油麦兼用气送式集排器输种管道气固两相流仿真与试验

雷小龙 廖宜涛 张闻宇 李姗姗 王 都 廖庆喜

(华中农业大学工学院， 武汉 430070)

油麦兼用气送式集排器输种管道气固两相流仿真与试验

雷小龙 廖宜涛 张闻宇 李姗姗 王 都 廖庆喜

(华中农业大学工学院， 武汉 430070)

为研究种子在油麦兼用气送式集排器输种管道中的迁移规律，运用EDEM-CFD耦合仿真方法分析了输种管道直径、长度、横纵管道长度比(k)和接头形式对种子运动特性和气流场的影响；台架试验研究了输种管道结构对排种性能的影响。结果表明：种子在输种管道中受力与速度主要沿管道轴线方向，与气流速度相同，种子迁移的动力主要源自流体阻力。管道出口处种子速度随k增加呈先降后升的趋势，输种管道结构显著影响各行平均排种量和各行排量一致性变异系数。当输种管道直径、长度和k分别为42 mm、1.0 m和2/3时，管道出口处种子速度、两相流相对速度和压强损失较小，排种性能较优。接头为弯管的输种管道出口处种子速度明显高于接头为折线形管道，两相流相对速度表现为弯管低于折线形接头；弯管半径100 mm的输种管道气流场和种子分布均匀，压强损失较小。供种装置转速为10～40 r/min时，排种油菜、小麦时各行排量一致性变异系数分别低于4.0%和5.0%，总排量稳定性变异系数和种子破损率分别低于1.0%和0.1%。

油菜； 小麦； 气送式集排器； 输种管道； 气固两相流； 排种性能

引言

精量播种和通用性强是提高油菜、小麦等作物产量和机具利用率的重要途径[1-2]，气送式集排器具有适应作物种类多、高速和高效等优点，已成为国内外播种机排种器发展的主要趋势[3]。国外以大型气送式播种机为主，幅宽和工作效率均较高，适应大型农场播种作业和旱区作业，不适应我国当前土地经营方式与水旱轮作种植模式，且价格昂贵。气送式集排器采用机械供种、气流输送分配成行的播种方式[4]，其中输种管道影响种子在管道中的分布状态和分配效果。

输种管道结构不仅影响种子的运动状态，对播种机的整机结构和压强损失等也会产生影响。常金丽等[5]根据排种系统的整体高度设计了垂直输送管道的长度，并计算了压强损失。相关学者也开展了物料在管道中运动的动力学研究，计算了铅垂管道和弯管的压强损失[6-7]。由于种子在输种管道内形成的气固两相流较复杂，用数学模型难以准确描述种子的运动特性及气流场，需采用辅助软件进行分析。近年来，随着离散单元法(DEM)和计算流体动力学(CFD)的发展，数值模拟技术已成为研究多相流和结构优化的重要工具[8-10]。龚智强等[11]运用Fluent软件研究了吸种区域气流场中种子的受力情况，确定了影响种子受力的因素。林达平等[12]利用Fluent软件模拟了细颗粒在管道内流动时的运动特性。杜俊等[13]利用CFD-DEM方法对气固两相流在带有弯管的气力输送管道内的流动特性进行数值模拟。韩云龙等[14]采用数值模拟方法分析了管道结构形式对颗粒物沉降的影响。气固耦合广泛用于研究颗粒、颗粒与颗粒间和颗粒与壳体间的运动状态及气流场的特征[15-17]。并且，气固耦合在农业工程领域被用于研究颗粒在气流场的分布及优化工作参数[18-19]。

为提高气送式集排器的通用性和排种均匀性，前期已设计一种油麦兼用倾斜锥孔轮式供种装置，可实现油麦兼用及变量供种[20]。鉴于种子在输种管道的运动状态及分布影响集排器的排种均匀性，种子与气流形成的气固两相流又难以通过数学模型描述，本文采用离散元仿真软件EDEM与计算流体动力学软件Fluent耦合的方法，对种子在输种管道中的迁移过程进行气固两相流模拟。仿真研究输种管道结构对种子运动特性和气流场的影响，并通过试验研究输种管道结构对集排器排种性能的影响，明确较优的管道结构形式。

