免耕播種機的拋送裝置數值模擬與試驗研究

林德志 吳努 陸永光 于昭洋 徐宏博 胡志超

摘要：為了了解全秸稈覆蓋地免耕播種機葉片式拋送裝置氣流流場的分布情況以及拋料管道氣流速度的影響因素，采用FLUENT對拋送裝置進行數值模擬并對其進行了試驗研究。結果表明，氣流速度沿葉輪徑向方向由內向外逐漸升高；圓形殼體出料口外側的氣流速度較內側處的高；模擬所得結果和試驗值的分布趨勢基本一致，驗證了數值模擬的可靠性；拋送葉輪的轉速越高、葉片直徑越大，各測點的氣流速度就越大，越有利于秸稈物料的拋送；當葉片數為4、葉片傾角為后傾10°時，更有利于秸稈物料的拋送。

關鍵詞：全秸稈覆蓋地免耕播種機；拋送裝置；數值模擬；試驗研究

中圖分類號： S223.2文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0410-04

近些年來，我國面臨著較為嚴重的空氣污染問題，每到秋末冬初季節，全國多個省市都會被持續的霧霾天氣籠罩著，這對人們的生產生活以及身體健康造成了極大的影響。農田廢棄秸稈的焚燒是造成這種問題的主要原因之一。由于前茬農作物收獲后，會有大量的碎秸、殘茬留在地表，對現行的免耕播種機而言，大量的碎秸、殘茬會引發機具入土部件掛草壅堵，進而導致架種、晾種等，這不僅影響作業質量而且影響作業順暢性[1]，所以就地焚燒秸稈成了農民“最省事”的選擇。國家和農民都迫切需要能夠滿足工況的機具。農業部南京農業機械化研究所正在試驗研制的全秸稈覆蓋地免耕播種機，能夠很好地解決現有的問題。該機具主要作業工藝：秸稈經過秸稈粉碎裝置粉碎后，在粉碎裝置高速旋轉產生的氣流帶動下進入橫向輸送攪龍，然后被推送至葉片式拋送裝置，越過種箱、肥箱，均勻地拋撒于播后區域[2]。拋送裝置是該機的一個重要環節，其高速旋轉的拋送葉輪產生的氣流是影響碎秸能否順利拋撒以及功率消耗的重要因素。因此，本研究對拋送裝置進行數值模擬以及試驗研究，了解其基本特性。

1理論計算方法

1.1數學模型

由于葉片式拋送裝置工作時，氣體在拋送葉輪內部的流動是非定常流，因此，采用MRF（多參考系模型）作為定常流動近似模擬此旋轉流場[3]。當采用標準的k-ε模型求解時，控制方程包括連續性方程（質量守恒方程）、動量守恒方程以及k方程和ε方程，方程如

采用有限體積法離散控制方程，對該拋送裝置的流場進行穩態隱式、非耦合求解?？紤]到壁面附近區域受到分子黏性的影響，運用標準壁面函數法模擬近壁區域的流動、動量、耗散率和湍動能的離散格式均設置為精度較高的二階迎風格式，對壓力—速度耦合運用SIMPLE算法求解[7～9]。

2拋送裝置氣流流場的試驗研究

為了了解葉片式拋送裝置拋料管道處氣流速度的大小與拋送葉輪轉速、葉輪外徑、葉片數目以及葉片傾角之間的關系，同時也為了驗證數值模擬結果的可靠性，對拋送裝置的氣流流場進行試驗研究。

2.1試驗設備與儀器

試驗是在自制的試驗臺上進行（圖2）。測量時沒有物料的喂入。氣流速度測試采用的儀器為JX-2000皮托管風速儀（上海金梟電子）。

2.2試驗方案的選擇

拋送葉輪的轉速以及葉片的結構形式是影響拋送裝置氣

2.3試驗方法

選取拋料管道處的A截面為測試位置，如圖1-a所示。共選擇12個點作為測量點，如圖1-b所示，在A截面中D上取4個點，E線上取4個點，F線上取4個點。測量風速時，需在A截面側面打孔進行測量。每個測點重復測試3次，取3次測試結果的平均值為最終結果。

3計算結果與分析

3.1模擬結果與分析

由于FLUENT中的可視化信息基本是以平面為基礎，所以，當數值模擬計算區域后，為了顯示以及輸出計算結果，需生成各種類型的平面。圖3-a、圖3-b、圖3-c分別為Z=-0.07、0、0.07 m的速度矢量圖。由圖3可知，氣流速度沿葉輪徑向方向由內向外逐漸升高，這主要是由高速旋轉的拋送葉輪使氣體分子在離心力的作用下獲得動能所造成的。另外，圓形殼體出料口處外側的氣流速度較內側處的高，這主要是因為高速旋轉的葉片末端靠近外側。

