基于正交試驗(yàn)的油菜精量排種器流場(chǎng)仿真研究

基于正交試驗(yàn)的油菜精量排種器流場(chǎng)仿真研究

氣象源模擬研究采用高效油菜精量排樣機(jī)，成功應(yīng)用于2bfq-6油田精量聯(lián)合播種機(jī)。前期研究表明:排種盤轉(zhuǎn)速、正壓區(qū)壓強(qiáng)、負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)三因素對(duì)合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)有顯著影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣力式排種器的研究,大多集中在以試驗(yàn)手段尋求因素水平間的最佳組合,而利用計(jì)算機(jī)對(duì)排種器氣流場(chǎng)的仿真分析甚少,對(duì)種子、氣室、氣流場(chǎng)三者相互作用機(jī)理、氣固耦合的數(shù)值模擬研究少見報(bào)道。因此,本文以氣力式油菜精量排種器為研究對(duì)象,以ANSYS/CFX為工具,對(duì)排種器氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究,探討排種器工況一定時(shí),其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排種器氣流場(chǎng)和排種效果的影響。1氣流場(chǎng)模擬1.1系統(tǒng)可壓縮氣體氣室不泄漏排種器氣室結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真分析時(shí)對(duì)模型作如下假設(shè)和簡(jiǎn)化:①流場(chǎng)氣體為不可壓縮氣體。②室溫恒定為25℃。③大氣壓恒定為1.01×105?Pa。④氣室不漏氣。⑤正壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)互不干擾。1.2真空區(qū)域的氣場(chǎng)模擬1.2.1提高型孔負(fù)壓負(fù)壓區(qū)型孔的作用是分離、吸附油菜籽。油菜籽在靠近型孔的地方受到吸附力,被吸附在排種盤上,并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng),提高型孔負(fù)壓有利于油菜籽的吸附。仿真分析以排種器型孔平均負(fù)壓為指標(biāo),主要考察型孔數(shù)量、負(fù)壓區(qū)形式以及負(fù)壓出氣孔布置方式3個(gè)因素對(duì)負(fù)壓區(qū)氣流場(chǎng)的影響(表1),其中負(fù)壓區(qū)形式和負(fù)壓出氣孔布置方式各包括3種形式(圖2、3)。1.2.2出調(diào)整和收斂條件下的湍流模型幾何模型在Pro/E中建立(圖4a),導(dǎo)入ANSYSWorkbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖4b),網(wǎng)格劃分采用流體網(wǎng)格專用工具CFX-Mesh;出氣孔端面和型孔端面分別定義為OUT和IN端面(圖4c、4d),其余邊界定義為壁面。輸入邊界條件,OUT和IN均定義為Opening邊界,邊界IN的壓強(qiáng)為零,邊界OUT的壓強(qiáng)為-834Pa(試驗(yàn)測(cè)定)。湍流模型選用k-ε模型,并設(shè)定相關(guān)壁面為近壁區(qū),使其滿足壁面函數(shù)的作用范疇。定義最大運(yùn)算步數(shù)為150,最長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)間2s,收斂條件10-4。前處理完成后,將結(jié)果導(dǎo)入CFX-Slover進(jìn)行求解。運(yùn)算結(jié)果如表2所示。1.2.3型孔負(fù)壓分布對(duì)表2分析可知,3個(gè)因素的極差分別為RA=10.6、RB=1.6、RC=1.7,因此因素對(duì)型孔平均負(fù)壓的影響的主次順序依次是A、C、B。因素A是影響型孔負(fù)壓的最主要因素,當(dāng)型孔數(shù)量為25時(shí),型孔平均負(fù)壓較大;因素B、C對(duì)型孔負(fù)壓的影響不顯著。排種器負(fù)壓區(qū)的氣流場(chǎng)分布如圖5所示。圖5a為整個(gè)負(fù)壓區(qū)氣壓分布情況,其壓強(qiáng)分布云圖表明整個(gè)負(fù)壓區(qū)氣壓穩(wěn)定。圖5b~5d分別為負(fù)壓區(qū)中不同位置處的壓強(qiáng)分布狀況。圖5b為靠近出氣孔平面;圖5c為位于氣室中部平面;圖5d為靠近型孔平面。其壓強(qiáng)云圖表明:負(fù)壓區(qū)負(fù)壓整體穩(wěn)定,但隨空間位置的不同,負(fù)壓有所變化,越靠近型孔平面的負(fù)壓變化越小,有利于型孔處獲得穩(wěn)定一致的負(fù)壓。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)中,上述3個(gè)因素對(duì)氣室負(fù)壓的穩(wěn)定性影響均不顯著。1.3正壓區(qū)空氣動(dòng)力學(xué)1.3.1正壓區(qū)氣流場(chǎng)仿真分析正壓區(qū)型孔的作用是使油菜籽在正壓氣流的作用下,吹離排種盤,此時(shí)油菜籽除受氣流壓力外,還受重力作用。正壓區(qū)氣流場(chǎng)仿真分析以型孔最大壓強(qiáng)為指標(biāo),主要考察型孔數(shù)量、正壓區(qū)形狀、進(jìn)氣孔直徑3個(gè)因素的影響(表3)。