《Agriculture》：Calibration and Experimental Validation of DEM Rolling Friction Parameters for Peanut Seeds Classified by Pod Position
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离散元法（DEM）模拟中单一滚动摩擦系数无法表征基于形态的花生种子类别间滚动阻力差异。经脱壳后，四粒红花生种子依据与相邻种子挤压相关的种子形状特征被划分为上部、中部和下部三类。研究人员测量了物理与接触特性，并采用类别特异性几何构型及基于规定1:2:1种子数比例
离散元法（DEM）模拟中单一滚动摩擦系数无法表征基于形态的花生种子类别间滚动阻力差异。经脱壳后，四粒红花生种子依据与相邻种子挤压相关的种子形状特征被划分为上部、中部和下部三类。研究人员测量了物理与接触特性，并采用类别特异性几何构型及基于规定1:2:1种子数比例加权尺寸的通用几何构型构建了多球模型。以实测静态休止角22.280°为标定目标进行反演，获得基准种子-种子滚动摩擦系数为0.02552；采用该系数重新运行模拟，以0.485%的相对误差再现了标定目标。由长宽比和单粒临界角推导的形状修正系数分别为1.1046、0.9687和0.9579，得到类别特异性系数0.02819、0.02472和0.02445，同时保持其加权均值不变。在滚筒转速15 r/min条件下，三种颗粒模型产生相似的总体动态休止角。耦合模拟获得的合格、重播和漏播指数分别为92.2%、6.7%和1.1%，与台架试验值接近；三项平均指数均满足引用技术要求。该参数集与标定流程为受试四粒红种子批次、颗粒表征、含水率和排种条件提供了个案参考。
**研究背景与问题**
花生（*Arachis hypogaea* L.）是中国重要的油料作物，2023年全国产量约1923万吨，同期食用植物油自给率约35%，提高国内油料产量需求迫切。四粒红是东北地区广泛种植的特色花生品种，其种子大小不一、形状不规则。在真空排种装置中，种子在气固交互作用下发生滑动、滚动和翻滚，个体种子的运动与受力难以直接观测，离散元法（DEM）模拟可用于研究上述过程，而其可靠性取决于接触参数和颗粒表征。Dem由Cundall和Strack提出，广泛用于农业颗粒运动及受力研究；Tsuji等将DEM与计算流体力学（CFD）结合分析颗粒-气流交互。DEM中种子通常以球体或多球颗粒表示，并以有效滚动摩擦系数表征滚动阻力，该系数影响预测的堆积与流动行为，但难以直接测量且依赖颗粒几何、接触模型和测量流程，标定值不能在研究间通用移植。基于休止角等宏观响应的反演标定已应用于棉籽、瓜籽、白菜籽、向日葵籽、小麦籽、羊草籽、水稻籽和玉米籽等多种农业物料。种子形态（包括三轴尺寸和长宽比）影响滚动行为、堆积和流动，Kodicherla等量化了颗粒形态对休止角的影响，Doan等区分了滚动摩擦与黏聚在接触尺度上的贡献。然而，标定研究通常为一种物料赋予单一滚动摩擦系数，如Wang等用休止角试验标定苜蓿种子模型、Xu等建立橄榄果实模型并分析接触参数敏感性，均未区分物料内部的形态类别。因此，基于形态的类别特异性滚动摩擦参数赋值值得进一步研究。已标定参数常通过再现休止角和排种响应来评估：Du等通过自动提取模拟颗粒坐标测量休止角以减少人工选线的主观性；Pourandi等建立框架区分滑动摩擦、滚动摩擦和弗劳德数对动态休止角的影响；Orefice等指出单一自由表面度量不能表征整个流动响应。许多标定研究评估静态休止角的再现，对动态条件关注较少。针对排种装置，Xu等、Sun等和Xing等分别用CFD-DEM耦合模拟优化蔬菜、玉米和水稻排种器；Lei等对集中式气力排种装置比较模拟与台架试验；Wang等模拟并测量了单个椭球形种子的吸力。针对花生种子，Guo等研究了辅助气吸充种结构，Diao等测量物理特性并开发多球模型，Wu等用休止角标定DEM参数，但这些花生研究均未将滚动摩擦参数赋予基于形态的种子类别。尽管DEM标定在农业颗粒中已较为成熟，但鲜有研究在标定花生滚动摩擦时考虑荚位相关形态，并用动态响应和排种响应共同评估所得参数。本研究建立采用形状修正的类别特异性标定流程：通过参数扫描和响应反演获得基准种子-种子滚动摩擦系数，重新运行模型检验是否再现标定目标；由长宽比和单粒临界角类别差异构建形状修正并保持加权平均滚动摩擦系数不变；随后用固定转速滚筒试验及耦合模拟与台架试验比较评估参数。所得参数特定于受试种子和操作条件。
