陳威 王川 王麗偉 張瑾 王偉 盧碧蕓

摘要：為探究氣吹式側(cè)深施肥裝置三通管不同結(jié)構(gòu)特征對(duì)氣流和肥料顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，通過理論分析，設(shè)計(jì)氣流入口與出口軸線垂直的a型三通管、氣流入口與出口軸線呈45°夾角的b型三通管、氣流入口與出口同軸的c型三通管。在三通管內(nèi)徑為28 mm、通入氣流速度為16.4m/s、肥料顆粒流量為20 g/s的條件下，采用CFD-EDM耦合方式對(duì)不同管道內(nèi)氣流、壓力、顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：氣流經(jīng)a、b、c三種類型三通管產(chǎn)生不同的流動(dòng)效果，進(jìn)而影響肥料顆粒運(yùn)動(dòng)特性，顆粒最大運(yùn)動(dòng)速度分別為1.99 m/s、2.94 m/s、2.07 m/s，期間顆粒產(chǎn)生最大碰撞力分別為0.05 N、0.13 N、0.34 N。通過驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)比表明，采用b型管側(cè)深施肥裝置排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.81，肥料破損率為0.72%，施肥過程中無肥料堵塞。

關(guān)鍵詞：水稻側(cè)深施肥；氣吹式；三通管；氣固兩相流；仿真分析

中圖分類號(hào)：S224.21? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0074-07

Simulation and experiment of gas-solid two-phase flow in three-way pipe of side deep fertilization plant

Chen Wei， Wang Chuan， Wang Liwei， Zhang Jin， Wang Wei， Lu Biyun

（Agricultural Engineering Research Institute， Anhui Academy of Agricultural Sciences， Hefei， 230001， China）

Abstract：

In order to explore the influence of different structural characteristics of the three-way pipe of the air-blown side deep fertilization device on the movement of air flow and fertilizer particles， the a-type three-way pipe perpendicular to the axis of the air flow inlet and outlet， the b-type three-way pipe with a 45° angle between the axis of the air flow inlet and outlet， and the c-type three-way pipe with the air flow inlet and outlet coaxial are designed through theoretical analysis. Under the conditions that the inner diameter of the tee pipe is 28 mm， the inlet air velocity is 16.4 m/s and the flow rate of fertilizer particles is 20 g/s， the CFD-EDM coupling method is used to simulate and analyze the flow， pressure and particle motion state in different pipes. The results showed that the air flow through the three types of tee pipes a， b and c produced different flow effects， and then affected the movement characteristics of fertilizer particles. The maximum movement velocity of particles was 1.99 m/s， 2.94 m/s and 2.07 m/s， respectively， and the maximum impact force of particles was 0.05 N， 0.13 N and 0.34 N， respectively. Through the verification test， the comparison showed that the variation coefficient of fertilizer discharge stability was 0.81 and the fertilizer breakage rate was 0.72% with the b-tube side deep fertilization device， there was no fertilizer blockage in the fertilization process.

Keywords：rice side-deep fertilization; air-blown; three-way pipe; gas-solid two-phase flow; simulated analysis