其中,排種盤型孔數(shù)量與負(fù)壓區(qū)仿真一致,分別取15、25、35個(gè),正壓區(qū)的3種形式如圖6所示,進(jìn)氣孔的直徑分別為6、9、12mm。1.3.2最大收斂條件確定建模、網(wǎng)格劃分和控制方程的選取與負(fù)壓區(qū)相同,邊界的定義略有差異(圖7)。定義進(jìn)氣孔端面為IN,型孔端面為OUT。將IN邊界定義為Opening型,壓強(qiáng)為440Pa(試驗(yàn)測(cè)定);OUT邊界定義為Outlet型,壓強(qiáng)為零。最大運(yùn)算步數(shù)為100,最長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)間2s,收斂條件10-4。經(jīng)過CFX-Slover求解后,結(jié)果如表4所示。1.3.3型孔壓力對(duì)型孔初始?jí)毫Φ挠绊憣?duì)表4進(jìn)行極差分析可知,影響排種器型孔最大壓強(qiáng)的因素主次關(guān)系依次是:E、A、D,最佳組合方式是A2D1E3,其型孔最大壓強(qiáng)為366Pa。結(jié)果分析表明,排種盤型孔數(shù)量與型孔最大壓強(qiáng)不是線性關(guān)系,當(dāng)型孔數(shù)為25時(shí),有利于型孔獲得較大壓強(qiáng);正壓區(qū)的形狀對(duì)型孔最大壓強(qiáng)影響不顯著,但形式為D1的正壓區(qū)對(duì)獲得較大壓強(qiáng)有利;因素E是影響型孔壓強(qiáng)的最主要因素,進(jìn)氣孔直徑增大,在壓強(qiáng)一定的情況下,進(jìn)氣量增大,型孔出氣量同時(shí)增大,顯然有助于提高型孔壓強(qiáng)。正壓區(qū)氣流場(chǎng)的分布具有與負(fù)壓區(qū)相同的規(guī)律,即整體氣流場(chǎng)穩(wěn)定,局部壓強(qiáng)有所變化,靠近型孔處壓強(qiáng)穩(wěn)定性好,且3種排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣室壓強(qiáng)的穩(wěn)定性影響均不顯著。1.4影響型孔初始?jí)旱囊蛩胤抡嬖囼?yàn)可得以下結(jié)論:①負(fù)壓區(qū)型孔平均負(fù)壓主要受排種盤型孔數(shù)量的影響,負(fù)壓區(qū)形式與負(fù)壓出氣孔形式對(duì)型孔負(fù)壓的影響不顯著。②正壓區(qū)型孔最大壓強(qiáng)主要受進(jìn)氣孔直徑的影響,正壓區(qū)形式與排種盤型孔數(shù)量對(duì)型孔最大壓強(qiáng)的影響不顯著。③排種盤型孔數(shù)量為25時(shí),有利于負(fù)壓區(qū)型孔獲得較大負(fù)壓均值,同時(shí)有利于正壓區(qū)型孔獲得較大壓強(qiáng)。④排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)中,進(jìn)氣孔的直徑、出氣孔的布置方式、氣室形狀、型孔數(shù)量等對(duì)氣流場(chǎng)的穩(wěn)定性均沒有顯著影響。2單因素試驗(yàn)驗(yàn)證利用JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過試驗(yàn)檢測(cè)排種器的排種效果來驗(yàn)證仿真結(jié)果對(duì)各因素判斷的準(zhǔn)確性,以合格指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo),依據(jù)仿真分析中的影響因素,對(duì)排種器進(jìn)行單因素驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖8所示。2.1氣孔的使用和排種盤試驗(yàn)用排種器以仿真分析中正、負(fù)氣壓區(qū)3種不同形式為基礎(chǔ),制造3種不同排種器氣室基體;正壓進(jìn)氣孔和負(fù)壓出氣孔分別用螺栓與氣室相連,并保證良好的氣密性;制造型孔數(shù)量分別為15、25、35的排種盤,用于更換。試驗(yàn)時(shí),按照表5的方案安排試驗(yàn),并用U形管測(cè)量進(jìn)氣孔壓強(qiáng)和出氣孔壓強(qiáng),保證進(jìn)氣孔壓強(qiáng)為440Pa,出氣孔壓強(qiáng)為-834Pa。2.2型孔數(shù)量對(duì)合格指數(shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果表明:型孔數(shù)量為15、25和35時(shí),測(cè)得排種器合格指數(shù)分別為91.2%、94.2%和90.4%,型孔數(shù)量是影響合格指數(shù)的重要因素;氣室類型、正壓進(jìn)氣孔直徑與負(fù)壓出氣孔形式改變時(shí),測(cè)得排種器合格指數(shù)為93.2%~94.1%,這3個(gè)因素對(duì)合格指數(shù)的影響不顯著。驗(yàn)證試驗(yàn)證明,仿真分析的結(jié)果與排種器實(shí)際工況相同,利用ANSYS/CFX對(duì)排種器氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究是可行的。3型孔數(shù)量對(duì)壓力的影響(1)排種器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)中,型孔數(shù)量是影響排種合格指數(shù)