1 油麦兼用集排器输种管道结构

1.1 油麦兼用集排器结构与工作原理

图1 油麦兼用气送式集排器与输种管道结构图Fig.1 Structure sketches of air-assisted centralized metering device and seed conveying tube for rapeseed and wheat1.地轮 2.播种机机架 3.供气管道 4.风机 5.中间过渡轴 6.变速装置 7.种箱 8.供种装置 9.分配器 10.增压管 11.输种管道 12.供料装置 13.导种管 14.双圆盘开沟器 15.横向管道 16.接头 17.纵向管道

油麦兼用气送式集排器主要由供种装置、供料装置、分配器、输种管道、增压管、风机和开沟器等组成，如图1a所示。播种机工作时，地轮转动驱动中间过渡轴转动，从而带动变速装置与供种装置转动，供种装置根据农艺播种要求提供的均匀种子流与风机产生的高速气流在供料装置中混合形成气固两相流，在输种管道中气固两相流充分混合，同时输送种子流至增压管进入分配器中均匀分配成行，进入导种管至开沟器，完成播种过程。以幅宽为2 000 mm的油麦兼用型气送式集排器为研究对象，其主要技术参数如表1所示。

表1 气送式集排器主要技术参数Tab.1 Main parameters of air-assisted centralized metering device

输种管道是连接供料装置与增压管的关键部件，影响分配器的安装位置、管道压强损失和种子速度等，进而可能影响排种均匀性等，其结构如图1b所示。输种管道包括横向管道、纵向管道和接头3部分，横向管道与供料装置连接，纵向管道与增压管连接，横向管道与纵向管道间通过接头连接起来。种子在横向管道(长度为l)向纵向管道(长度为h)运动过程中改变种子迁移轨迹，气流与种子相互作用推动种子迁移，将气固两相流送入分配器。

1.2 输种管道主要结构参数与气固耦合模型

种子在输种管道中运动状态主要受输种管道结构参数及工作参数影响，结构参数主要为管道直径、管道长度和接头类型，工作参数主要包括风速与料气输送比。

1.2.1 输种管道主要结构与工作参数

根据颗粒在输种管道的输送理论[5]，入口风速可表示为

(1)

式中vg——入口风速，m/skL——物料粒度系数ρp——颗粒密度，Mg/m3kd——物料特性系数L——管道长度，m

当颗粒的粒径在1～10 mm时，kL取值为16～20，由于油菜和小麦的当量直径低于5 mm，因此取kL为16。油菜、小麦密度分别为1 060、1 350 kg/m3。物料特性系数kd取值为(2～5)×10-5，而输种管道长度一般不超过2 m，研究中忽略物料特性系数对风速的影响。为保证输种管道气流的速度，保留10%的冗余时油菜、小麦的输种速度分别为18.12、20.45 m/s。

料气输送比是衡量种子在气流中的质量比例，可表示为

(2)

其中

(3)

式中ψ——料气输送比Gp——单位时间颗粒输送质量，g/sGg——单位时间气流输送质量，g/s

ρg——空气密度，取1.205 kg/m3D——输种管道直径，m

综合式(1)～(3)，得

(4)

根据油麦兼用的播种量要求，在前进速度为3.6 km/h时，单位时间油菜、小麦的播种量范围分别为0.63～1.43 g/s和10.49～35.98 g/s。由于种子在输种管道中的气固两相流为稀相流，料气输送比ψ取值范围为0.1～1.0，本研究取值为0.9，得到输种管道直径为41.96 mm。结合管道实际尺寸，修正输种管道直径为42 mm。

