气吸式精量排种器的玉米籽粒CFD-DEM耦合仿真建模方法

本发明涉及农业工程仿真建模，具体为气吸式精量排种器的玉米籽粒cfd-dem耦合仿真建模方法。

背景技术：

1、气吸式精量排种器利用气流负压吸附籽粒完成排种作业，常采用cfd-dem耦合仿真方法对气流与籽粒的多相流运动过程进行数值计算与结构分析。在构建玉米籽粒离散元仿真模型时，现有方法多采用单一或少量的固定多球模板来表征整个玉米籽粒群体，忽略了真实玉米批次内部存在的形态多样性以及具体的尺寸概率分布规律，使得建立的仿真群体在宏观物料分布特征上与真实情况存在差异。

2、在离散元多球模型的几何生成过程中，已有技术常采用统一的球体填充算法，未结合玉米籽粒具体的外部轮廓差异制定对应的空间填充与坐标分配规则，且缺乏针对三向包络尺寸和相邻球重叠状态的有效性检查与反馈机制，致使构建的单粒模型产生轮廓失真与体积计算误差。

3、在确定离散元仿真所需的接触参数时，现有标定方式较为单一，多数依靠经验取值或仅通过单次休止角试验获取参数，未建立结合排料工况等多种验证场景的闭环反馈修正流程，导致获取的滚动摩擦系数难以客观反映复杂群体堆积与流动状态下的力学接触特性。上述几何建模机制与参数获取流程上的不足，使得最终输入至耦合平台的模型数据产生偏差，限制了气吸式排种器仿真分析结果的参考价值。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题在于，现有玉米籽粒离散元仿真建模方法难以全面表征籽粒群的形态多样性与几何尺寸分布特征，且多球模型的生成规则缺乏针对性，物理与接触参数的获取及标定过程不够完善，导致气吸式精量排种器cfd-dem耦合仿真的模型数据存在偏差，难以满足排种器仿真分析的需求。

2、为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供气吸式精量排种器的玉米籽粒cfd-dem耦合仿真建模方法，包括以下步骤：

4、获取目标批次玉米籽粒的形态数量占比、主尺寸以及从属尺寸相对于主尺寸的映射函数，并确定主尺寸的主尺寸概率分布；

5、获取目标批次玉米籽粒的物理参数和接触参数，并标定接触参数中的滚动摩擦系数；

6、建立多球模型局部坐标系，计算目标批次玉米籽粒的多球几何数据，并进行有效性检查；

7、根据形态数量占比、主尺寸概率分布、映射函数以及多球几何数据，构建并调用对应的多球几何生成规则，结合物理参数和接触参数建立离散元刚性多球籽粒模板和离散元模板库；

8、对离散元刚性多球籽粒模板进行模型验证，当误差超过预设限值时进行反馈修正，直至误差处于预设限值内；

9、整理通过验证的数据形成离散元模型数据文件，输出至cfd-dem耦合平台，生成玉米籽粒群用于气吸式精量排种器的仿真计算。

10、进一步的，在获取目标批次玉米籽粒的形态数量占比、主尺寸以及从属尺寸相对于主尺寸的映射函数，并确定主尺寸的主尺寸概率分布的步骤中，获取目标批次玉米籽粒的形态数量占比、主尺寸以及从属尺寸相对于主尺寸的映射函数，包括：

11、按照外部轮廓将目标批次玉米籽粒划分为马齿型、棱台型、球锥型和类球型，计算各类形态在目标批次玉米籽粒中的形态数量占比；

12、测量总体高度、主体高度、主体最大宽度、主体最大厚度以及胚尖过渡截面的宽度和厚度作为候选尺寸；

13、分别计算每项候选尺寸与其余尺寸之间的相关系数，将平均相关系数最大的尺寸确定为对应形态的主尺寸，其余的候选尺寸作为从属尺寸；

14、利用实测样本数据进行回归拟合，得到从属尺寸相对于主尺寸的映射函数的函数参数。

15、进一步的，物理参数包括含水率、籽粒密度、杨氏模量和泊松比，接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数；

16、在获取目标批次玉米籽粒的物理参数和接触参数，并标定接触参数中的滚动摩擦系数的步骤中，标定接触参数中的滚动摩擦系数，包括：

17、采用固定漏斗排放测量休止角和堆积高度，采用固定出口料斗开展排料试验记录排料时间和单位时间排出质量；

18、建立离散元标定模型并输入取得的物理参数、碰撞恢复系数和静摩擦系数；

19、建立滚动摩擦系数的参数组合表，对各组参数分别开展休止角仿真和排料仿真，根据误差确定最终标定的滚动摩擦系数。

20、进一步的，建立多球模型局部坐标系，计算目标批次玉米籽粒的多球几何数据，并进行有效性检查，具体包括：

21、将籽粒顶部切平面中心设为局部坐标原点，按照籽粒宽度方向为x轴，按照籽粒高度方向为y轴，按照籽粒厚度方向为z轴建立多球模型局部坐标系，y轴正方向由籽粒顶部指向胚尖；

