一种耦合仿真计算模型，用于评估气动式集中式小麦计量装置中种子的运动特性及气流分布情况

《Powder Technology》：A coupled simulation computational model for evaluating the seeds movement and airflow distribution characteristics in pneumatic centralized wheat metering device

气动集中小麦播种装置供种装置优化及性能研究。采用CFD-DEM耦合模拟与台架试验，分析供种装置倾角、高度及气流速度对播种均匀性的影响，最佳参数下瞬时播种变异系数3.82%，行间差异4.54%，满足农业要求。

　　在农业生产中，小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其播种过程的均匀性和稳定性直接影响到作物的生长发育以及最终的产量和经济效益。为了提高小麦种子在输送管道中的不稳控制，实现每行播种量的瞬时稳定与精准控制，研究者对加压种子供给装置进行了优化设计，以提升气力式集中播种系统的分布特性和整体性能。本研究通过CFD-DEM耦合方法对种子在管道中的运动状态以及压力分布对瞬时播种量变异系数和行间播种量差异变异系数的影响进行了模拟与分析。同时，设计了实验测试来验证模拟结果，最终通过响应面分析确定了最佳的播种参数组合，包括倾斜供料段的角度为40°、高度为16毫米以及气流速度为30米/秒。实验结果显示，在最优参数组合下，种子供给装置的瞬时播种量变异系数低于5.0%，行间播种量差异变异系数低于5.6%，种子损伤率低于0.15%，满足了小麦播种的农艺要求。该研究为优化气力式集中小麦计量装置的设计提供了有价值的参考，有助于提升小麦播种的均匀性。

气力式集中播种系统能够通过各部件的配置实现种子与气流的连续、稳定混合、输送和分布。为了提高该系统的种子排放性能，许多学者对播种过程的多个方面进行了多维度、深入的研究。目前，气力式播种技术主要分为水平气流系统和垂直气流系统两种类型。水平气流系统适用于高速播种且行数较少的情况，所需输送气流较小；而垂直气流系统则更依赖于输送气流在混合、输送和分布过程中的作用，因此更适合于宽幅和高速的播种作业。一些研究指出，水平气流系统在某些情况下表现出较低的气流压力损失，但其在宽幅播种中的适用性较差。相比之下，垂直气流系统在混合和输送过程中需要更高的气流压力，但能够实现更均匀的种子分布。

在现有研究中，Wang等人针对水平气力式集中播种系统中芝麻种子由于球形度低和流动性差导致的播种不稳定问题，设计了一种混合组件和导向装置，以提高播种的稳定性。Yatskul与Lemiere等人则通过对比分析水平和垂直气力式播种系统，揭示了气流压力损失、种子分布和播种性能方面的差异，特别是气流压力损失的问题，发现水平气力式系统具有更低的压力损失，但在宽幅播种中表现不佳。Wang等人还开发了一种等宽多边形沟槽轮，以增强种子的流动性并提高气力式集中播种系统的填充和排放稳定性。Hu等人则对不同结构参数和工作参数下的气力式收集器与分配器中的油菜籽在两相流中的运动特性进行了分析，结果显示种子的运动状态、碰撞频率和停留时间等参数在不同条件下存在显著变化。综上所述，许多学者已经对气力式集中播种装置的种子排放过程的稳定性与均匀性进行了深入研究，以期提高播种质量。

然而，在现有的高速气力式收集和输送装置运行中，由于种子供给过程的特殊结构要求，以及输送管道和分配头中过长的运输距离和不稳定的气流，导致种子分布不均的问题。因此，关于如何在保证宽幅、高速精准播种需求的同时，减少由不稳定输送气流引起的种子分布不均和堵塞现象的研究仍较为有限。本文采用了一种短距离的种子收集与运输模式，进一步探讨了混合组件结构和输送气流速度对种子运动轨迹的影响，以及种子供给的均匀性与稳定性。通过系统的研究，旨在为气力式集中播种装置的优化设计提供可靠的理论支持。

为了更深入地理解种子在气力式输送管道中的基本流动规律，并描述种子的运动轨迹、作用在种子上的瞬时力以及气固两相之间的详细动态信息，许多研究采用CFD-DEM耦合方法进行数值模拟。该方法能够有效地分析气流与种子的相互作用，为气力式播种系统的优化提供理论依据。Gao等人利用CFD-DEM耦合方法研究了一种新型的定量种子供给系统，其中包括种子供给装置和文丘里供给管道，以提高种子供给的均匀性。Liao等人则采用CFD-DEM耦合模拟方法对不同结构的混合组件进行了对比分析，确认了在混合组件中添加压力补偿管道可以有效防止不同浓度的油菜籽和小麦籽在输送过程中的回流现象。Cao等人对水平气力式收集系统中混合组件的锥角、混合室长度、膨胀段锥角以及混合室高度对气流场分布和输送气流速度的影响进行了CFD模拟，进一步分析了混合室高度、排放量以及入口气流速度对排放性能的影响。Mudarisov等人则对播种系统中的气流速度进行了气力计算，以确保种子在系统中的均匀分布，同时为两相“气-种子”流的参数提供了可靠的理论依据，以支持数学模型的数值实现。