**主要关键技术方法**
研究人员以四粒红花生脱壳种子为对象，按与相邻种子挤压相关的形状特征分为上部、中部、下部三类（典型四粒荚含1粒上部、2粒中部、1粒下部种子），物理与接触试验及模拟均采用规定的1:2:1种子数比例。用数字游标卡尺测量三轴尺寸（每类300粒），用电子天平测百粒质量，水置换法测密度（1018.2 kg m?3），105 °C烘干法测湿基含水率（4.18%）；用万能试验机压缩试验结合式（1）计算杨氏模量（40.23 MPa），泊松比取自同品种研究（0.362），进而得剪切模量（14.77 MPa）。用自由落体反弹装置配合高速摄像测恢复系数（种子-种子0.414、种子-树脂0.516），用自制斜面与数显角度仪测静摩擦系数（种子-种子0.376、种子-树脂0.472），用缓慢倾斜树脂板测单粒临界角。以加权平均尺寸对应的代表种子经三维激光扫描构建29球多球模型，采用Hertz–Mindlin（no slip）接触模型，时间步长为Rayleigh时间步的20%。静态休止角用提筒法测量并由Python程序进行颜色分割和坡面拟合，以22.280°±2.964°为标定目标，在EDEM中进行粗扫描（0.01–0.25）和细扫描（0.018–0.036，步长0.002，每水平15次运行、共150次、每次380粒）并做四视图质量筛选；动态休止角用内径150 mm滚筒在15 r/min下测量与模拟（每次300粒、每模型3次）；排种性能用JPS-12台架（排种盘19.5 r/min、真空度3.46 kPa、5.5 mm倒角圆孔）与EDEM–Fluent双向耦合模拟（realizable k–ε湍流模型、Ergun–Wen–Yu阻力模型、Fluent时间步与耦合交换间隔均为53 μs、300粒）对比，按GB/T 6973—2005评定指标、按JB/T 10293—2013 10–20 cm理论间距类别技术要求判定，模拟与台架各5次重复、每次200个排种事件。
**研究结果**
3.1 静态休止角标定：细扫描10个水平各15次运行，筛选前总均值22.513°（SD 1.338°，n=150），筛选后保留109次、排除41次，均值22.567°（SD 1.194°，n=109）；条件随机化检验未发现排除状态与摩擦水平相关（Pearson χ2=11.043，Monte Carlo p=0.302）。筛选后水平均值拟合为θ=165.4990μr+18.0563（R2=0.9768），代入目标22.280°得0.025521，基准系数取μ0=0.02552。以该系数复跑得四视图均值22.388°，相对误差0.485%，与目标绝对差约0.108°，而实测目标照片间SD为2.964°；该检验为内部一致性检验而非独立验证。
3.2 形状修正候选值：单粒临界角在树脂板上三类均值分别为13.8700°、12.2000°、12.0967°（置换方差分析p=0.00288），在种子覆盖板上为8.0400°、6.5400°、6.2067°（p=0.0115）。由式（7）得以正切表示的相对阻力Ktan,i为1.1052、0.9677、0.9593（1:2:1加权均值为1）；三类长宽比均值为1.7952、1.6781、1.6684（加权均值λ0=1.7049），选用L/B因其类别排序与临界角一致且对滚动翻滚有物理解释。对数空间过原点回归得幂律指数p=1.9446（R2=0.9997），归一化后形状修正为1.1046、0.9687、0.9579（加权均值1）。与临界角反演结果比较，二次反演比值偏差?0.7%至+2.0%，线性反演偏差?1.5%至+3.8%，仅为一致性检验而非独立验证。将修正应用于μ0，同类接触系数为0.02819、0.02472、0.02445，异类接触按几何平均得0.02640、0.02625、0.02458；重采样区间显示上部种子区间大于1且不与中、下部区间重叠，后两者均小于1。
3.3 15 r/min滚筒动态评估：实测动态角均值30.362°±2.457°；6.0–10.0 s内CMG为30.317°±0.777°、MGU为30.117°±0.451°、MGC为30.350°±0.458°，相对误差分别为0.15%、0.81%、0.04%；单因素方差分析未检出模型间显著差异（p=0.871），模型均值极差0.233°小于实测照片间SD 2.457°，MGU与MGC的Welch检验亦未检出显著差异。即在该条件下类别特异性赋值重新分配了阻力但未引起总体动态角可检测变化，此结果不构成统计等价性证明。