從圖3-c即Z=0.07 m平面處的速度矢量圖中可以觀察到較為明顯的渦流，這是由于其靠近進料口處以及葉片數有限。進口處的氣流沿著軸向方向進入葉輪后，在拋送葉輪的作用下改變90°方向沿著葉輪徑向方向流動。從 Z=-0.07 m 和Z=0 m平面的速度矢量圖也可以看出少量的渦流，造成這種現象的主要原因是葉片數目有限。所以，可以通過增加葉片數量來減少葉輪區的渦流，進而減少能量損失，得到更有利的秸稈物料拋送的氣流流場。

[FK（W41][TPHZD3.tif][FK）]

3.2模擬結果與試驗值的比較分析

當轉速為1 600、2 000 r/min時，拋送裝置中A截面上D、E、F線的速度分布散點圖如圖4所示，且與試驗值進行了比較。從圖可以看出，模擬計算所得的氣流速度的分布趨勢與試驗值基本一致，只是遠離葉輪軸心拋料管道的模擬值較實測值大，造成這種現象的原因是在進行數值模擬時簡化了模型，忽略了緊固件、零件連接處微小縫隙的空氣泄漏。而靠近葉輪軸心拋送管道處的模擬值要比實測值小，這是因為高速旋轉葉輪軸心處的吸力較大，致使圓形殼體兩側板向內發生彎曲變形，間隙增大，導致實際從轉軸中心進入的氣流流量增大，所以實測值較模擬值大。另外，D、E和F 3條線，F線的實測值與模擬值之間的差距較大，E線次之，這是因為F線靠近進料口，在拋送葉輪高速旋轉時，進料口處的彎曲變形較大，進入的氣流流量較多，所以F線上實測值與模擬值差距較大。并且，拋送葉輪的轉速越高，側板發生的彎曲越大，進入的氣流流量也就越大，這也是導致轉速為2 000 r/min時實測值與模擬值差距比轉速為1 600 r/min時大的原因?？偟膩碚f，除了F線上的氣流速度實測值與模擬值差距較大外，其余測點實測值與模擬值的相對誤差均在10%以內，可見數值模擬的結果是合理可信的。

4試驗結果與分析

4.1不同轉速、葉片直徑試驗結果分析

在其他參數不變的情況下，只改變葉輪的轉速，分別對拋送葉輪轉速為1 600、180、2 000、2 200 r/min進行了試驗研究，試驗結果見圖5。同樣，在不改變其他尺寸的前提下，又分別做了葉片直徑為600、530、450 mm的試驗，試驗結果見圖6。

由圖5可見，拋送葉輪的轉速越高，A截面E線上測點的氣流速度越大，這是由于轉速越高，氣體分子受到的離心力越大，獲得的動能越大，相應的氣流速度也就越大，也就越有利于秸稈物料的拋送。從圖6可知，當葉片直徑為450、530 mm時，氣流速度分布較均勻，但其平均氣流速度較葉片直徑為600 mm的低，不利于秸稈的拋送。

4.2不同葉片數、葉片傾角試驗結果分析

在不改變其余任何參數的前提下，分別做了葉片數為3、4、5的拋送裝置的試驗研究，試驗結果如圖7。另外，在只考慮改變葉片傾角的情況下，分別又做了傾角為-15°、-10°、-5°、0、5°、10°、15°的試驗研究，試驗結果見圖8、圖9和圖10。

由圖7可知，5葉片的氣流速度較高，4葉片次之，3葉片較小，這是因為氣流的進口流量會隨著葉片數的增加而增大，且在截面積不變的情況下，氣流速度也會隨著增大。但當葉片數增加到一定數量時，氣流的進口流量反而降低[10]。當葉片數為4時，其氣流速度相比于5葉片與3葉片分布得更為均勻一些，因此更有利于秸稈物料的拋送。

從圖8、圖9和圖10中可以看出，前傾葉片中前傾5°比其他2種傾角的平均氣流速度略高一些，且分布相對更為均勻，所以較有利于秸稈的拋送；后傾葉片中后傾10°較其余2種傾角的平均氣流速度略高一些，并且分布較為均勻，更有利于秸稈物料的拋送；前傾5°、徑向以及后傾10° 3種葉片相比較，后傾角為10°時各測點的平均氣流速度較其他2種傾角稍高一些，更有利于秸稈的拋送。

5結論

氣流速度沿葉輪徑向方向由內向外逐漸升高；圓形殼體出料口處遠離拋送葉輪中心的氣流速度較靠近拋送葉輪中心處的高；可以通過增加葉片數量來減少葉輪區的渦流，進而減

少能量損失，得到更有利的秸稈物料拋送的氣流流場。

模擬計算所得的氣流速度的分布趨勢與試驗值基本一致，驗證了數值模擬的合理可靠性。

拋送葉輪的轉速越高、葉片直徑越大，各測點的氣流速度就越大，越有利于秸稈物料的拋送；當葉片數為4時，各測點的速度分布更為均勻，更有利于秸稈的拋送；另外，葉片傾角為后傾10°時更有利于拋送秸稈物料。

參考文獻：

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