董春旺,胡斌,毛樹(shù)春,李亞兵,韓迎春,馮璐,朱巧玲

(1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,安陽(yáng)455000)

盤(pán)吸式播種機(jī)吸嘴流場(chǎng)性能的分析

董春旺1,胡斌1,毛樹(shù)春2,李亞兵2,韓迎春2,馮璐2,朱巧玲2

(1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,安陽(yáng)455000)

為給氣吸式播種機(jī)吸嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù),采用CFD方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)吸嘴的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬及分析,得到吸嘴端口結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)與吸附性能的影響關(guān)系。仿真結(jié)果表明:吸嘴吸附性能強(qiáng)弱關(guān)系為V型>U型>A型,吸附能力隨口徑增加而增強(qiáng),導(dǎo)程對(duì)吸附性能影響較小,在吸嘴端口開(kāi)設(shè)合適錐形角有利于提高取種精度。

播種機(jī);吸嘴;流場(chǎng)分析;仿真;Floworks軟件

Abstract:CFD method was used to analyze the 3D flow fields of nozzles of different structural parameters.Simulation results show that the relationship strength of the absorbablity of the nozzles were V>U>A,and he absorbablity increased when the diameter increased.The lead had a comparatively slight influence on opening appropriate conelike angles at the ends of nozzles will help precision of getting seeds.

Key words:seeder;nozzle;CFD;simulation;floworks software

吸嘴是盤(pán)吸式育苗精量播種機(jī)的重要工作件之一。盛江源[1-2]、陳進(jìn)[3]、莊森[4]、B B Gaikwad[5]和P Guarella[6]等基于測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)方法或簡(jiǎn)化吸嘴為二維的計(jì)算模型對(duì)吸嘴或吸孔流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明吸嘴端口的形狀、大小對(duì)氣吸式播種器的性能有著重要影響。上述研究雖初步揭示了吸嘴流場(chǎng)特性的內(nèi)在規(guī)律,但對(duì)吸嘴空間流場(chǎng)分布的描述不是很直觀(guān),吸嘴內(nèi)沿程流速的變化尚未明確,因此,采用三維計(jì)算模型分析吸嘴空間流場(chǎng)的效果具有重要意義。

本文對(duì)自行設(shè)計(jì)的盤(pán)吸式棉花育苗播種機(jī)[7-9],采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)吸嘴的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,更直觀(guān)地揭示了吸孔形狀、孔徑、導(dǎo)程等因素對(duì)種子吸附性能的影響規(guī)律,為該類(lèi)播種機(jī)真空吸嘴的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和方法,對(duì)進(jìn)一步提高整機(jī)播種性能有參考價(jià)值。

1 吸嘴端口結(jié)構(gòu)流場(chǎng)性能分析

吸嘴是盤(pán)吸式播種機(jī)氣吸系統(tǒng)的終端,與真空吸盤(pán)氣室連接相通,在吸孔內(nèi)及端口形成一定負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)取種[8]。常見(jiàn)吸嘴以端口型狀分為:U型嘴、A型嘴和V型嘴等[3,9]。

1.1 模型建立與仿真分析

在 Floworks仿真環(huán)境中[10],用 SolidWorks軟件建立U型嘴、A型嘴和V型嘴的三維計(jì)算模型,孔徑均為2 mm,導(dǎo)程為8 mm A型錐角吸嘴錐角依據(jù)棉種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置為90°角。吸嘴結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示。

作以下假設(shè):吸嘴進(jìn)氣口流速均勻,所有壁面施加無(wú)滑移邊界條件。各參數(shù)與邊界條件設(shè)置為:空氣密度=1.2 kg/m3,吸嘴入口處環(huán)境壓力為101 kPa,出口壓力是播種機(jī)氣源(旋渦氣泵)的工作真空度,為15 kPa,即絕對(duì)壓力為86 kPa;網(wǎng)格劃分精度選3級(jí),其余選項(xiàng)設(shè)為默認(rèn)值[10-12]。經(jīng)迭代求解運(yùn)算后,仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2所示,不同顏色表示不同速度,紅色(圖2中A區(qū))描述高流速,藍(lán)色(圖2中B區(qū))描述低流速。U型嘴內(nèi)流速分布均勻;A型嘴導(dǎo)程內(nèi)流速較高,在吸種端口處流速較低且分布不均勻,沿端口中心到邊角位置,流速急速下降;V型嘴和A型嘴剛好相反,在導(dǎo)程內(nèi)流速較低且分布不均勻,而在吸嘴端口范圍,流速急劇上升且在頸口處出現(xiàn)峰值。

圖1 典型吸嘴三維計(jì)算模型Fig.1 3D calculation model of typical nozzle

圖2 流速數(shù)值模擬云Fig.2 Numerical simulation of flow chart

表1是3種吸嘴各部位流速的數(shù)值,圖3是 3種吸嘴中軸線(xiàn)流速分布情況。

由表1與圖3知,同等真空度(負(fù)壓)下,吸嘴端口流速關(guān)系為:V型>U型>A型,各嘴形的吸嘴最高流速均發(fā)生在吸孔頸口處。由伯努利方程知,流速大則壓力小,吸種口形成的真空度越高(壓力差大),由此可知V型嘴的吸種性能好于U型嘴和A型嘴。