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一，2022年全國水稻種植面積占糧食作物播種總面積的24.88%，水稻產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的30.37%［1］。水稻種植過程中施肥是重要環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的人工撒肥或機(jī)械拋肥相比，水稻側(cè)深施肥技術(shù)能將肥料一次性準(zhǔn)確、定量地施在水稻根部側(cè)深位置，減少施肥次數(shù)，增大肥料利用率，達(dá)到節(jié)本增效、降低污染的效果［24］。當(dāng)前水稻側(cè)深施肥裝置按照排肥方式可分為強(qiáng)制排肥和氣吹輸肥兩種方式，氣吹式側(cè)深施肥裝置因結(jié)構(gòu)簡單、容易操作，能夠解決水稻側(cè)深施肥過程中肥料遇濕潮解產(chǎn)生管道堵塞問題被廣泛接受［5］。目前相關(guān)學(xué)者對(duì)氣吹式側(cè)深施肥裝置三通管結(jié)構(gòu)做了很多研究，王金峰［4］、左興?。?］等在設(shè)計(jì)水稻側(cè)深施肥裝置時(shí)都采用了三通管部件，但未單獨(dú)對(duì)三通管工作效果做更多介紹。Zha等［7］在對(duì)水稻機(jī)插施肥裝置的研究中也采用了三通管部件，但更多的是對(duì)風(fēng)源側(cè)放、中置、集中分配三種氣流分配方式效率比較。高觀保［8］、吳苗苗［9］采用氣固兩相流數(shù)學(xué)模型，對(duì)排肥輪下殼體三通管在不同的仿真條件下產(chǎn)生的氣流速度與顆粒運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。胡辰等［10］通過對(duì)氣固混合腔不同直徑和不同肥料入口角度的仿真分析，設(shè)計(jì)出的三通管經(jīng)過田間試驗(yàn)達(dá)到較好的工作效果。

本文結(jié)合氣吹式水稻側(cè)深施肥的農(nóng)藝要求，開展對(duì)常用三通管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過理論分析和CFD-EDM耦合的方法對(duì)氣料混合過程進(jìn)行模擬仿真，探究三通管不同的結(jié)構(gòu)特征對(duì)氣流、壓力和肥料顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，并對(duì)比分析三種結(jié)構(gòu)類型的三通管工作效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

通過對(duì)水稻側(cè)深施肥過程中常見問題的研究分析，設(shè)計(jì)的氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置需要有效攜帶肥料顆粒高速流動(dòng)，對(duì)水泥漫灌導(dǎo)致的肥料潮解、堵塞問題有較好的適用性。整機(jī)主要由肥料箱、電機(jī)、排肥器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、排肥管、開溝器等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置工作行數(shù)為6行，配合高速插秧機(jī)作業(yè)速度為0.7～1.2m/s，作業(yè)幅寬為1.8m。

在工作過程中，肥料箱中的肥料在重力的作用下充滿排肥輪，電機(jī)帶動(dòng)排肥輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肥槽中的肥料經(jīng)自由落體落入三通管肥料入口。此時(shí)鼓風(fēng)機(jī)工作，氣流經(jīng)主風(fēng)道進(jìn)入各個(gè)三通管進(jìn)風(fēng)口，肥料和氣流在三通管內(nèi)進(jìn)行二相混合，高速氣流攜帶肥料顆粒經(jīng)三通管的出口進(jìn)入排肥管內(nèi)，排肥管出口位于鍥型開溝器的后方，在開溝器開出肥溝后，肥料經(jīng)氣流吹進(jìn)肥溝，經(jīng)覆土后完成側(cè)深施肥作業(yè)。

2 氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣吹式輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系到氣流能否順利地將肥料送到指定位置的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)水稻側(cè)深穩(wěn)定施肥的重要方式之一，能夠避免水田泥水倒灌造成肥料黏結(jié)在排肥管末端形成堵塞，造成施肥斷行。按照側(cè)深施肥裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，風(fēng)機(jī)位于主風(fēng)道的一端，6支三通管的入風(fēng)口與主風(fēng)道相連接。

依據(jù)文丘里效應(yīng)對(duì)三通管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括氣流入口、肥料入口、氣固混合物出口和喉部特征4部分組成。在氣流入口通道有上部收縮產(chǎn)生的喉部特征，氣流經(jīng)過喉部特征在文丘里效應(yīng)的作用下，在肥料進(jìn)口處產(chǎn)生一定的負(fù)壓，負(fù)壓氣流攜帶肥料顆粒加速運(yùn)動(dòng)，氣流與肥料的混合物向三通管出口處流動(dòng)，進(jìn)入排肥管內(nèi)。相關(guān)學(xué)者對(duì)氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置做了大量工作［4， 6］，但對(duì)于相同工作條件下，不同結(jié)構(gòu)特征的三通管工作效果缺少對(duì)比分析，按照文丘里效應(yīng)理論結(jié)合常見的三通管模型設(shè)計(jì)出a、b、c三種不同結(jié)構(gòu)的三通管如圖3所示。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

