机采籽棉残膜分离机籽棉带出机理仿真

为了实现籽棉残膜分离过程中,减少棉花带出的损失。该文通过计算和试验方法分别得到了籽棉和破碎的地膜(简称残膜)悬浮速度2.6、0.8 m/s。运用Fluent数值模拟方法,分离室入口处风速分别设定为3.5、4.0、4.5、5.0 m/s时,对关键分离区域的速度分布进行了数值仿真。结果表明:入口速度为4.0 m/s时,分布在0.8～2.6 m/s范围内速度值所占的比例分别为85%～86%,籽棉最不容易被带出。然后利用试验方法对仿真结果进行了验证,结果表明:模拟值与实测值差异较小。该研究为籽棉残膜分离机的优化设计提供了参考。     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。     

降雨强度和单宽流量与地表粗糙度交互作用下坡面流阻力特征

为探明降雨和地表颗粒共同影响下的坡面流阻力变化特征及形成机理,在15?定床条件下,分别研究了4个粗糙度(0.009,0.18,0.25,0.425 mm)和4个降雨强度(0,60,90,120 mm/h)在9个单宽流量(0.397~2.049L/(m·s))冲刷下的坡面流流速、流态指数、阻力系数、雷诺数等水动力学参数间的关系及变化特征。结果表明:1)坡面流流速与粗糙度呈反比,与降雨强度呈正比。流态指数m的计算结果显示(m0.5),坡面水流能量主要转化为动能形式;2)试验条件下,雷诺数变化范围为300~2 300,达西阻力系数变化范围为0~3.0,颗粒阻力和降雨阻力皆随着雷诺数的增加而减少,随着水深的增加,降雨对坡面流施加的影响逐渐减小。坡面总阻力系数与粗糙度成正比,与雷诺数和雨强成反比,降雨具有"减阻"效果;3)计算降雨阻力与颗粒阻力线性叠加值与坡面流总阻力的差异,结果表明坡面流总阻力大于线性叠加的结果,t检验结果显示差异显著(sig.0.0030.05),表明将坡面流阻力分量线性叠加计算坡面流总阻力的方法具有一定局限性;进一步构建降雨及地表颗粒影响下的坡面流阻力通式,具有良好的模拟效果。研究成果为深入探明坡面流阻力形成机理和构建坡面侵蚀模型提供科学依据。     

长江上游坡耕地细沟径流水动力学特征研究

以长江上游为研究区域,选取了5个试验点,5种主要耕作土壤类型,进行大田人工模拟径流实验,并对坡耕地细沟径流水动力学特征进行了分析。结果表明:细沟径流流速随流量的增大而增大,且流速与流量呈幂函数关系,其指数值在0.23～0.52之间;各试验土壤的细沟径流雷诺数在250～2 500之间,其流态介于层流与紊流的过渡范围,雷诺数随着放水流量的增大而迅速增大,流量在2～4L/min之间存在一个临界值,使得细沟径流由层流向紊流转化;各试验土壤在不同流量下的细沟径流佛汝德数在1.39～2.55之间,表明细沟径流均处于急流范畴;阻力系数在0.2～0.8之间,不同试验土壤在不同流量下的阻力系数差异很大,阻力系数与雷诺数没有明显的相关性。     

坡沟系统水动力因子的坡长效应研究

基于可调控的放水冲刷试验,建立黄土高原典型沟壑区坡沟系统试验模型,研究不同放水流量和坡长条件下坡沟系统各过水断面水动力参数的变化特征,为研究坡沟系统水蚀过程作用机理提供科学依据。通过室内放水冲刷试验,采用5个放水流量(6,8,10,12,14L/min)和3个坡长(4,6,8m)研究坡沟系统侵蚀动力因子的坡长效应。结果表明:坡沟系统中沿程各过水断面的雷诺数随放水流量的增大而增大,且不同放水流量和坡长条件下坡面雷诺数明显大于沟道。弗劳德数在坡沟系统中沿程变化过程中逐渐增大,且沟道增长速率明显大于坡面;不同坡长条件下放水流量为10L/min时,弗劳德数远大于其他放水流量。相同放水流量条件下,沟道的径流流速明显大于坡面,坡沟系统的坡面径流流速相对沟道明显稳定且变化范围较小。不同坡长条件下放水流量为10L/min时沿程阻力系数值从2号断面急剧减小到0.03~0.05范围之内,且远小于其他放水流量下同断面的阻力系数值;相同放水流量条件下(除10L/min外),坡长越小,坡面和沟道的波动性相对越小,且坡面处的波动值大于沟道。径流侵蚀功率与雷诺数、弗劳德数、流速显著相关,与雷诺数呈对数函数关系,而与弗劳德数、流速和沿程Darcy-Weisbach阻力系数值呈幂函数关系。研究结果表明,坡长能够影响坡沟系统中坡面和沟道的侵蚀动力因子,并对坡面和沟道沿程侵蚀能量削减和增加效应研究提供重要的科学依据。     

