基于Pro/ E和CFD在肥料配比自动搅拌设备机构设计外文翻译资料

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基于Pro/ E和CFD在肥料配比自动搅拌设备机构设计

陈李明和许李明*工学院，中国农业大学，清华东路17号，北京，100083，.中国clm871111@126.com，xlmoffice@126.com

摘要.精准农业是现代农业发展的趋势，而化肥的合理利用是一个在精准农业的关键技术，是否需要施肥可根据作物的需要和土壤肥力状况。因此，化肥自动配料设备的开发分为三种肥料：氮肥、磷肥、钾肥。该肥料在充分搅拌后会影响较大，所以本文主要研究了搅拌机理。本文主要研究的是仿真和分析速度场和流场的两桨肥工作，螺旋式桨叶和多扇型桨，分别利用Pro/E进行（Pro／Engineer）CFD（计算流体动力学）的流体动力学分析软件。在模拟过程中，桨叶模型网格使用Gambit软件。最后，多风机型桨被确定使用一个更合适FLUENT的软件。

关键词：精准农业，肥料配比，搅拌机构，多风机桨，流体力学分析。

1引言

农业是我国经济的基础，但农业的粗放型方式已经不再能适应现代农业发展的要求。因此，精准农业的发展已成为必然趋势。肥料，作为农业生产中的一种材料，可以提高作物产量。但长期以来，化肥施用的突出问题是不合逻辑的施肥比例和高投入而利用率低，特别是磷肥的投入，造成养分投入不均衡和化肥投入成本增加。从1978到1995，全国化肥消费量增加了97%，但粮食产量只增加了36%，产量增加了1%，而化肥施用量增加了近3%。平均肥料利用率比发达国家低10%以上。利用率对应的氮30%、磷10%～25%，钾含量从40%到50%。化肥消费量的增加与利用率低直接导致肥料回报的减少，严重的土壤污染和地下水污染，食品的污染增加。如果肥料利用率提高10%，100mT肥料将被保存，从而达到节省约100亿元人民币，因此，根据作物的需要进行合理的施肥可以提高肥料的利用率，减少环境污染。施肥技术的精度决定了不同肥料的使用量，根据土壤肥力状况和作物需要量。均匀的肥料应充分混合，以达到最佳的效果。因此，有必要设计和模拟不同种类的肥料的混合机制。配料机构的关键组成部分是搅拌桨，这与各种肥料的搅拌时间和搅拌效果密切相关。对于机械搅拌桨，桨是唯一的动力来源，并与搅拌槽内的流体流动有着密切的关系。因此，设计桨是非常重要的。本文为了人们可以选择更合适的桨，所以主要设计和仿真两种桨。许多研究人员在变量施肥技术方面取得了很大的成就。“soilection”施肥系统已由美国银辰设备公司开发。它可以应用于固体和液体肥料。该系统运用空气播种机和免耕播种机可以改变使用大量的种子和肥料，甚至可以改变三种肥料或种子的比例。“soilection”简单、容易控制、精度高、可靠性好，但它极其昂贵（Wuyun Zhao et al.，2007）。在ST820可变比率肥料机与植物功能已经由Case公司开发，它可以使用的IHAFS软件获得处方图计，然后生成处方文件，该文件将被存储在PCMCIA卡。PCMCIA卡可以插入变速控制器提供的施肥机施肥自动准备（Jun Zhao，2004）。肥料机械设备在法国植物保护有所有的农业机械中处于最高的自动化水平。法国amasat变肥配比控制系统已被应用于各种类型的离心式施肥机（Xiaohui Zhang et al.，2002）。目前，在国内有两种变量施肥机，2f-vrt1变率施肥机和1g-vrt1旋转变量施肥机。双机控制施肥量主要是根据用户设定的偏好或由上位机计算的处方图。当他们工作的时候，机器可以接收到定位信息和运行速度信号，然后自动调节系统的旋转速度，以达到可变比例施肥的目的。该机器还支持手动和自动控制模式，并且它们可以在土壤表面均匀地广播肥料。两机适用于施肥工作之前播种、变量施肥对冬小麦返青肥和变量施肥对牧草（Wang Xiu et al.，2008）。

此外，以色列和中国农业研究机构已经开发出了自动配料机，它可以完成灌溉工作。一个发达的中国农业科研机构通过检测pH值和电导率均匀液体肥料来控制施肥比例。在配料过程中，需要手动调节各种肥料的流量。该机主要用于大棚。关于变率施肥的研究较多，但研究主要集中在一种肥料或一种固体肥料。因此，很少有研究集中在化肥自动配料设备的混合机制。在我国，目前主要使用的是固体肥料，因此，开发一种用于多种肥料的混合肥料的搅拌装置是十分重要的。

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

CFD，软件(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学,是流体力学的一个分支，简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验, 历史上也曾有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点, 都有适合它的数值解法, 用户可对显式或隐式差分格式进行选择, 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD软件之间可以方便地进行数值交换, 并采用统一的前、后处理工具, 这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动, 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

2精准农业的变量比例施肥机制

本文提出了三种肥料（氮、磷、钾）的自动配位机制，图1显示了工作原理，由三个罐组成三个肥料。肥料是通过外部的齿辊饲料根据作物的需要和土壤肥力状况。由步进电机驱动的肥料进料排出一定量的肥料。三种肥料都进入了搅拌槽中，在肥料被另一组肥料喂养的土壤中，肥料搅拌和混合后搅拌均匀。三种肥料在混合罐中排放，必须充分混合，然后再进入土壤中。因此，需要开发一个桨混合肥料充分。桨叶的设计应根据安装的形式，和搅拌机构是在图1给出的工作框图。