氣力輸送系統(tǒng)中管道的結(jié)構(gòu)特征、氣流速度、風(fēng)量的大小以及混合濃度比等參數(shù)都會(huì)影響到作業(yè)效果，且參數(shù)之間相互影響，具有一定的內(nèi)在聯(lián)系［11， 12］。三通管所在的氣吹系統(tǒng)與高速插秧機(jī)配合使用，考慮到水田特殊工作條件，設(shè)插秧機(jī)的平均工作速度為1 m/s，工作幅寬為1.8m，施肥量450 kg/hm2，則肥量輸送率

W=Q1Bv10 000×3 600（1）

式中：Q1——單位面積施肥量，450 kg/hm2；B——機(jī)具工作幅寬，1.8m；v——機(jī)具的工作速度，1 m/s。

通過式（1）計(jì)算得肥量輸送率為291.6 kg/h。

在氣吹系統(tǒng)中為保證肥料能夠在管道中順利輸送，不產(chǎn)生堵塞，需要合適的氣固混合物的濃度比，氣固混合濃度比過大會(huì)導(dǎo)致輸送壓力損失增大，更易導(dǎo)致肥料在管道內(nèi)堵塞。由于氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置壓力源較低，取氣固混合濃度比為1.2［4， 12］。利用式（2）可計(jì)算出氣力系統(tǒng)中所需要的輸送風(fēng)量Q2為202.5m3/h。在氣力系統(tǒng)中，考慮到漏風(fēng)現(xiàn)象難以避免，因此實(shí)際輸送風(fēng)量不小于202.5m3/h，增加10%的余量，取整為220 m3/h。

Q2=Wγρ（2）

式中：γ——?dú)夤袒旌蠞舛缺龋?.2；ρ——空氣密度，1.2 kg/m3。

在氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，輸送氣速過高會(huì)增加功耗以及肥料磨損，過低容易導(dǎo)致肥料阻塞，肥料的懸浮速度是確定輸送速度的重要依據(jù)［12， 13］。對(duì)物料懸浮速度的確定通常由公式計(jì)算法和試驗(yàn)法得出，肥料顆粒高度近似于球形，空氣阻力受氣流方向影響較小，適合用公式計(jì)算法［13］。以史丹利復(fù)合肥為材料，肥料顆粒平均直徑為3.2mm，密度為1 511 kg/m3，阻力系數(shù)取0.44［14］，則由式（3）可計(jì)算出顆粒的懸浮速度vf為10.93 m/s。將計(jì)算出的顆粒懸浮速度代入式（4），可得出系統(tǒng)輸送氣速v0為16.40 m/s。

vf=4g3·ds（ρs-ρ）Cρ（3）

式中：g——重力加速度，9.81 m/s2；ds——肥料顆粒直徑，3.2mm；ρs——肥料顆粒密度，1 511 kg/m3；C——阻力系數(shù)，0.44。

v0=K·vf（4）

式中：K——速度系數(shù)，K值大小與物料濃度和管道復(fù)雜程度有關(guān)，本文取1.5［12］。當(dāng)已知輸送氣速和風(fēng)量時(shí)，總管道內(nèi)徑的大小可用式（5）計(jì)算得出。

