基于CFD-DEM耦合模拟的苜蓿气吹式排种器分配头设计与优化研究

本文通过CFD-DEM耦合仿真技术，系统优化了苜蓿气吹式排种器中分配头的关键几何参数（如顶盖锥角θ2、出口管倾角θ1和入口直径D），显著提升了小粒径、不规则形状牧草种子的分布均匀性（CV值降至7.69%），为高精度牧草播种装备研发提供了理论依据与工程解决方案。

　　

Highlight

系统描述与工作原理

图1展示了气吹式苜蓿排种系统的整体结构及工作原理。该系统主要分为定向供种装置（含种箱、外槽轮供种器及调速电机）、气流-种子输送装置（包括高压风机、中央输送管与波纹管）以及带四根种管的分配器。作业时，供种装置在电机驱动下将种子定量送入中央输送管，经高速气流牵引形成气-籽混合流，最终通过分配器将种子均匀分配至各输出管路。

苜蓿种子的物理机械特性

苜蓿种子的平均密度、千粒重及三轴尺寸测定结果见表4。其机械参数（如弹性模量、摩擦系数等）见表5，这些参数为后续DEM建模提供了关键输入数据。

单因素流场模拟结果

通过速度云图可视化分配器内部流场（图9-11），并结合均匀性指数λ的线性图表（图12）分析发现：出口管倾角θ₁增大时，气流在分配器内的对称性改善，但过度增大会导致出口流速失衡；顶盖锥角θ₂的扩大有效缓解了涡流产生，但超过120°后改善效果趋于平缓；入口直径D的增大提升了流量承载力，但会降低气流对种子的加速效率。

讨论

本研究通过CFD-DEM耦合模拟成功优化了苜蓿气助式排种器分配头的几何设计。结果表明，分配头关键参数显著影响种子分布均匀性，其中顶盖锥角（θ₂）的影响最为突出，其次为出口管倾角（θ₁）和入口直径（D）。该研究体现了气固两相流模拟技术在农业工程中的广泛应用潜力，尤其为解决小粒径、低流动性种子的精准播种问题提供了创新方案。

结论

采用CFD-DEM耦合模拟与室内台架验证，确定了分配头的最优几何参数组合：顶盖锥角θ₂=120°、出口管倾角θ₁=60°、入口直径D=50 mm。在此配置下，种子分布变异系数（CV）均值降至7.69%，完全满足苜蓿气吹式免耕播种机的农艺要求。该设计为不规则形状、小粒径牧草种子的高效播种提供了可靠技术支撑。