Numerical simulation and experiment of air distribution seed-metering device based on coupled EDEM-Fluent
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摘要:目的
解决水稻机械直播速度慢、效率低的问题。
方法采用气流分配式排种器进行水稻直播，优化设计一种由R可调节的喇叭口式内腔与α可变的分流密封盖组成的α-R式气流分配式排种器，利用EDEM-Fluent耦合模块，对气流分配排种过程进行数值模拟；并进行排种性能台架验证试验。
结果仿真结果显示，α-R组合式分配器中水稻颗粒最高运动速度为5.416 m·s-1，且旋涡滞种区域面积也低于传统结构，水稻颗粒在分配器中排出顺畅；R=180 mm、α=20°时，排种均匀性变异系数为24.56%，各行一致性变异系数为3.79%，总排量稳定性变异系数为1.23%，3项指标均为最优。采用3D打印的分配器进行台架试验，结果显示该排种器排种均匀性变异系数为29.17%~30.86%，各行一致性变异系数为4.13%~4.33%，总排量稳定性变异系数为1.4%~1.7%，满足水稻机械直播要求。
结论多次试验结果稳定，与仿真结果较为接近，说明本次设计的气流分配式排种器满足要求，也表明利用EDEM-Fluent耦合模拟的正确性与可行性。
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关键词:
- 气流分配 /
- 排种器 /
- 水稻 /
- EDEM-Fluent /
- 模拟
Abstract:ObjectiveTo solve the problems of slow speed and inefficiency in mechanical seeding of rice.
MethodRice was directly seeded using the air distribution seed-metering device. An α-R air distribution seed-metering device was designed and optimized. It consisted a bell type lumen with adjustable R and a shunt seal cap with adjustable α. Numerical simulations of air distribution and metering process were performed by using EDEM-Fluent coupling module, and the bench test on seeding performance was carried out.
ResultThe simulation results showed that the highest velocity of rice particles in the combined α-R distributor was 5.416 m·s-1. The area of vortex stagnation was smaller than that of the traditional structure. Rice particles were discharged smoothly from the dispenser. When R=180 mm and α=20°, the variation coefficient of uniformity was 24.56%, the variation coefficient of consistency among rows was 3.79%, the variation coefficient of total displacement stability was 1.23%, and the three indicators were all the optimum values. Bench test was carried out using distributors printed by 3D printer and the results showed that the variation coefficient of uniformity for the seed-metering device was 29.17%-30.86%, the variation coefficient of consistency among rows was 4.13%-4.33% and the variation coefficient of total displacement stability was 1.4%-1.7%, which met the requirements of mechanical seeding of rice.
ConclusionThe results from multiple tests are stable and close to the simulation results. The designed air distribution seed-metering device can meet practical requirements, suggesting that using the EDEM-Fluent coupling simulation is correct and feasible.
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Keywords:
- air distribution /
- seed-metering device /
- rice /
- EDEM-Fluent /
- simulation
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图 1 气流分配式排种器结构图
1：风机；2：种子定量器；3：种箱；4：喷射器；5：气流分配器。
Figure 1. Structural diagram of airflow distribution seed-metering device
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图 2 气流分配器结构图
1：排种管；2：密封上盖；3：导种管；4：分配器内腔。
Figure 2. Structural diagram of airflow distribution device
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图 3 喇叭口式壳体内腔
D1：分配器内腔外径；D2：排种管直径；D3：导种管直径；θ：喇叭口切角角度；R：边壁圆弧直径。
Figure 3. Shell lumen of the bell type distributor
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图 5 种子定量器结构
1：排种主轴；2：轴套；3：排种盒；4：外槽轮；5：旋进轴；6：弹簧；7：旋进器。
Figure 5. Structure of the seed meter
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图 9 不同结构分配器中气固合速度分布图
Figure 9. Air-solid velocity distribution in distributors of different structures
表 1 试验因素水平
Table 1 Factors and levels of experiment
水平 试验因素 密封锥角
(A)/(°)边壁直径
(B)/mm1 20 80 2 25 130 3 30 180 
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表 2 仿真试验结果
Table 2 Results of simulation experiment
试验编号 因素水平 试验指标 密封锥角
(A)/(°)边壁直径
(B)/mm均匀性
变异系数/%各行一致性
变异系数/%总排量稳定性
变异系数/%1 1 1 25.77 4.25 1.84 2 1 2 26.62 4.11 1.75 3 1 3 24.56 3.79 1.23 4 2 1 29.14 4.53 1.79 5 2 2 30.06 4.20 1.66 6 2 3 29.89 4.08 1.48 7 3 1 32.14 4.98 1.91 8 3 2 31.86 4.75 1.78 9 3 3 30.59 4.34 1.37
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表 3 仿真结果分析
Table 3 Analysis of simulation results
分析项 均匀性变异系数/% 各行一致性变异系数/% 总排量稳定性变异系数/% A B A B A B k1 25.650 29.017 4.050 4.587 1.607 1.847 k2 29.697 29.513 4.270 4.353 1.643 1.730 k3 31.530 28.347 4.690 4.070 1.687 1.360 极差 5.880 1.166 0.640 0.517 0.080 0.487 较优水平 A1 B3 A1 B3 A1 B3 主次因素 A1B3 A1B3 A1B3
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表 4 台架试验结果
Table 4 Bench test results
传送带前进速度/
(km·h-1)排种均匀性
变异系数/%各行一致性
变异系数/%总排量稳定性
变异系数/%5 30.55 4.16 1.70 6 29.17 4.13 1.40 7 30.86 4.33 1.70
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