1.2.2 气固两相流的数学模型

为分析种子在气流场中的运动状态，采用计算流体力学和离散元法分析气固两相流的特性。输种管道内气体流动属于不可压缩湍流运动，颗粒在气流场中的运动遵循牛顿第二定律。

湍流运动严格遵循质量守恒和动量守恒规律，在计算流体力学中对应的方程为连续性方程和Navier-Stokes方程[16]，表达式为

(5)

(6)

其中

(7)

式中εg——气相体积分数，%p——气相压强，Paτ——粘性应力张量Rgp——单元网格的气固两相流间的动量交换量

g——重力加速度，m/s2

Fp,i——作用于颗粒i的合力n——特定网格内的颗粒数量 ΔV——网格的体积

由于颗粒占输种管道中气流体积小于10%，采用Lagrangian方法分析颗粒在输种管道无碰撞的运动。在气流场中，颗粒受到重力、浮力、流体阻力、Saffman升力和Magnus升力等的作用，即

(8)

(9)

式中FD——流体阻力，NFGB——重力与浮力的合力，NFSa——Saffman升力，NFMa——Magnus升力，NIp——颗粒转动惯量，kg·m2ωp——颗粒的角速度，rad/sT——颗粒扭矩，N·mvp——颗粒速度，m/st——时间

作用在颗粒上的流体阻力为

(10)

式中CD——阻力系数

阻力系数CD[21]计算式为

(11)

其中

式中dp——颗粒直径，mμg——气体粘度，Pa·sRep——颗粒雷诺数

重力与浮力的合力FGB为

(12)

式中mp——种子质量，kg

颗粒受到的升力包括Saffman升力和Magnus升力等作用力，Saffman升力FSa又称剪切升力，是由于固体颗粒在有速度梯度的流场中运动时，颗粒两侧流速不同产生的由低速向高速方向的升力；Magnus升力FMa是固体颗粒在流场中自身旋转产生一个与流场流动方向垂直的由逆流指向顺流侧方向的力。

(13)

其中

(14)

式中CSa——剪切升力系数ReS——颗粒的剪切流雷诺数

剪切升力系数为

CSa=

(15)

式中γ——颗粒剪切流雷诺数与颗粒雷诺数比值

(16)

种子在输种管道的运动包括直线运动与旋转运动2种方式，种子运动方向与流体阻力FD方向一致，则种子在横向管道和纵向管道的受力存在差异。因此，横纵管道直径、长度和接头结构对气流场分布、种子运动、种子与管壁间碰撞以及种子迁移轨迹等均会产生影响，导致种子在气流场中的运动特性较复杂，难以通过数学模型准确描述，采用EDEM-CFD耦合能较好地阐释种子在气流场中的运动状态。通过理论分析结构与工作参数为构建仿真模型和设置边界条件提供依据，确定了输种管道三维模型和气流进出口初始条件等；气固两相流数学模型为数值模拟选择耦合方法、种子在气流场的受力类型和气流流动参数提供参考。

2 气流场中种子运动状态的数值模拟

2.1 EDEM-CFD耦合仿真方法

图2 EDEM-CFD耦合仿真流程图Fig.2 Flow chart of EDEM-CFD coupling

在EDEM-CFD耦合仿真中，计算流体力学和离散元法分别采用Fluent 12.0和EDEM 2.2软件进行仿真。输种管道中的流体视为不可压缩的流体，EDEM-CFD耦合仿真过程如图2所示，气流场由CFD求解器进行求解，通过EDEM-CFD耦合方法计算作用于颗粒上的流体阻力、重力和浮力等，仿真各个步长内颗粒的运动状态，当仿真时间未到设定值时，不断迭代计算单位步长内的气流场和颗粒运动状态。

2.2 仿真模型和仿真参数设置

采用Workbench 12.0划分网格，使用分块的四面体结构化网格，结构如图3所示。对于气流相，入气口设为气流速度入口；入料口和出料口设为气流速度出口。入料口为种子连续进入供料装置中的通道，入气口为高速气流入口，出料口为种子与气流的气固两相流出口。

