《Agriculture》：Simulation and Optimization of an Air-Suction Drum-Type Seeding Machine Using DEM-CFD Coupling
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为实现小粒不规则形状种子的高播种精度，气吸穴盘育苗播种系统在取种与输种过程中常出现种子滑移和脱落问题，仍面临显著挑战。针对该问题，研究人员设计了一种集成带种板结构的新型种帽。以辣椒种子为对象，建立了排种器DEM-CFD气固耦合模型。以吸（负）压、带种板高度和吸
为实现小粒不规则形状种子的高播种精度，气吸穴盘育苗播种系统在取种与输种过程中常出现种子滑移和脱落问题，仍面临显著挑战。针对该问题，研究人员设计了一种集成带种板结构的新型种帽。以辣椒种子为对象，建立了排种器DEM-CFD气固耦合模型。以吸（负）压、带种板高度和吸孔直径为影响因素，开展了二次正交旋转组合仿真，采用响应面法（RSM）进行多目标参数优化，并进行了对比台架试验验证。结果表明：吸压与吸孔直径的交互作用对多粒率具有极显著影响。确定最优工作参数组合为吸压25.5 kPa、带种板高度0.2 mm、吸孔直径0.4 mm。排种器试验表明，在该最优参数下，单粒合格率达到95.09%，漏播率为3.06%，重播率为1.85%。与传统无带种板种帽相比，单粒合格率提高4.49%，漏播率和重播率分别降低2.06%和2.43%。带种板结构有效降低了排种器对高吸压的依赖，为不规则种子精量穴盘播种的研究与开发提供了技术参考。
**研究背景与问题提出**
在现代蔬菜产业化与规模化栽培中，移栽穴盘播种是关键环节，精量播种装备是高效育苗生产的基础。传统精量排种器多采用机械式排种技术，对种子形状和尺寸适应性差，且易对种子造成机械损伤。相比之下，气吸滚筒式排种器利用气流压差进行排种，具有损伤低、适应性高、便于高速大面积作业等显著优势，已成为当前精量播种技术的主流发展方向。然而，对于辣椒种子等小粒不规则蔬菜种子，在排种滚筒高速旋转过程中，由于法向吸力不足，种子易发生切向滑移和脱落，导致漏充率偏高。
已有研究尝试通过种子丸粒化技术改善种子散粒流动性，或在种箱内安装振动装置使种子保持"沸腾流化"状态以提高吸种概率和合格率。但丸粒化处理不仅增加生产成本，还可能影响种子发芽率；仅依靠外部振动无法从根本上解决种子脱离种群后的滑移和脱落问题；单纯提高负压强行维持吸附稳定性，则易导致多粒吸附和系统气流能耗急剧增加。因此，亟需探索可靠的排种技术以防止漏充和多充。
在排种器结构优化设计与种子运动微观机理研究方面，已有学者采用计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合技术对气吸排种器内部气固两相流进行数值模拟，揭示了导种槽曲率系数、深度和倾角对种子稳定吸附时间和充种性能的影响。大量研究采用DEM-CFD耦合方法研究不同作物种子气力排种器的工作机理，也有研究聚焦于小粒或不规则形状种子气吸滚筒排种器的结构优化和清种机理。然而，已有方法主要集中于修改吸嘴配置以改善种子分离和排种性能，缺乏对输种阶段种子机械支撑的研究。种子脱离种群后的滑移和脱落问题亟待解决，因为仅增加气动吸力虽可改善种子保持，但同时会增加多粒吸附概率。近期多行蔬菜排种器的研究进一步表明，联合优化设计与运行参数并在实际工况下进行试验验证具有重要意义。Zhang等提出将响应面法（RSM）与CFD相结合优化轴流气吸滚筒式排种器结构参数的策略；Li等设计了配备辅助充种和护种板结构的气吸精量排种器，利用种室凸台在充种阶段有效扰动种群增加离散度，在输种区通过凸台的机械支撑促进种子稳定吸附，降低所需临界负压。该研究还采用DEM对排种器完整动态作业过程进行仿真分析，证实护种结构在降低系统负压需求和缓解种子脱落方面的有效性。