22、根据目标轮廓尺寸、几何尺寸误差限值和组成球数量确定y轴填充层数；

23、根据不同的籽粒形态和填充层数，分别计算组成球半径、球心坐标以及确定同一籽粒内部各组成球之间的刚性聚合关系，组合生成各类形态的多球几何数据。

24、进一步的，多球几何数据按照以下方式生成：

25、针对预设的马齿型和棱台型，沿y轴将主体区域划分为多层，各层宽度和厚度由主体最大尺寸逐层过渡至胚尖过渡截面尺寸，据此计算组成球半径和球心坐标；

26、针对预设的球锥型，沿y轴设置多层，每层设置三个沿x轴排列的等半径组成球；

27、针对预设的类球型，设置一个位于三维包围盒中心的中心球，并在x轴正负方向、y轴正负方向和z轴正负方向分别布置与中心球等半径的六个轴向辅助球。

28、进一步的，进行有效性检查，具体包括：

29、检查预设的四类籽粒形态的三向包络尺寸、组成球半径、相邻组成球重叠状态和模型体积，并检查马齿型、棱台型和球锥型的胚尖过渡截面的位置、宽度和厚度；

30、当检查到非正组成球半径时重新计算，相邻组成球未形成重叠时调整相邻球心间距，三向包络尺寸误差超过几何尺寸误差限值或模型体积误差超过体积误差限值时，调整填充层数、球心位置或组成球半径。

31、进一步的，根据形态数量占比、主尺寸概率分布、映射函数以及多球几何数据，构建并调用对应的多球几何生成规则，结合物理参数和接触参数建立离散元刚性多球籽粒模板和离散元模板库，具体包括：

32、依据形态数量占比确定籽粒形态，依据对应形态的主尺寸概率分布生成主尺寸，将主尺寸代入映射函数计算全部从属尺寸；

33、调用对应形态的多球几何生成规则计算组成球数量、组成球半径和球心坐标，在离散元仿真平台中按照刚性聚合关系组合建立离散元刚性多球籽粒模板；

34、将各类籽粒的主尺寸范围、主尺寸概率分布、映射函数、多球几何生成规则、物理参数、接触参数及模板调用权重存入离散元模板库。

35、进一步的，对离散元刚性多球籽粒模板进行模型验证，包括几何一致性验证、休止角验证和排料过程验证；

36、几何一致性验证比较实测籽粒与离散元刚性多球籽粒模板的总体宽度、总体厚度、总体高度、单粒体积和单粒质量；

37、当几何一致性验证的误差超过预设限值时，重新调整填充层数、组成球半径和球心位置；

38、休止角验证比较实际籽粒堆与仿真籽粒堆的休止角和堆积高度，排料过程验证比较实际试验与仿真试验的排料时间和单位时间排出质量；

39、当休止角验证或排料过程验证的误差超过预设限值时，重新标定接触参数中的滚动摩擦系数。

40、进一步的，离散元模型数据文件输出内容包括：

41、各类籽粒模板的组成球数量、球心坐标、组成球半径、刚性聚合关系、局部坐标方向、单粒质量、单粒体积、形态数量占比、主尺寸概率分布、籽粒材料参数、排种器边界材料参数和接触参数；

42、cfd-dem耦合平台读取离散元模型数据文件后，按照形态数量占比确定籽粒形态，按照对应形态的主尺寸概率分布生成主尺寸，通过映射函数计算从属尺寸，调用对应的多球几何生成规则建立离散元刚性多球籽粒模板，生成的玉米籽粒群用于仿真计算。

43、进一步的，建立离散元刚性多球籽粒模板时：

44、单粒体积取同一籽粒内的全部组成球的并集体积，重叠区域仅计算一次；

45、单粒质量根据单粒体积和物理参数中的籽粒密度确定；

46、质心位置和转动惯量根据组成球并集的质量分布计算。

47、本发明提供了气吸式精量排种器的玉米籽粒cfd-dem耦合仿真建模方法。具备以下有益效果：

48、1、本发明通过按照外部轮廓将目标批次玉米籽粒划分为马齿型、棱台型、球锥型和类球型，提取平均相关系数最大的尺寸作为主尺寸并建立从属尺寸相对于主尺寸的映射函数，结合主尺寸概率分布计算得出各类籽粒的三向尺寸，这种基于统计与回归分析的参数化形态构建方式还原了实际玉米籽粒群体的多态性与尺寸分布特征，提升了离散元仿真群体与真实籽粒群体在宏观几何层面的贴合度。

49、2、本发明针对不同形态籽粒的三维轮廓差异分别建立多球几何生成规则，通过设定局部坐标系并按形态特征进行分层填充计算以生成多球几何数据，并在检查组成球半径、重叠状态及三向包络尺寸的基础上进行单粒几何一致性验证，当误差越限时触发闭环反馈以重新调整球心位置和组成球半径，上述过程克服了常规固定模板在表征多形态农作物品种时的外形失真问题，确保了离散元刚性多球籽粒模板的几何一致性。

50、3、本发明通过开展休止角测量与排料试验构建力学接触参数的离散元标定模型，利用参数组合表对滚动摩擦系数进行多工况仿真比对与误差反馈，将标定完成的接触参数与多球几何生成规则共同存入模板库，最终打包输出为适用于cfd-dem耦合平台的离散元模型数据文件，该机制规范了仿真参数的获取与检验流程，使得输入耦合仿真的玉米籽粒群具备可靠的群体力学接触特性，满足了气吸式排种器流固耦合计算的数据需求。