水稻芽种排种器充种和投种过程的计算机仿真分析

摘要

水稻是世界上重要的粮食作物。全世界水稻播种面积约占谷物总面积的23％，稻谷总产量约占谷物总产29％；水稻也是我国最主要的粮食作物之一，根据国家粮油信息中心的有关资料：我国2004年稻谷播种面积约为2823万公顷，稻谷总产量约为1770亿公斤，平均单产为6300公斤/公顷(即420公斤/亩)，远高于目前世界水稻平均亩产量193公斤的水平。进一步提高我国水稻的单产及总产量将对全球水稻生产的持续发展和世界粮食的安全问题，具有十分重要的意义。 提高水稻单产的一项重要措施是提高水稻种植机械化水平，即采用先进的种植技术。水稻种植机械化包含水稻育秧栽植机械化和直播机械化两种方式。从提高劳动生产率、土地生产率、节约成本、节水、提高水稻生产全程机械化来考虑，水稻直播是较理想的种植技术。在水稻直播生产中，发展较快的是水稻芽谷直播技术，它有许多优点：①种子发芽后，提高了抵御低温的能力，芽播成活率比非芽播高，并且减少了在土壤中的吸水过程，可早出苗；②经过发芽过程，可挑出坏种子，出苗率高；③芽播可以缩短生长期，减少栽植前育苗、栽植后缓苗的过程，降低了成本。由此可见，水稻直播是一种简单的种植方式，投资少，效益高，操作方便，大大减轻劳动强度，它是对传统生产方式的重大改革，其发展具有广阔的前景。 精密播种是指作物的种子按农艺要求所规定的行距、粒距、播种深度、以单粒准确地播入土壤中。精密播种是提高粮食单产的一项现代化综合性技术措施。精密排种器是精密播种机的关键部件，其作用是把种室内的种子按设计要求定时、单粒排出，衡量其性能高低的一个重要指标是播种均匀性。精密排种器按排种原理分为机械式和气力式两大类，气力式排种器对种子几何尺寸要求不严、不需要精选分级，易实现单粒点播，可快速更换排种元件以适应不同的作物、适应较高的作业速度且种子损伤率小的特点，是高速排种器的发展方向。 气吸式排种器是一种先进的排种装置，以其特有的优势，被国内外广泛采用。主要用于播种中耕作物，而用于水稻芽播则很少见报导。本文针对垂直圆盘气吸式排种器的充种和投种过程进行了大量的研究。 首先，建立了对排种器进行性能检测的试验装置，主要包括PSJ型排种器性能实验机、水稻芽播精密排种器、气力系统、压力监测板等等。 其次，介绍了试验用垂直圆盘气吸式排种器的结构组成及其工作原理；依照工作方式，将排种器划分为的充种区、携种区和投种区，对在各个区域中被吸附种子的受力情况进行了动力学分析，提出吸孔吸附种子的条件，并由此推导出种子能被吸附并随之运动的临界真空度的大小。根据种子在不同区域的受力分析结果，认为影响水稻芽播气吸式排种器工作性能的因素主要有吸室真空度、排种盘上吸孔的孔径、孔数、排种盘转速、水稻芽种的物料特性等。 本文利用流体工程仿真软件FLUENT对水稻芽播精密排种器的充种过程和投种过程进行了模拟仿真分析，对如何利用FLUENT软件建模、网格划分和设置边界条件等进行了详尽的描述，并对数值模拟结果与试验数据对比，吻合较好，验证了数值模拟的可行性。数值分析结果表明，运用FLUENT软件可有效的模拟吸室内的流场，模拟种子运动轨迹，并可得到吸室速度场、压力场及种子的运动轨迹和速度的分布情况等，即获得用试验方法所不能得到的流场细节信息，这将有助于排种器性能分析，为优化设计提供理论依据。 为了改善水稻垂直圆盘气吸式排种器的排种性能，找到影响其排种均匀性的因素，在试验中采用了高速摄像技术监测排种器的投种过程。通过分析高速摄像技术采集到的投种过程图片，观察到种子被吸种孔吸附时的三种姿态，并得到在各种姿态下的种子运动轨迹；对投种过程进行了运动学分析，分析结果表明，由于投种时间偏差的存在，影响了种子分布均匀性，从而影响田间植株分布的均匀性，达不到精密播种的要求。 本文只是对水稻芽播精密排种器初步的研究结果，其它性能方面有待进一步研究。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题意义及必要性

1.3国内外水稻精密播种机及排种器研究概况

1.3.1国外水稻播种机的研究状况

1.3.2国内水稻播种机的研究状况

1.4课题研究内容

第二章试验装置及试验步骤

2.1试验装置

2.1.1 PSJ型排种器性能实验机

2.1.2水稻芽播精密排种器

2.1.3气力系统

2.1.4压力监测板

2.2试验步骤

2.3本章小结

第三章排种器的结构、工作原理及动力学分析

3.1结构组成

3.2工作原理

3.3动力学分析

3.3.1种子在充种区的受力分析

3.3.2种子在携种区的受力分析

3.3.3种子在投种区的受力分析

3.4影响排种器性能的因素分析

3.5本章小结

第四章利用FLUENT软件模拟仿真分析

4.1流体工程仿真软件FLUENT的介绍

4.1.1 FLUENT的发展及应用领域

4.1.2 FLUENT程序的结构

4.1.3 FLUENT软件专用的前处理器GAMBIT的功能介绍

4.1.4 FLUENT程序可以求解的问题

4.1.5 FLUENT求解的主要步骤

4.2利用FLUENT软件模拟排种器的充种过程

4.2.1对气室内的流体工作过程进行模拟

4.2.2对整个充种过程进行模拟分析

4.2.3对落种过程进行模拟

4.3本章小结

第五章基于高速摄像技术分析排种器的投种过程

5.1高速摄像技术的简介

5.2高速摄像系统组成

5.3高速摄像分析软件BLASTER’s MAS的简介

5.3.1 BLASTER’s MAS的功能简介

5.3.2 BLASTER’S MAS的图形用户界面

5.4利用BLASTER’s MAS对采集到的投种过程图片进行分析

5.4.1种子的吸附姿态

5.4.2种子的下落轨迹

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

致谢