基于DEM-CFD耦合与高速摄影技术的风送式施肥装置分配器设计与性能优化研究

针对油菜小麦宽幅高速播种同步条施作业中施肥行间质量不均、颗粒滞留破损等问题，研究人员通过设计平顶式、平顶倒锥式、穹顶式及穹顶倒锥式四种分配器，结合DEM-CFD气固耦合仿真与高速摄影验证实验，发现穹顶式分配器在颗粒运动时间（4.93 s）、行间施肥质量变异系数（6.42%-7.49%）及破损率（2.95%-3.34%）等指标上表现最优，为提升肥料利用率与减少环境污染提供了关键技术支撑。

　　

在长江中下游和新疆等地的油菜小麦种植区，宽幅（4.8 m）高速（6-12 km h^?1
）播种同步条施作业对施肥均匀性提出了严苛要求。传统风送式施肥装置的分配器在高速作业中易因气流场不均和颗粒碰撞导致肥料行间质量差异显著，部分区域过度施肥引发环境污染，而颗粒滞留和破损则会堵塞管道，降低肥料利用率。尽管离心式、螺旋式等施肥装置已有优化研究，但针对风送式分配器结构适配性的系统分析仍属空白。

为解决这一难题，华中农业大学联合多家单位的研究团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表论文，通过设计四种分配器（平顶式FT、平顶倒锥式ICFT、穹顶式DM、穹顶倒锥式ICDM），结合基于Hertz理论的弹性碰撞模型，首次采用DEM-CFD耦合仿真与高速摄影技术，揭示了分配器结构对颗粒运动特性（速度、碰撞力）及分布性能的影响规律。实验验证表明，穹顶式分配器以最短颗粒运动时间（4.93 s）、最优行间均匀性（变异系数6.42%-7.49%）和最低破损率（2.95%-3.34%）成为宽幅高速作业的理想选择。

关键技术方法
研究通过离散元法（DEM）构建肥料颗粒模型，结合计算流体力学（CFD）模拟气流场，建立气固耦合仿真体系；利用高速摄影捕捉颗粒运动轨迹，并通过综合性能试验台测定施肥质量变异系数与破损率。实验样本来源于实际作业场景，覆盖4.8 m宽幅与6-12 km h^?1
速度范围。

研究结果

分配器类型对颗粒运动特性的影响
仿真数据显示，相同颗粒生成速率下，DM分配器的颗粒最大速度（1.32 m s^?1
）和最大法向碰撞力最低，而ICFT分配器则最高。颗粒主要从导肥口截面上半部排出，DM分配器无颗粒滞留，而FT与ICFT出现滞留现象。

分配器性能验证
高速摄影与台架试验证实，仿真中颗粒速度与碰撞力规律与破损率实测结果一致。DM分配器的行间施肥质量变异系数稳定在7%以下，总施肥量稳定性变异系数仅0.83%-1.05%，显著优于其他结构。

结论与意义
穹顶式分配器通过优化气流场分布与碰撞能耗机制，实现了颗粒高效输送与均匀分配。该研究为宽幅高速播种同步施肥装备提供了关键设计依据，可减少20%以上的肥料浪费，对推动农业绿色生产具有重要实践价值。作者团队进一步指出，未来可结合GNSS/IMU技术实现变量施肥的精准控制。