基于肥料流动汇聚技术的环形狭缝气动颗粒肥料流量检测装置的开发与实验分析

《Computers and Electronics in Agriculture》：Development and experimental analysis of an annular slit pneumatic granular fertilizer flow rate detection device based on fertilizer flow convergence technique

环形缝隙气流约束装置优化化肥颗粒流量检测精度研究。采用气固两相法与CFD-DEM耦合模拟揭示环形缝隙气流对化肥颗粒流动汇聚的影响机制，通过响应面法确定最优结构参数（空气缝隙0.74mm，引导角39.73°，入口直径8.79mm），实验验证其检测误差≤3.25%，显著提升小粒径尿素检测精度。

　　

Xinhe Shan|Bingxin Yan|Xiaofei An|Changhai Luo|Liwei Li|Yanxin Yin|Qingzhen Zhu|Zhijun Meng|Guangwei Wu

江苏大学农业工程学院，中国镇江212013

摘要

本研究设计了一种环形狭缝气动颗粒肥料流量检测装置（ASP-GFFRDD），旨在使肥料流集中，减少内部间隙，并提高颗粒肥料流量检测的准确性。该研究采用气固两相方法阐明了环形狭缝气流对肥料流集中影响的作用机制。CFD-DEM耦合仿真技术准确模拟了气流场和肥料轨迹的变化。通过响应面方法确定了影响肥料流集中的最佳结构参数。使用试验台评估了ASP-GFFRDD在不同条件下对各种肥料的适应性。结果表明，在空气狭缝开口为0.74毫米、导向角为39.73度、空气入口内径为8.79毫米时，肥料流能够集中，环形狭缝处的气流速度变异系数为2.26%。在较宽的颗粒肥料流量范围内（31至72克/秒），ASP-GFFRDD在检测磷酸二铵复合肥料流量方面表现出更高的准确性，检测误差不超过3.25%。此外，它还显著提高了小颗粒尿素的检测精度，平均误差降低了6.61%。这些发现证实了ASP-GFFRDD在高精度检测颗粒肥料流量方面的潜力。

引言

肥料施用可以提高农业生产力，在全球粮食供应中发挥重要作用（May和Kocabiyik，2019；Van Wesenbeeck等人，2021），但肥料滥用可能会引发严重的环境问题（Zhu等人，2023；Silva等人，2024）。精准变量施肥技术可以优化施肥策略，实现肥料施用的精确闭环调节。实现这一目标的前提是高精度地检测肥料流量。

改进传感器以实现高精度测量流量是检测颗粒流量的常规方法（Zhang等人，2025）。其中，光电传感器因其成本效益高且易于实现，被广泛用于颗粒物料流量检测（Karimi等人，2017；Besharati等人，2019；Yin等人，2021；Jiang等人，2022）。然而，颗粒之间的堆积和遮挡会降低流量检测的准确性（Al-Mallahi和Kataoka，2013；Al-Mallahi和Kataoka，2016）。当肥料以连续且密集的状态流动时，遮挡问题尤为严重。此外，肥料流内部存在许多间隙，仅通过改进传感器难以消除这些间隙对流量检测的不利影响。这对高精度检测颗粒肥料流量构成了严峻挑战。

为了解决上述问题，一些专家研究了颗粒的受限传输规律，并设计了颗粒流重构装置来规范颗粒流特性，提高流量检测的准确性。颗粒流导向技术有助于解决高通量流量检测中精度低的问题（Ding等人，2020）。具有多个通道的种子流重构装置可以减弱种子堆积对检测精度的不利影响，但当种子流量增加时，流量检测的准确性会显著下降（Liu等人，2019）。基于多通道并行检测原理，Nong等人（2023）提出了一种多通道肥料输送装置，该装置结合了碰撞离散化、筛分导向和螺旋约束，同时利用多个信号收集肥料流数据，实现了至少90%的颗粒肥料流量检测精度。然而，歧管数量的增加需要增加检测单元。此外，在肥料施用过程中，肥料会受重力作用而下落（Adilet等人，2023），这种基于重力的欠约束形式会导致肥料颗粒分布不均，从而降低颗粒肥料流量检测的准确性。气动输送技术利用气流的动能来控制颗粒的轨迹（Zhu等人，2022），有效实现了颗粒流的顺序输送。为了实现小颗粒的均匀输送，通常会优化文丘里管道的关键结构参数，如混合段的高度以及进料段的倾斜度和高度（He等人，2024）。然而，颗粒在空气管道中仍经常发生碰撞，阻碍了流量的集中，这对流量检测构成了挑战。环形狭缝气流场的内层流动区域具有较长的潜在核心区域（Wicker和Eaton，2001），这有助于颗粒流的集中（Lv等人，2015）。这种集中可以防止肥料颗粒与管壁碰撞，减少颗粒流内的孔隙率，从而提高颗粒肥料流量检测的准确性。环形狭缝气流场的特性直接与喷嘴的形状和尺寸有关（Wang等人，2020），通过优化喷嘴结构可以进一步提高颗粒流的集中效果。上述研究表明，多通道颗粒流重构装置存在结构复杂和适应性有限的缺点。相比之下，基于单通道肥料管，引入环形狭缝气流来约束颗粒肥料的传输轨迹可以改善肥料流的集中，实现高精度检测。