风沙对风力机翼型绕流及其气动性能的影响

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗粒直径为150μm时,其升力系数仍小于洁净空气下的升力系数,但两者已十分接近。8.2?攻角时,不同直径颗粒对翼型绕流具有不同程度的影响,当颗粒直径小于20μm时,颗粒的跟随性较好,颗粒紧随气相运动,对翼型绕流的影响较小;当颗粒直径为20μm时颗粒对翼型绕流造成了极大的影响,如分离点提前、出现展向流动;当颗粒直径大于20μm后,随着颗粒直径的继续增大,颗粒的惯性力变强,颗粒逐渐独立于气相运动,对翼型绕流的影响也逐渐减弱。升力系数随颗粒直径的变化趋势和小攻角时相同,但变化幅度变大,升力系数最小时比洁净空气时减少了7.9%。该文可为不同颗粒直径的风沙环境下颗粒对翼型周围绕流流场及其对翼型升力系数影响等相关研究提供参考。     

铁杆蒿与白羊草枯落物覆盖量对黄土坡面流水动力特性的影响

枯落物种类及覆盖量差异可能会影响坡面流水动力特性。选取黄土高原丘陵沟壑区典型草地铁杆蒿(菊科)和白羊草(禾本科)枯落物为研究对象,通过设置7个枯落物覆盖量(铁杆蒿为0~1 000 g/m2,白羊草为0~600 g/m2)和2个降雨强度(60和120 mm/h),系统研究枯落物类型及覆盖量对坡面流水动力学特征参数的影响。结果表明:1)相对裸地对照,枯落物覆盖处理坡面流平均流速、雷诺数和弗汝德数平均减小了77.3%、18.5%和87.4%,阻力系数增加了315倍;2)枯落物覆盖量的增加可有效减缓流速、流态和增加阻力系数,并且随着枯落物覆盖量的增加,平均流速、雷诺数和弗汝德数均呈幂函数减小趋势(P0.01),而阻力系数呈幂函数增加趋势(P0.01)。总体而言,铁杆蒿枯落物对坡面流水动力参数的影响高于白羊草枯落物。3)逐步回归结果表明各个水动力参数均与流量、枯落物覆盖量和枯落物特征参数呈显著幂函数关系(R2为0.84~0.92,NSE(Nash-Sutcliffe系数)为0.60~0.91,P0.01);除流量和枯落物覆盖量外,流速和阻力系数还受枯落物直径影响,流态则主要与枯落物密度和长度密切相关。本研究可为揭示枯落物的水土保持机理,正确评价草地的水土保持效益提供科学参考。     

不同长度小麦秸秆覆盖下黄土耕地坡面流水动力学特性

为了系统研究秸秆长度对坡面流水动力学特性的影响,利用室内人工模拟冲刷定床阻力试验,在4个坡度、5个流量条件下分别对3~5、8~10和13~15 cm长度秸秆覆盖坡面流水动力学参数变化特征进行分析,阐明不同长度秸秆覆盖坡面水流阻力与雷诺数的关系。结果表明,秸秆长度对坡面流水动力学参数影响显著。不同长度秸秆覆盖条件下,坡面流雷诺数变化范围为166~558,当流量≤7.5 L/min时,坡面流态为层缓流;流量为9.0 L/min时,坡面流态为过渡缓流。秸秆覆盖条件下,坡面流具有较小的流速和较大的水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数。随着秸秆长度增加,坡面流流速随之增加,而水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数随之降低。随着秸秆长度和水力坡度增加,流态指数值总体呈现降低趋势。当秸秆长度由3~5 cm增加至13~15 cm时,流态指数平均由0.716降至0.501。研究可为秸秆覆盖条件下水土流失阻控机理研究提供科学依据。     

