基于正交試驗的油菜精量排種器流場仿真研究

基于正交試驗的油菜精量排種器流場仿真研究

氣象源模擬研究采用高效油菜精量排樣機，成功應用于2bfq-6油田精量聯合播種機。前期研究表明:排種盤轉速、正壓區(qū)壓強、負壓區(qū)壓強三因素對合格指數、重播指數、漏播指數3項指標有顯著影響。國內外學者對氣力式排種器的研究,大多集中在以試驗手段尋求因素水平間的最佳組合,而利用計算機對排種器氣流場的仿真分析甚少,對種子、氣室、氣流場三者相互作用機理、氣固耦合的數值模擬研究少見報道。因此,本文以氣力式油菜精量排種器為研究對象,以ANSYS/CFX為工具,對排種器氣流場進行仿真研究,探討排種器工況一定時,其結構參數對排種器氣流場和排種效果的影響。1氣流場模擬1.1系統(tǒng)可壓縮氣體氣室不泄漏排種器氣室結構如圖1所示。仿真分析時對模型作如下假設和簡化:①流場氣體為不可壓縮氣體。②室溫恒定為25℃。③大氣壓恒定為1.01×105?Pa。④氣室不漏氣。⑤正壓區(qū)與負壓區(qū)互不干擾。1.2真空區(qū)域的氣場模擬1.2.1提高型孔負壓負壓區(qū)型孔的作用是分離、吸附油菜籽。油菜籽在靠近型孔的地方受到吸附力,被吸附在排種盤上,并隨排種盤一起轉動,提高型孔負壓有利于油菜籽的吸附。仿真分析以排種器型孔平均負壓為指標,主要考察型孔數量、負壓區(qū)形式以及負壓出氣孔布置方式3個因素對負壓區(qū)氣流場的影響(表1),其中負壓區(qū)形式和負壓出氣孔布置方式各包括3種形式(圖2、3)。1.2.2出調整和收斂條件下的湍流模型幾何模型在Pro/E中建立(圖4a),導入ANSYSWorkbench進行網格劃分(圖4b),網格劃分采用流體網格專用工具CFX-Mesh;出氣孔端面和型孔端面分別定義為OUT和IN端面(圖4c、4d),其余邊界定義為壁面。輸入邊界條件,OUT和IN均定義為Opening邊界,邊界IN的壓強為零,邊界OUT的壓強為-834Pa(試驗測定)。湍流模型選用k-ε模型,并設定相關壁面為近壁區(qū),使其滿足壁面函數的作用范疇。定義最大運算步數為150,最長運算時間2s,收斂條件10-4。前處理完成后,將結果導入CFX-Slover進行求解。運算結果如表2所示。1.2.3型孔負壓分布對表2分析可知,3個因素的極差分別為RA=10.6、RB=1.6、RC=1.7,因此因素對型孔平均負壓的影響的主次順序依次是A、C、B。因素A是影響型孔負壓的最主要因素,當型孔數量為25時,型孔平均負壓較大;因素B、C對型孔負壓的影響不顯著。排種器負壓區(qū)的氣流場分布如圖5所示。圖5a為整個負壓區(qū)氣壓分布情況,其壓強分布云圖表明整個負壓區(qū)氣壓穩(wěn)定。圖5b~5d分別為負壓區(qū)中不同位置處的壓強分布狀況。圖5b為靠近出氣孔平面;圖5c為位于氣室中部平面;圖5d為靠近型孔平面。其壓強云圖表明:負壓區(qū)負壓整體穩(wěn)定,但隨空間位置的不同,負壓有所變化,越靠近型孔平面的負壓變化越小,有利于型孔處獲得穩(wěn)定一致的負壓。進一步研究發(fā)現,排種器的結構參數中,上述3個因素對氣室負壓的穩(wěn)定性影響均不顯著。1.3正壓區(qū)空氣動力學1.3.1正壓區(qū)氣流場仿真分析正壓區(qū)型孔的作用是使油菜籽在正壓氣流的作用下,吹離排種盤,此時油菜籽除受氣流壓力外,還受重力作用。