在此基础上，本研究聚焦气吸滚筒式排种器，提出系统性优化方法，通过减少小粒不规则种子吸附过程中的切向滑移来改善充种性能。研究目标为：（1）设计集成带种板的种帽，为小粒不规则种子提供额外机械支撑；（2）建立排种器DEM-CFD耦合仿真模型，研究关键设计与运行参数对排种性能的影响；（3）采用响应面法（RSM）基于仿真结果进行多目标优化，确定最优设计与运行参数；（4）进行带种板与无带种板种帽的对比台架试验，验证所提设计的可行性和可靠性。
**关键技术方法**
研究人员以金螺丝辣椒种子为对象，测定千粒重、三轴尺寸和含水率等物性参数，基于平均三轴尺寸在SolidWorks中构建3D种子模型，导入EDEM采用多球法生成离散元颗粒模型（86球模型）。采用斜面法测定种子间及种子-钢界面静摩擦系数，采用圆筒提升法标定滚动摩擦系数（以物理休止角为基准，相对误差控制在5%以内）。建立排种滚筒简化模型（单排吸孔），提取内部流体域导入Fluent进行网格划分，采用滑移网格法划分静止区与旋转区，通过双向耦合实现EDEM与Fluent数据交换。采用二次正交旋转组合设计，以负压、带种板高度和吸孔直径为因素，以单粒合格率、漏充率和多充率为指标开展仿真优化。台架试验在华南农业大学进行，采用2BP-1200A气力播种机，播种效率1200盘/小时，每组播种5盘、重复3次。
**研究结果**
3.1 模型参数标定与测量结果：排种器接触界面材料与文献中装置完全一致（均为45号钢），DEM仿真模型中辣椒种子物性参数及接触材料间恢复系数采用引用文献数据，本研究测得的种子、钢、种子-种子及种子-钢参数汇总于表中。
3.2 充种性能仿真结果：三因素五水平二次正交旋转组合仿真中，当所有因素处于中心水平时，单粒合格率达到峰值，显著优于其他组合，同时漏充率和多充率均最小，表明排种性能最优。尽管重复中心点仿真因素设置相同，单粒合格率在92.13%至98.61%之间波动，主要源于DEM供种过程的随机性，包括初始种子排列、种子取向、种子间接触状态及种子-种帽瞬时接触条件在重复间的差异。
3.3 性能指标与影响因素的关系：基于响应面结果，采用Design-Expert 13软件建立单粒合格率（A1）、漏充率（A2）和多充率（A3）与负压（X1）、带种板高度（X2）和吸孔直径（X3）的多元二次非线性回归模型，并进行方差分析（ANOVA）和回归系数显著性检验。
3.3.1 单粒合格率A1：模型极显著（p<0.01），失拟项不显著（p>0.05），拟合良好。线性项X1、X2、X3不显著，但X1X3交互项显著（p=0.0416），X2X3交互项不显著（p=0.7650）。负压与吸孔直径共同决定作用在种子上的气动吸力大小和有效面积，改变孔径可改变种子保持对施加负压的响应，导致显著的X1X3交互作用；带种板在考察范围内主要提供几何约束和切向直接机械支撑，其高度变化改变机械约束程度，但与本试验域内吸孔直径的交互作用未达统计显著水平。
3.3.2 漏充率A2：模型极显著（p<0.01），失拟项不显著（p>0.05），拟合优度良好。所有线性项和二次项均极显著（p<0.01），所有交互项均不显著，表明在建立参数范围内各因素对漏充率的影响机制相互独立，无显著耦合交互效应。
3.3.3 多充率A3：模型极显著（p<0.01），失拟项不显著（p>0.05），拟合优度良好。所有线性项和二次项均极显著（p<0.01），X1X2交互项显著（p<0.05），X1X3交互项极显著（p<0.01），X2X3不显著，表明负压与带种板高度、负压与吸孔直径之间存在显著协同耦合效应。