d1=4Q23 600πv0（5）

其中主風(fēng)道的內(nèi)徑d1用所需輸送風(fēng)量Q2為220 m3/h、系統(tǒng)輸送氣速v0為16.40 m/s，將參數(shù)代入式（5），得出主風(fēng)道的內(nèi)徑為68.90 mm，為方便安裝配合，對(duì)結(jié)果進(jìn)行取整d1=70 mm。假設(shè)系統(tǒng)在工作過程中總風(fēng)量不變，則6個(gè)分風(fēng)管的風(fēng)量Q3為主風(fēng)管的1/6，將Q3帶入式（5），可得出三通管內(nèi)徑d2為28.13 mm，對(duì)結(jié)果取整后得d2=28 mm，管道外徑D取32 mm，進(jìn)口與出口間長度L為150 mm。根據(jù)文丘里效應(yīng)，為使氣流經(jīng)三通管落料口處產(chǎn)生負(fù)壓，管道進(jìn)風(fēng)口內(nèi)部上半部有向下收縮產(chǎn)生的喉部特征，收縮角度α為21°［4， 6］。文丘里效應(yīng)是指氣流流動(dòng)受限時(shí)，氣流的速度會(huì)隨著截面積收窄而變大，管道內(nèi)流速增加伴隨著氣壓的降低，在喉部產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使其產(chǎn)生吸附效果，因此喉部通道高度小于進(jìn)氣口直徑。王金峰［4］、左興?。?］、高觀保［8］等設(shè)計(jì)的三通管喉管高度均大于入口直徑的1/2，因此取b1為17 mm。

流體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在層流和湍流兩種狀態(tài)，可根據(jù)雷諾數(shù)的大小進(jìn)行判斷，當(dāng)雷諾數(shù)Re<2 300時(shí)為層流，Re>8 000時(shí)為湍流。雷諾數(shù)的計(jì)算公式如式（6）所示。通過計(jì)算雷諾數(shù)Re>8 000，該仿真選擇為湍流模型。

Re=ρV0d2μ（6）

式中：V0——?dú)怏w速度，16.4m/s；μ——空氣動(dòng)力黏度，1.81×10-5 Pa·s。

3 CFD-DEM耦合仿真

3.1 CFD-DEM仿真設(shè)計(jì)

三通管是氣吹系統(tǒng)中重要的組成部件，直接影響肥料下落的效果。為在理論上描述氣流和肥料在三通管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用離散元法和流體運(yùn)動(dòng)力學(xué)相融合的方式對(duì)該過程進(jìn)行模擬仿真，CFD-DEM耦合仿真是研究多相流和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，需要的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)少，能方便得到流場和顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域研究顆粒在氣流場中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及系統(tǒng)的流場特性［15］。邢凱等［16］用CFD-DEM耦合的方式對(duì)播種機(jī)分配器排種性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證出仿真的合理性。郭曉冬［5］、吳苗苗［9］等曾對(duì)喉管不同的截面形狀進(jìn)行CFD-DEM耦合仿真分析，一致得出由水力直徑大小確定的半徑為13.5mm、弦長為22.5mm的弓形喉管通道性能更好。本文選用弓形喉管截面，借用CFD-DEM模擬仿真法對(duì)不同結(jié)構(gòu)的三通管工作情況進(jìn)行對(duì)比分析。

利用NX10.0軟件對(duì)三通管進(jìn)行三維建模，將模型轉(zhuǎn)成.step格式后導(dǎo)入ICEM CFD 200R2中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分中采用八叉樹方法生成四面體類型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因其劃分簡單、可控性好被廣泛使用［17， 18］，網(wǎng)格最大尺寸為3 mm，5層邊界層。a、b、c三種結(jié)構(gòu)的三通管生成網(wǎng)格數(shù)量在200 000左右，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上，基本滿足仿真要求。求解器選用基于壓力的瞬態(tài)方式，在邊界條件設(shè)置中將三通管的氣流入口和出口分別設(shè)置為速度入口和壓力出口，壁面設(shè)置為無滑移邊界條件。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型對(duì)三通管通道進(jìn)行模擬計(jì)算，在CFD-DEM耦合過程中，選擇DDPM耦合方法。采用標(biāo)準(zhǔn)初始化的方式，從全局進(jìn)行計(jì)算。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在EDEM中用圓形小球代替肥料顆粒，因?yàn)榉柿现g表面光滑幾乎無黏附力，在接觸模型中選擇Hertz-Mindlin （no slip）對(duì)肥料顆粒進(jìn)行模擬［13， 19］。離散元仿真中肥料顆粒與材料的本征參數(shù)、接觸參數(shù)參考文獻(xiàn)［12］進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)排肥輪工作時(shí)，水稻側(cè)深施肥裝置排肥器肥料下落速率在12.5～55 g/s之間，為控制變量，減小肥料顆粒落速率對(duì)肥料在三通管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，取落料速率為20 g/s，為模擬真實(shí)肥料顆粒直徑分布，設(shè)置顆粒直徑為3.2mm的存在50%，3 mm、3.4mm的顆粒直徑各存在25%，將氣流入口、肥料入口、出口均設(shè)為虛擬，顆粒工廠設(shè)置在三通管肥料進(jìn)口處，初始下落速度設(shè)為1.2m/s進(jìn)行仿真。通過式（4）理論計(jì)算，三通管氣流入口風(fēng)速設(shè)置為16.4m/s，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行仿真。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 結(jié)構(gòu)特征對(duì)氣流速度和壓強(qiáng)的影響