图3 输种管道网格结构Fig.3 Grid structure of seed conveying tube1.入气口 2.入料口 3.供料装置 4.输种管道 5.出料口

由于种子在气流场所占体积分数低于10%，EDEM-CFD耦合仿真选用Eulerian- Lagrangian方法耦合。根据理论分析，气流作用于颗粒上的力选择Freestream Equation流体阻力、Saffman升力和Magnus升力模型。气体流动为湍流运动，连续相的气流场模拟采用Fluent软件中标准k-ε湍流模型；EDEM仿真中选取Hertz-Mindlin无滑动接触模型。仿真中模型外壳材料为铝合金，种子和铝合金的材料特性及其相互间的力学特性[22-23]和气流场参数见表2。由于EDEM仿真的时间步长要远低于CFD，EDEM和CFD的时间步长分别设为5×10-6s和1×10-3s，总仿真时长为2.0 s。

2.3 仿真方法

为验证理论分析的合理性和分析输种管道结构对气流场、种子运动特性的影响，开展了输种管道直径D、输种管道长度L和横纵管道长度比k对气固两相流影响的仿真研究，L为横向管道长度l与纵向管道长度h之和，k为横向管道长度l与纵向管道长度h之比。仿真模型中输种管道直径D设36、42、48 mm 3个水平，输种管道长度L设0.5、1.0、1.5、2.0 m共4个水平，横纵管道长度比设1/4、2/3、1、3/2、4共5个水平。仿真时通过导入不同的输种管道几何模型，排种油菜、小麦的入口风速分别为16 m/s和20 m/s，接头采用半径R为100 mm的圆弧形管道。

为获得较优的接头结构，开展接头结构对种子在气流场中运动特性影响的仿真。接头包括弯头和折线型2种形式，如图4所示。弯头的半径(R)取50 mm、100 mm和150 mm；折线形接头的倾角(θ)设30°、45°、60°共3种形式，高度h1为100 mm。

表2 仿真参数Tab.2 Computational parameters used in simulations

图4 输种管道接头结构图Fig.4 Joint’s structure sketches of seed conveying tube

2.4 仿真结果与分析

2.4.1 管道直径对气流场和种子运动特性的影响

管道出口处种子的合力、合速度、气流速度和两相流相对速度均随管径增加而降低(表3)，压强损失以管径42 mm为最低。种子分布随输种管道直径增加呈密集的趋势(图5)。输种管道直径为42 mm条件下，油菜、小麦种子在输种管道分布均较均匀，两相流相对速度和压强损失较小，与理论分析结果一致，能够满足油菜、小麦的输送要求。

2.4.2 管道长度对气流场和种子运动特性的影响

输种管道直径和长度分别为42 mm和0.5 m时，管道出口处种子的合力和合速度高于其他长度处理(表4)，种子主要沿管壁运动。管道长度在1.0～2.0 m范围内出口处种子速度差异较小，种子最大速度高于出口速度(图6a)，其原因是横向管道较长时，种子速度在横向管道中达到最高。该输种管道长度下种子与气流混合较均匀(图6)，表明当输种管道长度达到1.0 m时，种子分布均匀，压强损失较小，因此本研究取输种管道长度为1.0 m。

表3 输种管道直径对气流场和种子运动特性的影响Tab.3 Effects of conveying tube diameter on airflow field and seed motion characteristics

图5 不同输种管道直径下种子分布状态Fig.5 Seed distributions in conveying tube under different tube diameters表4 输种管道长度对气流场和种子运动特性的影响Tab.4 Effects of conveying tube length on airflow field and seed motion characteristics