3.4 各因素对充种性能指标的影响：单粒合格率方面，固定孔径时A1随负压呈倒U形趋势（低压漏充、中压最优、高压多充），固定压力时A1随孔径亦呈倒U形趋势（小孔限制作业面积导致漏充、中等孔径最优、过大孔径增加种子接触面积诱发多充）。漏充率方面，三个扰动曲线均呈典型开口向上的U形特征，负压X1的F值最高（93.65），对A2影响最敏感，三曲线在原点附近相交，表明中心点附近最优参数组合可使A2最小。多充率方面，固定吸孔直径为中心水平时，在带种板高度0.1-0.3 mm和负压24.3-26.7 kPa范围内A3响应面出现明显谷值；固定带种板高度为中心水平时，在吸孔直径0.3-0.5 mm和负压范围内A3亦存在最小值。合理匹配气动压力与机械约束尺寸可有效抑制多粒聚集。
3.5 多目标参数优化与求解：以单粒合格率最大化和漏充率、多充率最小化为目标，结合各因素实际物理边界条件，采用Design-Expert 13数值优化模块求解最优参数组合为负压25.5 kPa、带种板高度0.2 mm、吸孔直径0.4 mm，此时单粒合格率94.94%、漏充率3.05%、多充率2.01%。
3.6 台架验证试验结果与分析：安装种帽后实际单粒合格率、漏充率和多充率分别为95.00%、2.87%和2.13%，与仿真优化值相对误差均低于10%，漏充率和多充率相对误差分别为6.27%和5.63%。正压清种喷嘴监测压力在13.68-14.12 kPa范围内波动（约3.17%），可改变清种过程中作用于种子的局部气动力，影响最终充种分类。此外，种子形态和质量个体差异、吸孔处种子取向微小差异、滚筒壁面粗糙度和可能的磨损、种子-种子及种子-壁面接触的随机性等因素难以在数值模拟中完全复现，可能导致仿真与试验结果差异。在五个负压水平（24.3、24.9、25.5、26.1、26.7 kPa）对比试验中，带种板种帽在所有测试压力下均 consistently 获得更高的单粒合格率和更低的漏播率和重播率。25.5 kPa时A1从90.60%提高至95.09%，提高4.49个百分点（相对提高4.96%），A2和A3分别降低2.06和2.43个百分点。低压24.3 kPa时优势更明显，A1提高8.09个百分点，A2和A3分别降低5.94和2.15个百分点。带种板结构引入机械提升力，打破传统对"强制高负压吸附"的极端依赖，使排种器能在适中优化负压范围内稳定保持种子，从气动与机械耦合根源上避免多粒吸附。
**讨论与结论**
本研究针对小粒辣椒种子形状不规则、流动性差导致气力滚筒排种器播种精度低的问题，设计了一种集成带种板的新型种帽。力学分析表明，带种板为种子提供额外切向支撑，降低输种过程中对高负吸压的依赖，有效缓解过大吸压诱发的多充现象，同时减少充种过程中种子滑移和漏充。DEM-CFD仿真结果表明，负压与吸孔直径交互项（X1X3）对单粒合格率有显著影响；漏充率方面，X1X2、X1X3和X2X3交互项在考察参数范围内均不显著；多充率方面，X1X2和X1X3显著，X2X3不显著。基于非线性回归模型的多目标优化确定最优工作参数为负压25.5 kPa、带种板高度0.2 mm、吸孔直径0.4 mm。台架验证表明单粒合格率95.09%、漏充率3.06%、多充率1.85%，与仿真预测吻合良好。与传统种帽相比，所设计种帽单粒合格率提高4.49%，漏充率和多充率分别降低2.06%和2.43%。结果证实了所提种帽设计的有效性，以及基于DEM-CFD优化方法改善精量播种性能的可靠性。本研究采用金螺丝辣椒种子进行，优化结构参数对其他小粒不规则形状种子的适用性尚待验证。