為對(duì)比氣流在不同結(jié)構(gòu)三通管內(nèi)的流動(dòng)情況，按照參數(shù)設(shè)置在Fluent中對(duì)管道內(nèi)的流場和壓力場仿真結(jié)果進(jìn)行分析。圖4是相同條件下不同結(jié)構(gòu)管道氣流速度的分布情況云圖，從圖4可以看出，不同的結(jié)構(gòu)特征對(duì)流場的影響很大。從入口到喉部之間，氣流速度變化平穩(wěn)，在經(jīng)喉部收縮后氣流速度急劇增加，并在喉部產(chǎn)生速度的最大值。其中b型管速度最大值為35.39 m/s，c型管產(chǎn)生的最大速度為30.69 m/s，a型管最大速度為28.83 m/s，這與a型管中氣體直接撞擊管壁上有關(guān)，氣體在撞擊管壁后沿肥料運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生兩個(gè)分速度，其中向上的分速度與肥料顆粒下落相反；b型管沿肥料下落方向有45°夾角，氣流經(jīng)加速后與管道內(nèi)壁觸碰產(chǎn)生的速度損失較小，在肥料運(yùn)動(dòng)方向上的分速度較大，但在與顆粒運(yùn)動(dòng)相反的方向上也產(chǎn)生小范圍流場；c型管中氣體經(jīng)喉部加速后在混合物流出管道底部形成一條穩(wěn)定的高速流場，管道上半產(chǎn)生的氣流很小。

圖5是相同條件下不同管道的壓力分布云圖，在氣流入口處的壓力都明顯大于肥料入口處壓力，在經(jīng)過喉部時(shí)壓力急劇減小，并產(chǎn)生一定的負(fù)壓區(qū)。在a型管中，位于氣流通道正對(duì)的內(nèi)壁上產(chǎn)生局部高壓，與b型管對(duì)比可知，這是由于氣體垂直撞擊到管壁上流動(dòng)受阻產(chǎn)生的局部高壓，其中b型管氣流與管壁呈45°接觸，產(chǎn)生高壓區(qū)面積和最大值均小于a型管，在肥料下落管道內(nèi)形成大片負(fù)壓區(qū)，有利于肥料顆粒順利下落，但小范圍的高壓區(qū)也會(huì)對(duì)顆粒的下落過程產(chǎn)生不利的影響。c型管產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)分布均勻，負(fù)壓值較小，在顆粒入口和混合物出口處壓值近似，與a型管、b型管對(duì)比可發(fā)現(xiàn)氣流運(yùn)動(dòng)受阻會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓力場以及局部高壓。

