功能是一個用于分析二維和三維流體流動場的先進(jìn)工具4。應(yīng)用軟件分析吸嘴

7、流場建立吸嘴流場有限元模型由于吸嘴是圓柱形，屬于回轉(zhuǎn)軸對稱圖形，所以在分析其流場時候僅僅分析其過回轉(zhuǎn)軸的一個面即可獲得其流場分布。如圖2，所建立的幾何模型近似喇叭狀。其模型參數(shù)如表1。 圖2 吸嘴流場幾何模型表1 幾何尺寸與流體性質(zhì) 幾何尺寸進(jìn)口錐面大（小）徑進(jìn)口高度過渡區(qū)高度出口直徑 參數(shù)值 0.03（0.006）m 0.01m 0.002m 0.001m 流體性質(zhì) 密度 粘度 出口壓力 進(jìn)口壓力 參數(shù)值 1.2Kg/m3 1.5×105m 2/s 0Pa 5KPa/10KPa/20KPa30KPa/40KPa出口高度 0.006m 雷諾數(shù)Re 120×103在流場分析中

8、必須要區(qū)分層流還是紊流，流體可壓縮還是不可壓縮，通常用雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流，用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮。當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時，就應(yīng)考慮用可壓縮算法來進(jìn)行求解；當(dāng)馬赫數(shù)大于0.7時，可壓縮算法與不可壓縮算法之間會有極其明顯的差異5。 對模型劃分網(wǎng)格6網(wǎng)格的劃分在整個分析中起著關(guān)鍵性的作用，網(wǎng)格的疏密程度決定著計(jì)算結(jié)果的精度。網(wǎng)格較稀疏，則會使計(jì)算結(jié)果精度大大下降；網(wǎng)格劃分較密，則相應(yīng)提高計(jì)算機(jī)結(jié)果的精度，但是在精度提高的同時，會大大增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算時間，所以劃分合理的網(wǎng)格是至關(guān)重要的，既要保證計(jì)算結(jié)果的滿意性，還要考慮自身計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能。在網(wǎng)格劃分中，為了得到較整齊、規(guī)則的網(wǎng)格，把幾

9、何模型分為三部分，上部分為一矩形，中間為一過渡區(qū)域，下面為一個等腰梯形。所用的單元采用FLOTRAN CFD中的FLUID 141單元，首先通過手動控制網(wǎng)格得疏密，然后用自由網(wǎng)格方式劃分，分網(wǎng)后共得到834個單元，893個節(jié)點(diǎn)。如圖3，可以看出所得到的網(wǎng)格比較整齊，還是比較理想的。對模型施加約束和載荷約束和載荷一般都加在模型邊界、節(jié)點(diǎn)或者單元上，在這個模型中把約束和載荷都加在邊界上。在模型的上邊界施加壓強(qiáng)載荷0Pa ，在下邊界分別施加壓強(qiáng)載荷5KPa ，10KPa ，20KPa ，30KPa ，40KPa 。在其他邊界施加X 方向和Y 方向速度均為零。 圖3 生成的網(wǎng)格 圖4 5KPa 真空度

10、吸嘴速度場查看結(jié)果當(dāng)吸嘴內(nèi)的真空度為5KPa 時，其速度場如圖4。分析其速度分布：在吸嘴口氣流速度急劇增加，在吸嘴內(nèi)速度達(dá)到了最大值83.702m/s，在吸嘴為中心，同一半徑的圓上的節(jié)點(diǎn)速度大小差異甚小。察看各節(jié)點(diǎn)的具體的速度值，在吸嘴正下方3 mm 處，氣流速度達(dá)到了13.522m/s。即種子移動到離吸嘴距離在3.0mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。 圖5 10 KPa真空度吸嘴速度場 圖6 20KPa真空度吸嘴速度場 圖7 30KPa真空度吸嘴速度場 圖8 40KPa 真空度吸嘴速度場圖9 真空度與吸附距離關(guān)系在真空度為10KPa 時候，結(jié)果如圖5，在吸嘴正下方4.0mm 節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到13.4

11、99m/s，即種子移動到離吸嘴距離在4.0mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。在真空度為20KPa 時候，結(jié)果如圖6，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了170.478m/s，在吸嘴正下方5.5mm 節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到13.144m/s，即種子移動到離吸嘴距離在5.5mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。在真空度為30KPa 時候，結(jié)果如圖7，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了210.486m/s，在吸嘴正下方7mm 節(jié)點(diǎn)處速度達(dá)到13.255m/s，即種子移動到離吸嘴距離在7mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。在真空度為40KPa 時候，結(jié)果如圖8，吸嘴內(nèi)的速度達(dá)到了244.781m/s，在吸嘴正下方12mm 節(jié)點(diǎn)處速度已達(dá)到15.248m/s，即種子移動到離吸嘴距離在12mm 以內(nèi)，即可把種子吸附。 3 結(jié)論（1）應(yīng)用流體力學(xué)定律計(jì)算得到種子被吸附起的臨界氣流速度V 0=12m/s 。（2）將真空度與對應(yīng)的吸附距離列成表格，見圖9。分析圖表，很明顯吸附距離是隨著真空度的增大而增大的，在真空度小于30KPa 時，真空度與吸附距離近似正比關(guān)系。在真空度超過30KPa 后，隨著真空度增大，吸附距離增大幅度較大。參考文獻(xiàn)：1張鴻雁，張志政，王元流體力學(xué)科學(xué)出版社，：。2 任玉新，陳海昕，計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社，2006.6：123 王福軍，計(jì)算流體動力學(xué)分析清華大學(xué)出版社，20