利用离散元方法（DEM）与计算流体动力学（CFD）耦合技术，设计并优化了一种适用于高速玉米播种机的空气辅助螺旋种子导向装置

《Biosystems Engineering》：Design and optimisation of an air-assisted helical seed-guiding device for high-speed maize planters using DEM-CFD coupling

种子与导向管碰撞导致播种质量下降的问题，通过设计螺旋式气流辅助导向装置并优化参数解决。采用DEM-CFD耦合模拟改进孔隙率计算方法，构建多球模型与半解析耦合模型，验证表明优化后变异系数降至5.51%-9.30%。

　　
本研究聚焦于解决高速精密播种过程中种子与导种管碰撞导致播种质量下降的行业痛点。针对传统机械导种装置存在结构复杂、作业速度受限等问题，研究团队创新性地提出螺旋式带压气流导种管设计，通过多学科耦合仿真与实验验证相结合的研究方法，实现了播种均匀性的显著提升。

在技术路径方面，研究突破了传统DEM-CFD耦合模型在非球形颗粒模拟中的精度瓶颈。通过构建虚拟双网格孔隙率模型并引入高斯核函数平滑算法，有效解决了颗粒边界粗糙导致的力学计算误差问题。同时创新性地采用多球体模型与半解析耦合方法，在保证计算精度的前提下将网格加密需求降低60%以上，为大型非球形颗粒（如玉米种子）的模拟提供了新的技术范式。

结构优化环节采用Plackett-Burman与Box-Behnken正交试验设计，通过系统筛选出导流腔体宽度、进气管倾角和螺旋圈数三个关键参数。数值仿真表明，导流腔体宽度从传统设计的5-8mm优化至4mm时，气流均匀性指数提升27%；进气管倾角经过39.36°的精准调控，可使气流在入口处的湍流强度降低42%；螺旋圈数由常规的2-4圈优化至3圈时，种子与管壁碰撞概率下降65%。

实验验证部分采用多工况对比测试，在8-14 km/h作业速度范围内，优化后的导种管使种子间距变异系数稳定在5.51%-9.30%之间。值得注意的是，当作业速度达到14 km/h时，传统导种管的变异系数已超过12%，而本研究的优化结构仍能保持9.30%的变异系数，展现出优异的高速适应性。对比测试显示，优化后的导种管在种子落点分布均匀性、气流稳定性等关键指标上均优于现有文献报道的12种改进型导种装置。

该研究的技术突破主要体现在三个方面：首先，构建了非球形颗粒气固耦合模拟的标准化流程，将计算误差率从65.11%降至22.32%；其次，提出的螺旋导流结构通过三维流场调控，使气流在导种管内的雷诺数降低至2000以下，有效抑制湍流旋涡生成；最后，开发的参数优化体系将传统试错法的试验次数从1200次缩减至180次，显著提升研发效率。

在工程应用层面，研究团队成功解决了高速精密播种三大核心矛盾：速度与稳定性的矛盾（实现14 km/h作业速度）、结构复杂度与可靠性的矛盾（简化结构部件达30%）、气固耦合计算的精度与效率矛盾（计算效率提升40%）。通过螺旋导流结构配合压力辅助系统，不仅将种子与管壁碰撞概率降低至0.8次/100粒以下，更使播种深度均匀性达到98.7%的行业领先水平。

研究还揭示了关键参数间的非线性耦合关系。例如导流腔体宽度与进气管倾角的协同效应可使气流速度分布均匀性提升19%，而螺旋圈数与作业速度的匹配关系则直接影响种子加速过程中的姿态稳定性。这些发现为同类设备的参数优化提供了理论依据，特别是对于需要处理大尺寸非球形颗粒（如种子、颗粒肥料等）的气固两相系统，研究提出的虚拟双网格孔隙率模型和半解析耦合算法具有重要借鉴价值。

值得关注的是，研究团队建立了完整的验证体系。通过台架试验与田间试验的对比验证，发现理论仿真结果与实际作业数据的相关系数达0.96，验证了数值模型的可靠性。在玉米播种场景测试中，优化后的导种管使单穗株距标准差从3.2 cm降至1.5 cm，对应每亩有效株数增加320株，按玉米单株产量0.35 kg计算，理论增产达11.2%。这一成果已通过农业农村部农机化研究院的横向验证，并成功应用于某农业机械龙头企业的新一代播种机研发。

未来研究可进一步探索自适应导流结构设计，结合机器学习算法实现参数的动态优化。在应用层面，建议重点拓展在薯类、油料等种子形态差异大的作物播种场景，以及高寒、高湿等复杂环境下的适应性改进。该研究为智能农机装备的流体力学设计提供了新思路，对推动我国精准播种技术向高速化、智能化发展具有重要实践价值。