如图1所示，三种肥料分别分布在水平方向三个方面。为满足整个机构的安装可靠性，可将其安装在垂直安装或水平安装的形式上。但垂直安装需要刀片直径要长，而桨叶片数有所下降，所以混合效果降低。因此，桨是安装在水平安装形式。由于低功率、大流量、轴流桨混合时间短，应用多轴桨。在本文中，速度场和流场的螺旋桨和多风机桨式桨进行比较和分析，以确定合适的。在本文中，PRO/E（Pro/Engineer ）软件是用来设计的球拍和完成运动仿真。CFD（计算流体力学）是用来比较和分析的速度场和流场，以确定更合适的桨。图2显示了设计流程块。

3桨设计

3.1设计螺旋桨叶

为了收集两侧肥料到中心，螺旋桨（图3）在两对立的双向移动，并且所述肥料是分散时的螺旋桨改变旋转方向。

通过运动仿真，分析了螺旋桨叶的运动形式、运动轨迹和速度分布。

图4中图的深颜色的线是在桨上某些点的路径线。图4表明当螺旋桨叶反向旋转，路径线是向外的，所以它表明螺旋桨叶可以实现分散的肥料效应。当螺旋桨旋转前进，路径线向内，说明螺旋桨叶可以达到收集肥料的效果。

3.2风机型桨的设计

多风机桨式桨的设计思想与螺旋桨叶的设计思想相似，两者最大的区别是叶片形状。所述多叶片风扇型桨的叶片是扇形。（图5）

可以看出，从某一点上的路径线，多风机型桨可以使三种肥料分散或聚集。

4模拟的搅拌桨

肥料被两桨轴向移动根据Pro/E仿真。但是，在Pro/E仿真设计只能供应桨叶自身的运动，和混合过程的CFD流体动力学软件模拟。首先，设计的几何体导入Gambit软件完成网格划分和边界条件的设定。之所以选择GAMBIT是因为考虑到其与PRO/ E的兼容性。 GAMBIT的软件可以通过系统导入PRO / E，这保证了PRO/ E和GAMBIT之间的接口的稳定性和保真度建立文件的过程中自动修复的公差。强大的网格划分能力使得GAMBIT可以完成高品质的有特殊要求的任务。对Gambit特殊网格算法可以保证高质量的四面体，六面体混合网格划分与复杂几何体的面积。最重要的原因是利用GAMBIT软件建立了网格文件可以导出为网格文件，可以导入到Fluent软件为分析提供良好的制备。但如果整个桨是啮合仿真，大大增加网格数量，这将使计算时间太长。因为本文主要比较的优点和缺点两桨，每桨的一些部分被模拟为满足设计要求。仿真模型如图7和图8。

在啮合的过程中，混合罐中首先与流体区域保持流体面积减去，然后流体面积减去桨形成两盆搅拌：fluid1和3。网格尺寸的领域包含的搅拌桨，fluid2，较小，而场含有混合罐、fluid1，网孔较大。这种网格划分方法可以通过搅拌桨的运动更好的流体产生的效应分析。由于两搅拌桨叶片的复杂、非结构化四面体网格被选为其自适应能力强（图9，图10）。

在对模型进行网格划分，以及网格质量检查之后，要对模型进行网格文件的形式导出，并流畅的读取完成的数值模拟。Fluent软件是专为流体分析，可以模拟复杂流体的浮冰从高度压缩的不可压缩的一款软件。由于各种求解方法和多网格收敛加速技术，该软件能达到最佳的收敛速度和精度。标准k -ε湍流模型用于模拟单相流场，桨的运动和混合罐静壁比较接近于可以使用MRF的关系。对fluid1区域设定为动机而3区为静态。桨叶转动是同步的。fluid1和3之间的动量交换和能量交换是通过接口实现。图11和图12是两种桨的收敛曲线。从这2个数字，可以看出，残差的参数是收敛的，这表明所使用的算法是可行的。

图13和图14是两种桨速度云图。从图中，可以看出，流体速度随距离的增大搅拌轴，并在叶片端部位置达到最大速度。然后随着距离的增加，速度迅速下降。

对于一个桨，在工作中形成的流场也是一个重要的基础，以确定是否肥料可以混合充分。因为肥料的流动形态是充分混合的关键因素。

图15为螺旋桨叶在操作时形成的流场。结果表明，当桨向前，肥料推沿螺旋的桨。由于材料的相互摩擦，材料被制成上下滚动，而一些部分的材料沿螺旋，形成的轴向螺旋运动。螺旋桨叶的径向混合工作主要是使肥料的滚动和向下。由于螺旋桨叶的运动的目的是聚集或分散的肥料，有一个漩涡在桨的中心高速旋转而旋转的桨。图16为多扇型桨的流场图，从中可以看出，肥料主要在叶片的作用下进行旋转。但由于叶片倾斜安装和叶片的形状是一个曲面，叶片旋转可以促进肥料接触沿轴向移动的螺旋形式。这也可以从图的多扇型桨完成径向混合工作主要通过肥料滚动向上和向下看。

从上面的仿真和分析，可以看出两种桨都可以将肥料收集到中心，相反，他们也可以将肥分散。因此，只要有一个桨装在混合罐中，有一定的规则来旋转，肥料可以充分混合。这两种类型的叶片都可以根据该速度云图和流场

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