基于SPH-FEM的油菜茎秆磨粒气体射流切割仿真与试验

作     者：韩明兴 余锴 段宏兵 熊利荣 徐琨 李淼 刘琦 HAN Mingxing;YU Kai;DUAN Hongbing;XIONG Lirong;XU Kun;LI Miao;LIU Qi

作者机构：华中农业大学工学院武汉430070 

出 版 物：《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)

年 卷 期：2024年第40卷第17期

页      面：82-92页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 082801[工学-农业机械化工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(32101627) 

主　　题：流固耦合 仿真 光滑质点动力学 磨粒气射流 油菜茎秆 切割 

摘      要：针对传统油菜收获切割刀具振动大、茎秆缠绕磨损及效率低等问题,该研究提出一种油菜茎秆磨粒气体射流切割技术,以实现作业机具与油菜无接触式切割和高效低耗收获。采用光滑粒子流体力学与有限元(smooth particle hydrodynamic-finite element method,SPH-FEM)耦合仿真对油菜茎秆射流动态切割过程进行分析,揭示气-固间能量传递规律,获取射流切割动态特性,并搭建试验系统进行射流切割试验验证。研究结果表明,采用4 mm孔径高速喷嘴,射流压力为20 MPa时气流及磨粒最高速度分别为741和411 m/s,约95%加速过程发生在喉管段与扩张段;喷嘴外流场流速呈现先下降后上升的变化规律,射流压力越大速度变化越剧烈;射流束主要通过气体膨胀-收缩-膨胀的加速过程将压力能转化为射流束动能;入口压力从3 MPa增加至10 MPa时,磨粒最大速度提升率从31%下降至11%。当压力超过3 MPa后,随射流压力提高,射流束压力能-动能转换效率显著减小;在相同条件下0.1 mm粒径磨粒的最大速度比0.3 mm粒径磨粒大19%;粒径越大磨粒获得的切割动能越大,0.3 mm粒径磨粒切割动能最大,其次为0.2与0.1 mm粒径磨粒;磨粒速度在120 m/s时可以实现茎杆有效切割,对应射流压力约为0.4 MPa;横移速度为5 mm/s、靶距在10 mm以内可一次切断茎秆,横移速度超过5 mm/s时无法一次切断茎秆;靶距5 mm、横移速度5 mm/s时,可获得最小切割侵蚀体积,切口宽度在1~6 mm之间;射流切割能力主要受横移切割速度影响,切割靶距影响相对较小;茎秆切割效果主要受靶距影响,横移速度影响相对较小。研究成果还可用于其他类似作物茎秆的切割,可为农业非接触式高效切割技术装备的开发提供理论与技术支撑。