管道长度L/m横纵管道长度比k合力/N气流速度/(m·s-1)出口种子速度/(m·s-1)两相流相对速度/(m·s-1)种子转速/(r·min-1)压强损失/Pa1/42.28×10-418.0310.117.9281332.1910.422/32.27×10-417.899.038.8683321.7932.190.512.25×10-417.649.148.4989838.8926.143/21.59×10-417.718.459.2682561.1922.8841.23×10-417.948.369.5974284.8925.931/43.20×10-518.099.558.5370187.3926.182/36.36×10-517.718.369.3569395.7912.481.015.06×10-518.097.1110.9789420.2901.893/26.55×10-517.926.3711.5569309.6923.2841.06×10-417.937.1410.7998980.6917.251/47.21×10-518.058.359.7059143.0929.872/38.13×10-517.867.3410.5379115.3943.611.511.12×10-417.927.1410.7743422.5956.543/28.07×10-517.716.1411.5755767.9933.4549.93×10-517.817.1210.6961515.8927.511/44.06×10-518.158.759.4061800.5950.202/31.38×10-417.707.2610.4433101.7943.612.011.25×10-417.927.1310.7842764.2956.543/21.45×10-417.826.8810.9454586.1938.8641.00×10-417.848.079.7782843.1958.50

图7b表明管道出口处种子速度随k增加呈先降后升的趋势。在输种管道长度为1.0 m和横纵管道长度比k为2/3、1、3/2条件下，种子在输种管道的分布均较均匀，种子与气流能充分混合(图8)。综合考虑两相流相对速度和气固相混合均匀性，本研究选取k为2/3。

图6 不同管道长度内油菜种子分布状态Fig.6 Seed distributions in conveying tube under different lengths for rapeseed

图7 油菜种子速度在输种管道内的变化趋势Fig.7 Changing trends of seed velocity in conveying tube for rapeseed

图8 不同横纵管道长度比条件下管道内油菜种子分布状态Fig.8 Seed distributions in conveying tube under different ratios of lateral to longitudinal tube lengths for rapeseed

2.4.3 输种管道接头形式对种子运动特性的影响

由表5可知，接头为弯管的输种管道出口处种子速度明显高于接头为折线形管道，两相流相对速度和压强损失表现为弯管低于折线形接头。管道出口处的种子速度随弯管半径增加而增加，而两相流相对速度随之降低，压强损失以弯管半径100 mm最低。

弯管内气流速度分布均匀性优于折线形接头(图9)；弯管半径为100、150 mm比半径为50 mm的气流速度分布更均匀。弯管半径为100 mm的弯管入口截面的气流分布均匀，未出现气流涡流区和滞留区。种子在折线形接头的纵向管道中的分布状态更集中(图10)，种子与管壁碰撞加剧。从种子分布状态来看，弯管半径为50 mm和100 mm的结构与管壁有较多碰撞，弯管半径为150 mm的管道中的种子沿管壁运动。综合来看，弯管半径100 mm的输种管道气流场和种子分布均匀，压强损失较小。

表5 输种管道接头形式对气流场和种子运动特性的影响Tab.5 Effects of joint’s structure on airflow field and seed motion characteristics

图9 不同输种管道接头形式的气流分布图Fig.9 Airflow distributions under different joint’s structures of seed conveying tube

图10 不同输种管道接头形式油菜种子分布状态Fig.10 Seed distributions under different joint’s structures of seed conveying tube

图11 油菜、小麦种子在输种管道的受力与速度变化曲线Fig.11 Changing curves of force and velocity of seed in seed conveying tube for rapeseed and wheat

2.4.4 种子在输种管道中迁移过程分析

为分析种子在输种管道中的迁移过程，对种子在输种管道长度为1.0 m和k为2/3的管道中的受力和速度进行分析(图11)。种子在供料装置种子入口中(OA段)受重力作用，种子沿Z方向运动；种子受到气流的作用沿横向管道运动(AB段)，种子受力达到极大值，主要为Y方向受力(即种子运动方向)，种子合速度和Y方向速度急剧增加，Z方向速度有所增加。种子沿Y方向迁移使种子与气流相对速度减小，种子受力减小，速度增加。当种子通过弯管进入纵向管道(BC段)，种子运动由Y方向改变为-Z方向，-Z方向受力和速度均快速增加至稳定值。因此，种子在输种管道中受力与速度主要沿管道轴线方向，与气流速度相同；推动种子迁移主要源自于流体阻力。