表1 吸嘴內(nèi)各部位流速Tab.1 Various parts of the nozzle flow rate m/s

1.2 吸嘴外流場(chǎng)數(shù)值模擬與端口優(yōu)化

V型吸嘴同等條件下較其它嘴型能獲得最好流速,應(yīng)該具有最好的吸種效果。而實(shí)際中由于種子形狀不規(guī)則,頂部與根部直徑差異較大,在吸種過(guò)程中,頂部或根部與吸嘴口接觸具有隨機(jī)性,當(dāng)種子根部吸附于吸嘴口時(shí)易卡死,不能自由落入穴盤(pán)而造成空穴。所以有必要在嘴端開(kāi)設(shè)錐形倒角,以降低吸附卡死幾率。同時(shí)吸嘴氣流場(chǎng)分布與端口結(jié)構(gòu)形式有關(guān)[14-15],故采用AL GOR軟件對(duì)吸嘴端口外流場(chǎng)模擬[16],如圖4所示。

由圖4可知,當(dāng)氣流通過(guò)吸嘴孔時(shí),氣流從吸嘴向外成擴(kuò)散狀,氣流方向截面呈收縮狀,沿氣流的運(yùn)動(dòng)方向流速逐漸增加,到吸嘴口處達(dá)到最大速度。對(duì)比2種吸嘴,V型直口吸嘴氣流主要源自端口正下方區(qū)域,而設(shè)計(jì)錐形角后加大了收縮橫截面積,氣流組成上縱向氣源消弱,兩邊橫向氣源拓寬,優(yōu)化了端口進(jìn)氣流場(chǎng),使吸種范圍增加,降低了對(duì)真空度的要求,從而既可提高吸附率,又能避免種子卡住的情況。

在樣機(jī)性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),吸附時(shí)吸嘴與棉種接觸點(diǎn)多為棉種小端(根部)。依據(jù)試驗(yàn)用新陸早10號(hào)光籽棉種為例,其平均基準(zhǔn)尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)8.5 mm×4.4 mm ×4.1 mm,小端錐角度為 30°～60°,為避免錐角過(guò)小投種不暢,設(shè)計(jì)吸嘴錐形角度為 60°。

圖4 二種吸嘴端口流場(chǎng)Fig.4 The flow field of two-port nozzle distribution

2 吸嘴參數(shù)對(duì)流場(chǎng)性能的影響

2.1 導(dǎo)程流場(chǎng)模擬分析

選擇孔徑為2 mm,吸種導(dǎo)程分別為6 mm、8 mm、10 mm、12 mm的V型錐角吸嘴進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知,吸孔導(dǎo)程增加后,吸孔處的氣流速度有變化,但變化幅度不明顯,也無(wú)定向的發(fā)展趨勢(shì)。這表明導(dǎo)程更多起到對(duì)氣流的調(diào)整和穩(wěn)定作用,增加導(dǎo)程提高了氣流的穩(wěn)定性,但對(duì)吸種性能的影響并不大。

表2 不同吸嘴導(dǎo)程的流場(chǎng)特性Tab.2 Different lengths of nozzle flow field characteristics

2.2 孔徑流場(chǎng)模擬分析

選擇孔徑分別為1.8 mm、2.0mm、2.2 mm和2.4 mm、2.6 mm、2.8 mm,導(dǎo)程為8 mm的V型錐角吸嘴進(jìn)行仿真試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3,吸嘴內(nèi)流速隨孔徑變化趨勢(shì)如圖5所示。

由表3和圖5可知,隨著嘴徑的增加,吸嘴口以及頸口峰值氣流速度均增加,在1.8 mm到2.2 mm口徑變化時(shí),氣流速度明顯增加。當(dāng)吸嘴增加到一定寬度值時(shí),幅度趨勢(shì)放緩,吸嘴口徑對(duì)吸種性能的影響減弱。仿真分析結(jié)果表明:孔徑越大,吸種性能越好。這與理論分析相符合,經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證符合實(shí)際工作情況[7],這說(shuō)明采用CFD數(shù)值模擬吸嘴氣流流場(chǎng)研究吸嘴吸附性能的方法是準(zhǔn)確、可行的。

表3 V型錐角吸嘴口徑的流場(chǎng)特性Tab.3 Different nozzle diameter of the flow field

圖5 不同孔徑吸嘴各部位流速Fig.5 The flow rate in different parts of different diameter nozzles

3 結(jié)論

1)在3種吸嘴結(jié)構(gòu)中,以V型結(jié)構(gòu)的工作效果最好,U型結(jié)構(gòu)的效果次之,A型結(jié)構(gòu)的效果最差。針對(duì)棉種的幾何特征,通過(guò)嘴端開(kāi)設(shè)錐角可進(jìn)一步提高吸嘴取種的精度。

2)吸孔導(dǎo)程對(duì)播種機(jī)吸種性能無(wú)明顯的影響,只起到了對(duì)氣流的調(diào)整和穩(wěn)定的作用。

3)吸嘴的孔徑越大,吸種能力越強(qiáng),吸種效果越好。但超過(guò)一定范圍時(shí),吸力隨嘴徑增加而增強(qiáng)的趨勢(shì)放緩。

4)基于CFD軟件的吸嘴流場(chǎng)數(shù)值模擬分析是一種快捷、直觀(guān)的設(shè)計(jì)方法,與傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)研究方法相比,能夠大幅度提高試驗(yàn)研究效率和精度。

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Numerical Simulation for Air Flow in Nozzle of Air-suction Seeder

DONG Chunwang1,HU Bin2,MAO Shuchun1,LI Yabing1,HAN Yingchun1,FENG Lu1,ZHU Qiaoling1
(1 Institute of Cotton,the Chinese Academy of Agricultural Sciences,Anyang 455000,China;2 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S223.25

A

1007-7383(2010)05-0636-04

2010-05-17

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)(szjjb1001),農(nóng)業(yè)部行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(nyhyzx07-005:3-5-1)。

董春旺(1980-),男,助研,從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究;e-mail:dongchunwang@163.com。

毛樹(shù)春(1956-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,從事棉花高效栽培技術(shù)研究;e-mail:maosc@cricaas.com.cn。