大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响

通过室内定床冲刷试验,选用砂布床面模拟土壤下垫面,选用砂布+塑料半球体(直径为40mm)床面模拟大粗糙单元下垫面,在较大流量(2.81~84.43L/min)、坡度(2°~10°)范围内,系统研究了大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:(1)大粗糙单元床面的平均流速、平均水深和弗劳德数与流量之间均呈幂函数正相关关系;平均流速和弗劳德数与坡度之间均呈幂函数正相关关系,而平均水深与坡度之间呈幂函数负相关关系;阻力系数随雷诺数的增大而逐渐减小。(2)大粗糙单元增加了坡面流阻力,延缓了坡面流流速,雍高了坡面流水深,并使得水流流型由急流趋向缓流发展。(3)坡面流绕流现象明显,大粗糙单元周围水深的大小为迎水深(h_1)侧水深(h_2)背水深(h_3),在较小坡度下(2°和4°),h_1-h_3随流量的增大先增大后趋于稳定,在较大坡度下(6°,8°和10°),h_1-h_3随流量的增大先增大后减小。(4)坡面流阻力由颗粒阻力和绕流阻力组成,绕流阻力占总阻力的29%~77%,绕流阻力随流量的增加而减小。研究结果可为坡面土壤侵蚀物理模型的构建提供一定理论依据。     

基于傅里叶变换近红外光谱的籽棉含水率无损检测

为了实现对籽棉含水率的快速、无损检测,该研究采用傅里叶变换近红外光谱技术建立籽棉含水率定量检测模型。首先探究了籽棉样本密度对于光谱曲线的影响,该研究发现样本密度大小对光谱曲线影响显著,密度越小光谱信号越强,当样品密度不低于0.088 6 g/cm³时,光谱曲线变化趋于平稳。通过采集籽棉样本在3 900～11 000 cm^-1波数范围的吸光度光谱数据,并应用了9种预处理方法对原始光谱数据进行处理。发现一阶导数结合消除趋势(first derivative-detrending,FD-DT)预处理方法在偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)模型建立时表现最佳。使用了竞争自适应重复加权法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)、信息增益法(information gain,IG)、连续投影法(successive projections algorithm,SPA)和相关系数(correlation coefficient,CC)等算法,来获...     

气力集排式水稻分种器设计与试验

针对水稻直播高速作业和大播量的要求,设计了一种适用于气力集排式水稻直播机的分种器。从直播机的适应性、作业速度、播量调节等方面研究了气力集排式分种器的分种机理,分析了分种器的适应性、均匀性和稳定性;根据水稻种子的物理特性,采用Solidworks Flow软件进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真,对比不同结构分种器速度流场分布图,得到了较优等种数流场,获得了分种器设计参数;分种器划分为等种数流场结构、输送结构、下种结构,等种数流场结构又分为聚种、分种、派种3部分,通过理论分析与流体仿真计算,对比速度大小和离散度,模拟等种数速度场流线图,优化分种盖结构,选择合适的气源,设计了气种混合均匀的分种器,提高了直播机分种的均匀性和稳定性。试制了分种器并进行了台架试验,试验结果与CFD仿真分析基本一致,设计的10行分种器各行之间和行内播量变异系数分别为3.58%和4.55%,设计的20行分种器各行之间和行内播量变异系数分别为3.91%和5.04%,能满足不同直播机的要求。试验结果表明,直管输送管增加波纹结构有助于水稻种子向管道中央集聚;排种管的长短影响分种效果,特别是行内的稳定性,排种管的长度应尽可能一致;分种器内部结构影响气体速度场的分布,分种器内外盖形成的等距圆弧结构和输送管内波纹结构有利于分种器中气种等种数混合流场的形成,使播种均匀性更好。     

气吸式小浆果捡拾输送装置参数优化

为了获取气吸式小浆果捡拾输送装置的输送特性及其输送管较佳管径尺寸,该文以黑加仑果实（布劳德品种）为研究对象,运用空气动力学相关原理,计算得到黑加仑果实在输送管中适宜的风速范围为5～73 m/s;通过EDEM-FLUENT软件耦合方式对输送装置进行建模和仿真,对输送管内气体压力云图及压降进行分析,对比分析3种不同管径输送管（32、40和50 mm）的输送效率及输送过程中的破果率;进一步在自制的黑加仑捡拾输送装置上进行试验。试验结论与仿真结果均表明输送管的较佳管径为40 mm,并得出输送效率、破果率与气体流量之间的回归方程（R2均大于0.9）,论文结论可为气吸式小浆果采摘机具研发提供参考。     