尽管CFD-DEM耦合方法在气力式种子供给装置的设计和优化中已被广泛应用，但在提高耦合精度方面仍面临诸多挑战，尤其是在高速气固两相流动条件下，如何确保模型的稳定性与准确性成为研究的重点。本文引入了一种自适应时间步长算法，通过实时监测粒子的速度或力状态，动态调整计算步长，从而提高计算的稳定性与效率。同时，基于实验数据校准了高精度的边界条件，显著提升了CFD与DEM模拟的耦合精度。此外，通过结合多尺度耦合策略，针对流动场和粒子分布的特点，在密集粒子区域采用高精度的粒子解析（PR-DEM）耦合方法，而在稀疏粒子区域则采用计算效率更高的非解析（NP-DEM）耦合方法，从而在计算成本与精度之间取得平衡。本文提出了一种新型的CFD-DEM耦合框架，能够更准确地捕捉种子运动轨迹与气流场之间的动态相互作用。通过系统的模拟验证和对比实验，该模型的可行性与优势得到了充分证明，为气力式种子供给装置的优化设计提供了可靠的理论支持。

在本研究中，确定了种子供给装置的主要结构参数和输送气流速度。通过CFD-DEM耦合模拟，研究了种子供给装置中混合区域的主要结构参数和输送气流速度对管道内气流场分布以及种子运动和分布特性的影响，明确了其对瞬时播种均匀性的作用。这一研究为气力式集中小麦计量装置的优化设计提供了有价值的参考，有助于提升播种的均匀性和稳定性。通过实验测试，进一步验证了模拟结果的有效性，确保了研究结论的可靠性。

在播种过程中，种子的运动轨迹和分布特性受到多种因素的影响，包括输送管道的结构参数、气流速度以及混合组件的设计。为了提高播种的均匀性和稳定性，研究者需要对这些参数进行系统分析，并找到最佳的组合。本研究通过CFD-DEM耦合方法对种子在管道中的运动状态进行了模拟，揭示了气流场分布与种子运动之间的相互作用。同时，通过实验测试验证了模拟结果，确保了研究结论的科学性和实用性。实验结果显示，在最优参数组合下，种子供给装置的瞬时播种量变异系数和行间播种量差异变异系数均得到了有效控制，满足了小麦播种的农艺要求。此外，种子的损伤率也被控制在较低的水平，进一步提高了播种的质量。

本研究还探讨了不同倾斜供料段角度对种子供给性能的影响。通过EDEM后处理，提取了种子在不同倾斜角度下的运动状态和作用力，计算了种子的速度和力的平均值，分析了其对种子供给性能的影响。实验结果表明，倾斜供料段的角度对种子的运动轨迹和分布特性具有显著影响，尤其是在高速气流条件下，合理的倾斜角度能够提高种子的输送效率和均匀性。这一发现为优化种子供给装置的设计提供了新的思路，有助于提高播种的精准性和稳定性。

在实际应用中，气力式集中播种系统能够通过优化设计提高播种的均匀性和稳定性，从而满足现代农业对高效、精准播种的需求。本研究通过CFD-DEM耦合方法对种子在管道中的运动状态进行了详细分析，结合实验测试验证了模拟结果的有效性，确保了研究结论的可靠性。通过系统的研究，明确了不同结构参数和输送气流速度对播种性能的影响，为气力式集中播种装置的优化设计提供了科学依据。同时，本研究还提出了一种新的CFD-DEM耦合框架，能够更准确地捕捉种子运动轨迹与气流场之间的动态相互作用，进一步提高了模型的精度和实用性。

在播种过程中，种子的分布不均是一个普遍存在的问题，尤其是在高速和宽幅播种条件下，由于气流的不稳定和输送管道的复杂结构，种子容易出现堵塞和回流现象，影响播种的均匀性和稳定性。为了减少这些问题，研究者需要对气力式播种系统的结构参数和工作条件进行优化，以提高种子的输送效率和均匀性。本研究通过实验测试验证了模拟结果的有效性，确保了研究结论的科学性和实用性。同时，通过响应面分析确定了最佳的参数组合，使得种子供给装置在高速运行条件下能够实现更均匀的播种量和更低的种子损伤率。

在播种过程中，种子的运动轨迹和分布特性受到气流速度、管道结构以及混合组件设计的影响。为了提高播种的均匀性和稳定性，研究者需要对这些参数进行系统分析，并找到最佳的组合。本研究通过CFD-DEM耦合方法对种子在管道中的运动状态进行了模拟，结合实验测试验证了模拟结果的有效性，确保了研究结论的可靠性。通过系统的研究，明确了不同结构参数和输送气流速度对播种性能的影响，为气力式集中播种装置的优化设计提供了科学依据。同时，本研究还提出了一种新的CFD-DEM耦合框架，能够更准确地捕捉种子运动轨迹与气流场之间的动态相互作用，进一步提高了模型的精度和实用性。

在实际应用中，气力式集中播种系统能够通过优化设计提高播种的均匀性和稳定性，从而满足现代农业对高效、精准播种的需求。本研究通过实验测试验证了模拟结果的有效性，确保了研究结论的科学性和实用性。同时，通过响应面分析确定了最佳的参数组合，使得种子供给装置在高速运行条件下能够实现更均匀的播种量和更低的种子损伤率。这一研究不仅为气力式集中播种装置的优化设计提供了有价值的参考，还为提高小麦播种的均匀性和稳定性提供了新的思路和技术支持。

综上所述，本研究通过系统的模拟与实验分析，探讨了气力式集中播种装置中种子供给性能的关键影响因素，包括倾斜供料段的结构参数和输送气流速度。通过CFD-DEM耦合方法对种子在管道中的运动状态进行了详细分析，揭示了气流场分布与种子运动之间的相互作用。同时，实验测试结果验证了模拟的有效性，确保了研究结论的可靠性。通过响应面分析确定了最佳的参数组合，使得种子供给装置在高速运行条件下能够实现更均匀的播种量和更低的种子损伤率。这一研究不仅为气力式集中播种装置的优化设计提供了科学依据，还为提高小麦播种的均匀性和稳定性提供了新的思路和技术支持。