4.2 結(jié)構(gòu)特征對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

圖6為CFD-DEM耦合過程中肥料顆粒在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)分布圖，其中箭頭代表顆粒的運(yùn)動(dòng)方向，顆粒以1.2m/s的速度進(jìn)入管道內(nèi)部，在重力的作用下均有加速的過程。

a型管內(nèi)部分顆粒在下落過程中存在速度降低的現(xiàn)象，結(jié)合圖4速度云圖可知是與氣流在向上產(chǎn)生的分速度有關(guān)，阻礙顆粒下落運(yùn)動(dòng)。b型管顆粒運(yùn)動(dòng)加速過程均勻，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與氣流速度云圖具有高度的一致性，表明氣流能夠攜帶顆粒運(yùn)動(dòng)。c型管中顆粒在重力的作用下有一段加速過程，在顆粒撞擊到管壁后造成速度大量損失，部分顆粒產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象。之后在氣流的作用下顆粒有較大的加速過程，最后以較高的速度流出管道。

在EDEM軟件中，對(duì)仿真趨于穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)，存在于三種不同結(jié)構(gòu)管道內(nèi)的肥料顆粒各選取5個(gè)計(jì)算速度平均值，對(duì)比三種管道對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響。由于肥料顆粒在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間各不相同，采集到的速度點(diǎn)少，采用Origin2017對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值法處理，時(shí)間設(shè)為0～0.25 s，并生成顆粒速度變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，顆粒的初始速度均在1.2m/s，在重力的作用下都有一段加速過程，通過斜率可看出b型管內(nèi)顆粒加速最大，c型管道次之，a型管最小，參照?qǐng)D4可知由于a型管內(nèi)上下兩個(gè)分氣流，分別對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抑制和加速的過程，顆粒流出管道的速度1.99 m/s；b型管內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)加速過程相對(duì)穩(wěn)定，顆粒流出管道的速度2.94 m/s；c型管顆粒由于自由下落存在一段時(shí)間加速過程，在撞擊到管道內(nèi)壁后速度急劇減小，速度最小值為1.08 m/s，在管道氣流的作用下顆粒速度逐漸增加，流出管道時(shí)的速度為2.07 m/s。對(duì)比三條曲線顆粒的初始加速過程可得出，在此條件下b型管內(nèi)顆粒在重力和負(fù)壓氣流的雙作用下具有較高的加速狀態(tài)，且加速過程相對(duì)穩(wěn)定，更有利于肥料獲取更大的運(yùn)動(dòng)速度，有效避免因水田泥水上涌排肥管道造成肥管堵塞的發(fā)生。

在仿真試驗(yàn)中，氣流對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)有明顯的促進(jìn)作用，但過高的顆粒速度易與管壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，導(dǎo)致顆粒破損，影響施肥效果。通過EDEM后處理得到，a型管、b型管、c型管中顆粒受到的最大碰撞力（表2）分別是0.05 N、0.13 N、0.34 N，由于碰撞時(shí)速度不同，方式不同，產(chǎn)生的碰撞力大小不同。在a型管中，氣流流向與顆粒運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橥惠S線，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)路徑改變較小，與管壁碰撞少，力度??；b型管中的顆粒在重力和氣流的作用下，自由落體運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏移與管壁產(chǎn)生碰撞；c型管中顆粒在經(jīng)前期一定時(shí)間的自由落體，與管壁產(chǎn)生碰撞，產(chǎn)生較大的碰撞力，這與圖6中顆粒運(yùn)動(dòng)變化具有一致性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證仿真分析的合理性，利用水稻側(cè)深施肥裝置對(duì)三種結(jié)構(gòu)的三通管進(jìn)行排肥性能試驗(yàn)。試驗(yàn)采用史丹利復(fù)合肥，肥料千粒重為23.94 g。試驗(yàn)以30 s為一個(gè)周期［20］，采用分度值為0.01 g的電子秤記錄肥料重量，分度值為0.1m/s的風(fēng)速檢測儀測量風(fēng)速的大小，重復(fù)5次，取平均值。在對(duì)顆粒破損統(tǒng)計(jì)中，王磊等［20］用篩網(wǎng)篩出粒徑小于3 mm的肥料顆粒作為破損肥料，這種方式對(duì)肥料粒徑標(biāo)準(zhǔn)化要求較高。試驗(yàn)采用0.047 mL容器對(duì)下落的肥料隨機(jī)稱取，將表面有破損肥料分離稱重，計(jì)算出肥料破損率。