3 台架试验

3.1 试验材料与方法

以华油杂62和郑麦9023为试验材料，华油杂62的千粒质量为4.67 g，含水率为7.15%；郑麦9023的千粒质量为44.87 g，含水率为8.44%。试验设备及装置如图12所示，油麦兼用气送式集排器的增压管长度为300 mm，分配器均匀将种子流分成8行。

图12 油麦兼用气送式集排器试验装置实物图Fig.12 Platform of air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat1.风机 2.调压阀 3.减速电动机 4.种箱 5.供种装置 6.种子袋 7.分配器 8.增压管 9.输种管道 10.弯头 11.试验台架

为分析管道结构对油麦兼用集排器排种性能的影响，并验证EDEM-CFD耦合仿真的合理性，开展了输种管道长度和横纵管道长度比k2个因素对排种性能影响的试验。输种管道长度L设0.5 m、1.0 m和1.5 m 3个水平，横纵管道长度比k设1/4、2/3和4共3个水平，输种管道直径和弯管半径分别为42 mm和100 mm，油菜、小麦入口风速分别为16 m/s和20 m/s。为考察供种速率对排种性能的影响，试验中排种油菜、小麦时供种转速为10～40 r/min，增量为10 r/min。

试验以GB/T 9478—2005《谷物条播机 试验方法》为依据，开展输种管道对排种性能影响的试验。用种子袋收集排种管排出的种子，称量净质量，采集时间为1 min，重复5次，计算不同处理下各行排种量、各行排量一致性变异系数、排种速率稳定性变异系数和种子破损率[20,24]。应用Matlab软件进行方差分析。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 模型验证

为检验EDEM-CFD气固耦合仿真及参数的合理性，对比分析了高速摄像和仿真时种子在输种管道中的分布状态，如图13所示。对比试验和仿真时种子的分布状态可知，种子在输种管道中均处于离散状态。由于种子运动轨迹具有随机性，种子在输种管道的分布不完全相同，但趋势一致。文献[22]已验证EDEM仿真模型及参数的合理性，综合比较颗粒在管道的分布状态，表明该气固两相流模型与参数选择是合理的。

图13 高速摄像与仿真中种子状态Fig.13 Seed distributions between image using high-speed camera and simulation

3.2.2 输种管道结构对排种性能的影响

表6表明，各行平均排种量随输种管长度增加呈降低的趋势。排种油菜时，输种管道长度与横纵管道长度比间交互作用极显著影响各行排量一致性变异系数，当管道长度为0.5 m和1.0 m时，各行排量一致性变异系数以k为2/3最低；当管道长度为1.5 m时，k为1/4和4时的各行排量一致性变异系数均较低。排种小麦时，横纵管道长度比显著影响各行排量一致性变异系数，当k为2/3时均较低。输种管道结构对总排量稳定性变异系数和种子破损率影响不显著。该研究的油麦兼用气送式集排器幅宽2.0 m，当输种管道长度和横纵管道长度比分别为1.0 m和2/3时，排种性能较优，该结果与EDEM-CFD气固耦合仿真结果一致。

表6 输种管道结构对排种性能的影响Tab.6 Effects of seed conveying tube structure on seeding performance for rapeseed and wheat

注：** 和*分别表示方差分析在P<0.01和P<0.05水平上显著。

3.2.3 供种速率对排种性能的影响

当输种管道长度和横纵管道长度比分别为1.0 m和2/3时，供种装置转速在10～40 r/min范围内的排种性能如表7所示。各行平均排种量随供种速率增加而增加，排种油菜、小麦时各行排量一致性变异系数分别低于4%和5%，总排量稳定性变异系数和种子破损率分别不超过1.0%和0.1%。表明在该输种管道结构条件下排种油菜、小麦时能适应不同的供种速率，且排种性能满足JB/T 6274.1—2013《谷物播种机 第1部分：技术条件》和油麦种植要求。