刷辊式采棉机的改进设计与试验

为提高刷辊式采棉机作业质量,满足轧花厂对统收式采棉机采获籽棉的进厂要求,该文在已有4MZ-3B型刷辊式采棉机工作时存在问题基础上优化刷辊工作参数并增加与刷辊配套使用的回流结构提升了采净率,降低了落地损失率、挂枝棉率、漏采率;改进挑棉辊形式,避免该部件因缠绕造成棉桃分离气力输送管道入口堵塞的现象,降低整机故障率;将棉桃分离气力输棉管道由气吹式改进为气吸式,提高棉桃回收率;将气棉分离装置由网孔式改进为切线导流式,解决了棉桃分离气力输棉管道与机载预处理装置过渡问题,在排出气流的同时保证物料运动顺畅;将机载预处理装置由"一清一回收"式改进为"一清二回收"式,降低籽棉含杂率及清杂损失率。设计改进及优化后形成4MZ-3C型刷辊式采棉机,并进行对比试验。与4MZ-3B型刷辊式采棉机相比,采净率提高了3.42%、落地损失率降低了0.85%、挂枝棉率降低了0.89%、漏采率降低了1.05%、棉桃回收率提升了74.57%、清杂损失率降低了0.63%、籽棉含杂率降低了3.71%。将4MZ-3C型刷辊式采棉机各项指标均优于采棉机作业标准,在获取高采净率的同时,保证籽棉的低含杂率,可充分满足中国棉花生产机械化需求。     

莲子物料空气动力学特性与壳仁分离装置试验

为获得莲子物料的空气动力学特性,研究合适的莲子分选工艺参数,该文针对莲子剥壳后混合物料的风力分选技术进行研究。首先,对混合物料各组分的空气动力学特性进行理论分析与试验,得出莲仁、莲壳、碎仁的悬浮速度变化范围分别为11.230~14.680、2.511~4.891、6.505~7.865 m/s,合适的壳仁分离气流速度范围为7.865~11.230 m/s,修正了莲子物料的形状系数。然后,设计制造了莲子负压壳仁分离装置,通过试验确定了装置的优化分离工艺参数为:入料管倾斜角60°,分离通道倾斜角35°,分离通道气流速度7.881 m/s,入料管长度220 mm,进料量6颗/次,开展检测试验,结果表明清选率达98.283%。研究结果可为莲子壳仁分离设备研发提供理论依据。     

气力式杂交水稻制种授粉机授粉管结构参数优化

针对当前杂交水稻制种对机械化授粉装备的迫切需求,设计了气力式杂交水稻制种授粉机。首先对其关键部件授粉管建立了计算流体力学模型,进一步以授粉管内径、气流出口长度与宽度为因素,以气流出口流速变异系数、气流覆盖高度为指标,利用Design Expert软件设计了三因素三水平的Box-Behnken仿真试验,最后对授粉管结构参数进行优化。结果表明：在授粉管内径为60～80 mm、气流出口长度为100～200 mm、气流出口宽度为4～10 mm的范围内,授粉管内径、气流出口宽度及授粉管内径与气流出口宽度的交互作用、气流出口长度与宽度的交互作用、气流出口宽度平方对气流出口流速变异系数影响极显著（P<0.01）;授粉管内径、气流出口长度与宽度及二者的交互作用、授粉管内径与宽度的交互作用对气流覆盖高度的影响极显著（P<0.01）。授粉管较佳结构为内径64.49 mm,气流出口长度、宽度分别为200.0、7.25 mm,此时出口气流速度变异系数为9.10%,气流覆盖高度187.57 mm。为便于加工,选用授粉管内径61.5 mm的标准不锈钢管,取气流出口长度、宽度分别为200、7.5 mm并进行验证试验,气流出口流速仿真值与实测值基本一致,实测流速变异系数为8.83%～9.25%,气流出口流速分布均匀。研究结果可为气力式杂交水稻制种授粉机参数优化提供理论参考。     

聚氯乙烯球阀水流阻力特性及流动规律分析

为了研究排灌工程管网中PVC球阀水流阻力及流动规律,对2种PVC球阀DN75和DN50进行了试验,采用角位移传感器监测阀门开度,同时采用Realizablek-ε紊流模型对2种球阀进行了数值模拟并分析验证,在此基础上对3种规格球阀DN110、DN90和DN63进行了数值模拟研究,得到5种规格球阀的阻力系数计算表达式。比较试验与数值模拟结果,DN75和DN50球阀模拟的阻力系数值与试验吻合的较好。DN75球阀流场特征显示相对开度为0.91时流态比较稳定,无明显漩涡;相对开度为0.36时压力、速度梯度较大,在球阀YZ截面出现大小相当、方向相反的对称漩涡,造成了较大的水头损失。研究结果可为管网的水力计算提供参考。     