為進(jìn)一步驗(yàn)證在泥水環(huán)境下的防堵效果，將設(shè)計(jì)的三種結(jié)構(gòu)的三通管分別安裝于氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置上，配合井關(guān)PZ60D高速插秧機(jī)，在阜陽市潁上縣進(jìn)行大田試驗(yàn)。作業(yè)時(shí)插秧機(jī)行進(jìn)速度控制在1 m/s，理論施肥量450 kg/hm2，插秧機(jī)一個(gè)往復(fù)作業(yè)為一次試驗(yàn)，作業(yè)面積為85 m×3.6m，其中3.6m為兩個(gè)施肥幅寬，共進(jìn)行5次。

5.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，氣流經(jīng)三種不同結(jié)構(gòu)的三通管（a型、b型、c型）到達(dá)排肥管出口處，經(jīng)管道沿途能量損失，氣流在排肥管出口處平均速度分別為8.58 m/s、16.24 m/s、15.50 m/s，結(jié)合圖4分析可知，這與三通管結(jié)構(gòu)和排肥通道的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。三種不同類型的三通管對(duì)施肥穩(wěn)定性影響相差不大，但氣流攜帶顆粒運(yùn)動(dòng)速度不同，導(dǎo)致肥料破損率產(chǎn)生差異，其中a型管中顆粒破損較小與氣流作用力較小有關(guān)，c型管顆粒破損率較大，這與柯燴彬等［21］在再生稻氣力式肥料集排裝置試驗(yàn)中提到顆粒在經(jīng)過90°彎管時(shí)產(chǎn)生顆粒碰撞會(huì)增加顆粒的破損和管壁磨損的結(jié)論具有一定的相似性。在泥水的環(huán)境下，a型管產(chǎn)生的分氣流阻礙顆粒下落，增加了肥料與泥水黏結(jié)堵塞概率；c型管肥料在90°彎管處不能及時(shí)被風(fēng)吹走，易產(chǎn)生管內(nèi)堆積，造成顆粒速度減緩在管壁黏結(jié)。在水田試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將排肥管剖開對(duì)比發(fā)現(xiàn)b型管試驗(yàn)組肥料顆粒在管壁內(nèi)黏結(jié)較少，具有良好的防堵性能。

6 結(jié)論

1）? 通過前期理論分析，借助CFD-DEM模擬仿真，分析了三種管道內(nèi)氣流、壓強(qiáng)分布，以及肥料顆粒在管道內(nèi)流動(dòng)、受力情況。喉管特征對(duì)氣流有明顯的加速過程，并在喉管處產(chǎn)生一定的負(fù)壓區(qū)，但不同結(jié)構(gòu)的三通管對(duì)氣體的氣流場、壓力場分布以及顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有顯著的影響。

2）? 由于三通管道結(jié)構(gòu)不同對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)方向和大小產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生不同的作用。經(jīng)三種不同結(jié)構(gòu)的三通管（a型、b型、c型）肥料顆粒最大運(yùn)動(dòng)速度分別為1.99 m/s、2.94 m/s、2.07 m/s；最大碰撞力分別為0.05 N、0.13 N、0.34 N。

3）? 在試驗(yàn)驗(yàn)證中，分析了三種不同結(jié)構(gòu)的三通管對(duì)排肥性能的影響，結(jié)果表明，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較高的一致性。其中b型三通管結(jié)構(gòu)排肥管出口平均風(fēng)速為16.24 m/s、穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.81，肥料破損率為0.72%，在泥水環(huán)境下不易堵塞，具有較好的工作性能。

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（2022YFD2301400）；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2022YL033）

第一作者：陳威，男，1994年生，安徽亳州人，碩士，研究實(shí)習(xí)員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備。E-mail： 1807473956@qq.com

通訊作者：王川，男，1978年生，安徽桐城人，碩士，副研究員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備。E-mail： 06wangchuan@163.com