近年来，耦合仿真技术生成的可视化结果为深入研究颗粒流提供了科学有效的手段（Xu等人，2020）。Lei等人（2016）通过耦合CFD-DEM仿真证明，阻力是促进种子加速传输的主要因素。Yang等人（2019）使用耦合CFD-DEM仿真表明，风速决定了物料流的均匀性，而高密度颗粒流会导致堆积。粉碎稻草流导向扩散过程的仿真图显示，稻草的运动受到复杂流场特性的显著影响（Gu等人，2022）。高速摄影技术可以以高帧率记录颗粒运动，有助于探索实际条件下的颗粒运动模式（Chen等人，2022；Li等人，2024a）。Liu等人（2024）使用高速相机记录花粉颗粒的轨迹，研究了不同授粉方法对授粉效率的影响。基于上述研究，耦合仿真和高速摄影技术的应用有助于探索肥料流的集中行为及其对颗粒肥料流量检测精度的影响。

基于颗粒流集中技术，本研究提出了一种创新的环形狭缝气动颗粒肥料流量检测装置（ASP-GFFRDD）设计。环形狭缝气流将肥料集中到肥料管的轴向区域，减少了肥料颗粒的碰撞和内部孔隙率。本研究采用气固两相方法研究了空气入口类型、空气狭缝开口、导向角和空气入口内径对气流场稳定性以及肥料传输轨迹的影响。目的是揭示环形狭缝气流对肥料流集中作用机制，并实现灵活的约束，以提高颗粒肥料流量检测的准确性。耦合CFD-DEM仿真技术用于准确模拟气-肥两相流场的物理变化过程，确保形成稳定的肥料流集中区域。基于自建的试验平台，研究了肥料排放率和肥料性质对肥料流集中的影响，并验证了ASP-GFFRDD在高精度颗粒肥料流量检测方面的优势。ASP-GFFRDD的创新设计为高精度检测肥料流量提供了新的解决方案。

部分摘录

总体配置和工作原理

颗粒肥料流量检测系统主要由ASP-GFFRDD和颗粒肥料流量检测传感器组成。该系统安装在带凹槽的轮式肥料排放装置之后，空气入口管连接到风扇，气流压力通过气压调节旋钮控制。ASP-GFFRDD主要包括肥料入口管、空气入口管、空气腔、喉管和肥料出口管，如图1所示。

仿真分析

在确定影响肥料流集中性能的因素后，需要对这些因素进行仿真和分析，以明确其影响程度并确定相应的因素水平。基于此分析，通过正交测试确定了ASP-GFFRDD的最佳结构。

结论

本研究通过环形狭缝气流限制了肥料传输，最终目标是提高颗粒肥料流量检测的准确性。基于耦合CFD-DEM方法，研究了ASP-GFFRDD关键结构对肥料流集中性能的影响。通过响应面方法分析了最佳参数组合，并验证了最佳结构在提高颗粒流量检测准确性方面的优势。

作者贡献声明

Xinhe Shan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，形式分析，数据管理，概念化。Bingxin Yan：方法论。Xiaofei An：方法论，研究。Changhai Luo：方法论，研究。Liwei Li：软件，方法论。Yanxin Yin：方法论，研究。Qingzhen Zhu：方法论，资金获取，概念化。Zhijun Meng：验证，监督，资源管理，方法论。Guangwei Wu：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家农业科学技术项目（项目编号20221805）、国家自然科学基金（项目编号32301712）和江苏省自然科学基金（项目编号BK20230548）的支持。