正壓區(qū)氣流場仿真分析以型孔最大壓強為指標,主要考察型孔數量、正壓區(qū)形狀、進氣孔直徑3個因素的影響(表3)。其中,排種盤型孔數量與負壓區(qū)仿真一致,分別取15、25、35個,正壓區(qū)的3種形式如圖6所示,進氣孔的直徑分別為6、9、12mm。1.3.2最大收斂條件確定建模、網格劃分和控制方程的選取與負壓區(qū)相同,邊界的定義略有差異(圖7)。定義進氣孔端面為IN,型孔端面為OUT。將IN邊界定義為Opening型,壓強為440Pa(試驗測定);OUT邊界定義為Outlet型,壓強為零。最大運算步數為100,最長運算時間2s,收斂條件10-4。經過CFX-Slover求解后,結果如表4所示。1.3.3型孔壓力對型孔初始壓力的影響對表4進行極差分析可知,影響排種器型孔最大壓強的因素主次關系依次是:E、A、D,最佳組合方式是A2D1E3,其型孔最大壓強為366Pa。結果分析表明,排種盤型孔數量與型孔最大壓強不是線性關系,當型孔數為25時,有利于型孔獲得較大壓強;正壓區(qū)的形狀對型孔最大壓強影響不顯著,但形式為D1的正壓區(qū)對獲得較大壓強有利;因素E是影響型孔壓強的最主要因素,進氣孔直徑增大,在壓強一定的情況下,進氣量增大,型孔出氣量同時增大,顯然有助于提高型孔壓強。正壓區(qū)氣流場的分布具有與負壓區(qū)相同的規(guī)律,即整體氣流場穩(wěn)定,局部壓強有所變化,靠近型孔處壓強穩(wěn)定性好,且3種排種器的結構參數對氣室壓強的穩(wěn)定性影響均不顯著。1.4影響型孔初始壓的因素仿真試驗可得以下結論:①負壓區(qū)型孔平均負壓主要受排種盤型孔數量的影響,負壓區(qū)形式與負壓出氣孔形式對型孔負壓的影響不顯著。②正壓區(qū)型孔最大壓強主要受進氣孔直徑的影響,正壓區(qū)形式與排種盤型孔數量對型孔最大壓強的影響不顯著。③排種盤型孔數量為25時,有利于負壓區(qū)型孔獲得較大負壓均值,同時有利于正壓區(qū)型孔獲得較大壓強。④排種器結構參數中,進氣孔的直徑、出氣孔的布置方式、氣室形狀、型孔數量等對氣流場的穩(wěn)定性均沒有顯著影響。2單因素試驗驗證利用JPS-12型試驗臺對仿真結果進行驗證。通過試驗檢測排種器的排種效果來驗證仿真結果對各因素判斷的準確性,以合格指數為試驗指標,依據仿真分析中的影響因素,對排種器進行單因素驗證試驗,試驗裝置如圖8所示。2.1氣孔的使用和排種盤試驗用排種器以仿真分析中正、負氣壓區(qū)3種不同形式為基礎,制造3種不同排種器氣室基體;正壓進氣孔和負壓出氣孔分別用螺栓與氣室相連,并保證良好的氣密性;制造型孔數量分別為15、25、35的排種盤,用于更換。試驗時,按照表5的方案安排試驗,并用U形管測量進氣孔壓強和出氣孔壓強,保證進氣孔壓強為440Pa,出氣孔壓強為-834Pa。2.2型孔數量對合格指數的影響試驗結果表明:型孔數量為15、25和35時,測得排種器合格指數分別為91.2%、94.2%和90.4%,型孔數量是影響合格指數的重要因素;氣室類型、正壓進氣孔直徑與負壓出氣孔形式改變時,測得排種器合格指數為93.2%~94.1%,這3個因素對合格指數的影響不顯著。驗證試驗證明,仿真分析的結果與排種器實際工況相同,利用ANSYS/CFX對排種器氣流場進行模擬研究是可行的。3型孔數量對壓力的影響(1)排種器的各結構參數中,型孔數量是影響排種合格指數