表7 供种速率对排种性能的影响Tab.7 Effects of seed feed rate on seeding performance for rapeseed and wheat

4 结论

(1)运用Fluent软件中标准k-ε湍流模型与EDEM离散元气固耦合方法模拟了种子在输种管道中的运动状态。仿真分析了输种管道结构对种子运动特性和气流场的影响。当输种管道长度达到1.0 m时，出口处种子速度和压强损失均较小。出口处种子速度随k增加呈先降后升的趋势，输种管道直径D为42 mm和k为2/3时两相流相对速度和种子分布均匀性较好。

(2)接头为弯管的输种管道出口处种子速度明显高于接头为折线形管道，两相流相对速度表现为弯管低于折线形接头；弯管半径100 mm的输种管道气流场和种子分布均匀，压强损失较小，未出现气流涡流区和滞留区。种子在输种管道中受力与速度主要沿管道轴线方向，与气流速度相同，种子迁移的动力主要源自流体阻力。

(3)台架试验研究了输种管道结构对排种性能的影响，得出当输种管道长度和横纵管道长度比分别为1.0 m和2/3时，排种性能较优。供种装置转速为10～40 r/min时，排种油菜、小麦的各行排量一致性变异系数分别低于4%和5%，总排量稳定性变异系数和种子破损率分别低于1.0%和0.1%。

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Simulation and Experiment of Gas-Solid Flow in Seed Conveying Tube for Rapeseed and Wheat

LEI Xiaolong LIAO Yitao ZHANG Wenyu LI Shanshan WANG Du LIAO Qingxi

(CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

In order to study seed movement law of seed conveying tube of air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat, effects of seed conveying tube’s diameter and length, ration of lateral length to longitudinal length (k), and joint’s type on seed motion characteristics and airflow field were analyzed with EDEM-CFD coupling approach. Impact of seed conveying tube’s structure on seeding performance was studied by bench experiments. The results showed that seed movement direction which was the same as airflow direction in seed conveying tube was in axis direction and seed motion source was the drag force. The seed velocity in seed conveying tube’s outlet was increased first and then decreased with the increase of ratio of lateral length to longitudinal length (k). The each row’s averaged seeding quantity and apiece row consistency variation coefficient of seeding quantity were affected significantly by seed conveying tube’s structure. When seed conveying tube’s diameter, length andkwas 42 mm, 1.0 m and 2/3, respectively, seed velocity, relative velocity between particle and airflow and seed distribution were good with lower pressure loss and better seeding performance. Seed velocity of conveying tube with bends was larger than that of conveying tube with mansard joint. The relative velocity of conveying tube with bends was lower than that of conveying tube with mansard joint. Airflow field and seed distribution was uniform with larger seed velocity and lower pressure loss in conveying tube with bends of 100 mm of radius. When rotational speed of seed feed device was within the range of 10～40 r/min, apiece row consistency variation coefficient of seeding quantity of rapeseed and wheat was less than 4.0% and 5.0%, respectively. The stability of full seeding quantity and seed damage rate were no more than 1.0% and 0.1%, respectively, for both rapeseed and wheat. The results provided the basis for structure optimization of air-assisted centralized metering system and improvement of seeding performance.

rapeseed； wheat； air-assisted centralized metering device； seed conveying tube； gas-solid flow； seeding performance

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.007

2016-06-30

2016-08-11

国家自然科学基金项目(51575218、51275197)、国家油菜产业体系专项(CARS-13)、湖北省技术创新专项(2016ABA094)和“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B02)

雷小龙(1989—)，男，博士生，主要从事现代农业装备设计与测控研究，E-mail： leixl1989@163.com

廖庆喜(1968—)，男，教授，博士生导师，主要从事油菜机械化生产技术与装备研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn

S223.2+3

A

1000-1298(2017)03-0057-12