气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证

杂交水稻制种气力式辅助授粉时,花粉随气流场运动,喷气管道多个喷孔的气流场叠加,表征气流场特性的射流极角、出孔动压对花粉分布均匀性、传播距离起决定性作用,为探索射流极角、出孔动压与管道参数之间的影响关系,获得较理想的气力授粉管道参数组合。该研究首先分析喷气管道气流场的叠加原理,采用消防烟雾弹发出有色气体经喷气管道的喷孔喷射并拍摄气流场图片,选取喷管直径、喷管壁厚、喷孔直径三因素为影响因子,以射流极角、出孔动压为评价指标,进行三因素五水平的单因素和多因素正交试验,通过对试验结果进行极差分析、矩阵分析,获得各因素对气流场特性的影响规律,找出较理想的因素组合并进行验证试验。结果表明,喷孔直径对射流极角和出孔动压的影响显著,3个因素的影响顺序为喷孔直径、喷管直径、喷管壁厚,较优的因素组合为喷管直径63 mm、喷管壁厚5 mm、喷孔直径12 mm,此时的射流极角为13.38°,出孔动压为31.6 Pa。验证试验表明,优化的因素组合明显提高花粉分布均匀性,花粉分布不均匀度（方差）降为1.33,花粉能形成覆盖母本行呈正态分布特性的单峰分布,能够满足气力辅助授粉对授粉管道的作业要求,研究结果为气力式授粉喷气管道的设计提供参考。     

4LZ-0.8型水稻联合收割机清选装置气固两相分离作业机理

为解决小型水稻联合收割机脱净率和损失率问题,提高脱粒清选质量,利用两相流动力学理论,分析了4LZ-0.8型水稻联合收割机脱粒清选分流筒中气流和杂物颗粒两相流动的规律。建立了杂物颗粒流的运动微分方程,导出了分离筒中杂物漂浮速度计算的一种方法,通过比较不同粒径、密度的物料的悬浮速度,得到了杂物颗粒最高速度与气流速度之比随气流速度变化的关系曲线,气流和杂物在分流筒及吸风管中运动时的压力损失随气流速度变化呈现先降后升的规律,压力损失中以加速损失和摩擦损失为主,各约占30%和26%。压力损失曲线存在最小值,此时的气流速度定义为经济气流速度。在喂入量为0.8 kg/s,谷草比为3:1脱粒条件下的经济的清选气流速度9.2 m/s,压力损失为630 Pa。该研究为4LZ-0.8型水稻联合收割机脱粒清选部件的参数优化设计及风机的选择提供了理论依据。     

棉纤维质量密度光学检测模型的优化

建立棉纤维质量密度检测模型对于在线测量气力输送管道内棉花流量具有重要作用。该文运用光吸收基本定律,研究棉纤维对不同波长光源的衰减作用。结果表明,选用波长940nm近红外光作为光源时,品种、水分和环境温度的变化对测试结果影响不显著。因此,选用940nm近红外光源作为发射器,构建棉纤维质量密度测量系统。通过测算透过棉纤维的光强衰减率,结合实际测量的相应区域棉纤维质量,利用回归分析建立棉纤维质量密度检测模型。模型验证结果显示,测量结果的平均误差达到6.1%,该研究为开发棉花流量传感器及输棉管内棉花流量的在线监测奠定基础。     

网状滚筒式籽棉残膜分离机物料特性分析

网状滚筒式籽棉残膜分离机是利用网状滚筒和正压风力结合的方式实现残膜与籽棉的分离。籽棉与残膜的物料特性研究对进一步研究网状滚筒式籽棉残膜分离机理意义重大。该文利用理论分析与试验研究方法,得到：1）籽棉形态与悬浮速度的关系;2）不同形态籽棉与滚筒的吸附特性临界方程;3）残膜悬浮速度与残膜表面积的关系;4）残膜吸附在滚筒壁面时两侧压力差与风速关系。研究结果可以为网状滚筒式籽棉残膜有效分离提供了基础理论。