玉米三角密植模式下气压式高速精量排种器的DEM-CFD耦合仿真与优化研究

为解决玉米三角密植模式下高速作业时排种性能差的问题，研究人员提出了一种双腔双板交错同步旋转的气压式高速精量排种器，通过DEM-CFD耦合仿真定义了三角密植指数（DRI），优化了清种角度、腔室压力和作业速度等参数，最终使DRI达95.00%，合格指数（QI）达98.35%，满足玉米高产高效种植需求。

　　

在全球气候异常与粮食安全挑战加剧的背景下，玉米作为中国主要粮食作物，其高产稳产至关重要。传统单行稀植模式土地利用率低，而三角密植模式通过交错窄行播种可缩小株距、提高产量。然而，玉米种子形状不规则，密植模式下种子交错排列且间距小，高速作业时易出现排种不均、漏播等问题，严重制约播种质量。现有研究多集中于规则形状种子（如豆类）的排种器设计，且缺乏量化评价三角密植效果的指标。此外，气流场中玉米种子的运动机制尚不明确，亟需结合先进仿真技术优化排种器性能。

针对上述问题，黑龙江省重点研发计划项目支持的研究团队以气压式高速精量排种器为研究对象，创新性提出双腔双板交错同步旋转结构，并首次定义三角密植指数（Delta-row Index, DRI）作为量化评价指标。通过离散元法与计算流体力学耦合仿真（DEM-CFD），系统分析了种子在充种区和清种区的三角密植形成过程，揭示了种子类型、清种角度、腔室压力和作业速度对DRI、合格指数（Qualified Index, QI）、重播指数（Multiple Index, MI）和漏播指数（Seedless Index, SI）的影响规律。基于单因素试验，采用Box-Behnken实验设计建立参数回归模型，最终确定最优组合为清种角度2.6°、腔室压力3.475 kPa、作业速度11.12 km·h^?1，仿真结果显示DRI达95.00%，QI达98.35%。台架验证试验与仿真结果的相对误差仅0.07%（DRI）和0.09%（QI），证实了仿真可靠性与DRI定义的合理性。

关键技术方法
研究采用DEM-CFD耦合仿真构建种子-气流-部件相互作用模型，通过单因素实验分析种子类型（A/B/C三类玉米）、清种角度（4°–8°）、腔室压力（2.8–4.0 kPa）和作业速度（8–14 km·h^?1）的影响；基于Box-Behnken设计进行多因素优化，结合高速摄影和台架试验验证参数组合。

主要研究结果

1. 三角密植形成机制：种子在充种区受气流吸附呈交错分布，清种区通过双板同步旋转实现稳定三角排列，标记种子轨迹显示DRI与清种角度呈负相关。
2. 单因素影响规律：B型种子（扁圆状）充种效果最佳；清种角度2.6°时气流扰动最小；腔室压力3.475 kPa可平衡吸附力与种子流动性。
3. 多因素优化验证：最优参数组合下MI和SI分别降至0.82%，台架试验中MI误差12.01%（因实际种子摩擦系数变异），但仍满足高速精播要求。

结论与意义
该研究通过DEM-CFD耦合仿真揭示了玉米种子在三角密植排种器中的运动规律，提出的DRI指标为密植效果量化评价提供了新方法。优化后的排种器在11.12 km·h^?1高速作业下仍保持稳定性，为玉米高产种植装备研发提供了理论支撑。成果发表于《Powder Technology》，对推动精准农业技术发展具有重要实践价值。