3.4 EDEM–Fluent耦合与台架对比：网格敏感性比较4套网格（1,524,386至4,996,832个单元），相对最细网格，3,114,905单元网格在平均吸孔压力及三处边界气相质量流率上分别相差0.137%、0.137%、0.137%和0.044%，故保留该网格。模拟合格指数92.2%对应台架92.1%（相对误差0.11%），重播指数6.7%对6.8%（1.5%），漏播指数均为1.1%；三项平均指数均满足JB/T 10293—2013要求，支持对受试批次和操作条件下总体排种性能的再现，但未确立其他条件下的预测精度。
**讨论与结论**
讨论部分指出：静态标定所得基准种子-种子滚动摩擦系数μ0=0.02552小于实测静摩擦系数0.376，二者描述不同阻力机制、不可直接互换；形状修正排序与实测长宽比和临界角排序一致，拟合指数p=1.9446表明在本数据集内修正随长宽比呈超比例增长，该关联与形状相关的滚动翻滚一致，但拟合关系不能识别接触尺度机制。静态复跑检验系数是否再现标定目标，滚筒试验比较动态角，耦合-台架比较评估单一工况下总体排种性能；MGC与MGU动态角相似且Welch检验无显著差异，Pourandi等的框架提示低弗劳德数滚筒条件可能解释总体角相似，Orefice等亦表明单一自由表面度量不能描述完整流动状态，需颗粒速度场等额外度量才能分辨类别对内部运动的影响；现有动态与台架比较支持受试条件下参数赋值，但未确立其唯一性或相对均匀滚动摩擦的优越预测精度。对精密花生排种设计的实践意义在于：静态标定确定总体种子-种子滚动摩擦水平，长宽比修正在不改变加权均值前提下赋予类别差异，因而通用几何可结合类别特异性滚动摩擦系数在DEM中表征形态类别；15 r/min下MGC动态角30.350°±0.458°接近CMG的30.317°±0.777°，模拟与实测平均排种指数最大相对差1.5%，支持用该参数分析受试装置总体响应及候选结构方案。局限性包括：仅一个来源的一批四粒红种子、4.18%湿基含水率、现有多球表征、15 r/min滚筒及19.5 r/min、3.46 kPa、5.5 mm倒角圆孔台架条件，其他品种、作物、批次、壁面材料或工况需重新测量、标定和独立验证，即使同品种新批次也需重估含水率、临界角、静态响应和基准滚动摩擦，λ0、p及式（8）函数形式不能假定直接适用；几何未保留种皮不规则性、局部接触曲率和类别内个体变异，壁面弹性参数为临时工程值，仪器与图像提取不确定度未逐项传播至置信区间；球数敏感性仅针对临界滚动角在受试球数范围评估，未比较各颗粒模型运行时间故未量化计算效率；网格敏感性仅覆盖所比条件下的平均吸孔压力与三处边界气相流率，因计算成本未评估颗粒尺度响应的网格无关性，排种置信区间仅描述5次重复间变异，现有试验未确立参数唯一性、统计等价性或受试条件外的预测精度；未来将在批次、含水率和品种间重复标定以评估p与λ0适用性，动态评估纳入颗粒速度场，台架验证覆盖更多转速、真空度和吸孔构型。
结论部分译为：研究人员测量了上部、中部和下部四粒红花生种子类别的物理与接触特性，平均长度分别为15.15、14.03和13.94 mm，平均种子密度为1018.2 kg m?3；以尺寸最接近1:2:1加权平均尺寸的代表种子构建29球平均几何；由静态休止角响应反演得基准种子-种子滚动摩擦系数μ0=0.02552；指数p=1.9446的长宽比幂律给出形状修正1.1046、0.9687和0.9579并保持加权平均系数不变，乘以基准得类别特异性系数0.02819、0.02472和0.02445；以标定系数复跑静态模拟以0.485%的相对误差再现标定目标；15 r/min下修正与未修正平均几何模型产生相似动态角，单因素方差分析未检出三模型间显著差异（p=0.871）；合格、重播和漏播指数相对JPS-12台架试验的误差分别为0.11%、1.5%和0%，平均指数满足JB/T 10293—2013要求。这些结果为受试四粒红批次、含水率、颗粒表征和排种条件提供个案参考，该流程可指导后续作物特异性研究，但跨品种、作物或操作条件的可移植性尚未确立。
