玉米（Zea mays）作为一种具有经济、食用和饲料价值的作物，是全球种植最广泛、产量最高的粮食作物之一（Jalloh等人，2024年）。随着对原料需求的增加和进一步加工产业的快速发展，中国对玉米的需求迅速增长。2023年，中国玉米播种面积为4410万公顷，总产量为2.89亿吨。然而，玉米进口量仍为2700万吨（Nasar等人，2024年）。如何在有限的耕地上提高玉米产量已成为中国粮食安全的重要问题。
一种方法是采用玉米密植模式（Dorofėjūtė等人，2024年），该模式基于精准播种技术，可以有效减小株距，从而提高玉米的种植密度和产量。然而，在密植模式下，株距较小，单位面积的播种量会增加。为了确保密植播种机在高速运行时的作业质量，对种子供应装置的效率提出了更高的要求。此外，玉米种子在播种前通常会进行包衣处理，因此播种过程中应避免损伤种子包衣层，以减少种子破损。
目前，传统的播种机一般不设置种子供应控制单元，种子供应量是根据种子箱出口结构的大小来定量控制的（Mehari等人，2024年）。相比之下，集中式气动密植播种机的种子供应装置主要采用机械控制方式，但在高速运行（超过10公里/小时）时容易出现“动力不足”的现象（Raveendran等人，2025年）。为了满足玉米的高速播种需求，研究人员提出了一种结合机械调节和气流传输的种子供应方式（Gao等人，2022年；Gao等人，2023年；Zhao等人，2024年）。实验室测试表明，这种种子供应装置的种子供应速率通常大于800克/分钟，种子供应稳定性的变异系数（CV）小于2.5%，种子破损率小于3.0%。
在实际作业中，播种机的性能受环境（包括气候和土壤条件）、机械振动和风压波动的影响较大，因此实际所需的播种量会更高，再加上不同地区玉米种植模式和密度的差异。一般来说，种子供应装置的种子供应速率大于900克/分钟，变异系数（CV）小于3.8%，种子破损率小于3.5%（基于德国Horsch有限公司的Maestro系列、德国Amazone有限公司的Precea系列和挪威Kverneland有限公司的DL系列等高速播种机的典型模型）。然而，高速播种机在用于密植作业时对种子供应性能的要求更高。
为了满足高速运行下玉米窄行密植播种机的种子供应需求，本文假设一种空气辅助螺旋种子供应装置能够满足这一需求。该装置通过螺旋机构控制种子箱的种子供应过程，并利用高速气流快速输送种子。然而，当该装置工作时，粒子之间、粒子与部件之间以及粒子与气流之间的相互作用过程较为复杂，难以用理论模型准确描述和分析种子的运动特性及流场状态（Liao等人，2025年）。
随着计算机辅助工程工具的发展，计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）已成为研究粒子、气流和部件相互作用过程的重要手段。CFD的基本思想是用一定数量的离散点替代空间和时间中的连续物理场，并通过质量守恒、动量守恒和能量守恒方程建立离散点之间的代数方程组，以求解场变量的近似值。该方法可以实现流场的数值可视化，在农业工程等领域得到广泛应用。例如，Wang等人（2023年）利用CFD研究了空气吸力播种装置中椭圆形种子通过形状孔的吸附机制，并解释了不同孔形对种子吸附过程显著差异的原因。Wang等人（2024年）利用CFD研究了不同形状孔结构的空气吸力播种装置的有效吸力域边界，并用准球形种子（如大豆、豌豆和人参种子）验证了模拟边界模型的准确性。
DEM是一种用于分析颗粒离散体材料的方法（Cundall & Strack，1979年），已应用于多种作物播种机中的种子供应研究。例如，Gao等人（2022年）设计了一种具有交错对称螺旋槽轮的定量种子供应装置，并基于DEM分析了不同槽轮倾斜角度和长度对玉米颗粒流动均匀性的影响。Zhu等人（2023年）设计了一种无轴螺旋种子排放和输送装置，基于DEM研究了不同螺旋螺距、螺旋外半径、螺旋内半径和旋转速度下该装置的种子供应过程，并获得了该装置的最佳操作参数组合。Wang等人（2024a）通过DEM模拟研究了小麦种子供应装置的工作过程，并探讨了不同结构类型（如等宽三角形、等宽五边形、等宽七边形和等宽九边形以及圆形槽齿轮）对种子扰动能力、种子填充能力和种子供应性能的影响。然而，上述研究仅针对固相或气相的单相流动进行了数值模拟，未能分析气相和固相混合状态下的相互作用关系。
随着CFD和DEM耦合（DEM-CFD）接口的发展和应用，DEM-CFD的数值模拟技术已成为研究复杂多相流动的重要工具。在播种机的种子供应组件中，He等人（2024年）使用DEM-CFD耦合方法模拟了空气辅助集中计量系统中水稻种子的迁移过程，并研究了混合段出口高度、倾斜种子进料段角度和倾斜种子进料段高度对种子出口速度和平均种子质量流的影响。通过DEM-CFD模拟，Wang等人（2024b）分析了三种不同输送种子管道和两种不同文丘里混合室组成的六个混合组件对空气辅助集中计量装置中油菜籽和小麦籽运动轨迹和种子输送性能的影响。除了种子供应外，DEM-CFD耦合模拟还应用于播种过程中的种子计量（Bourges等人，2017年；Yatskul等人，2017年）和播种机内的种子导向（Madaloz等人，2020年；Mudarisov等人，2020年）研究。DEM-CFD耦合模拟可以模拟和分析播种过程中种子和气流的分布过程，并优化播种机关键部件的结构尺寸参数。然而，这种方法的建模过程复杂，计算工作量大且模拟时间较长，模拟结果还需通过台架试验和/或田间试验进行验证。此外，适用于高速运行的气动玉米窄行密植播种机较少，关于此类播种机种子供应过程的DEM-CFD模拟报道也较少。
针对现有种子供应装置在玉米窄行密植播种机高速运行时存在的种子供应效率低、容易损伤种子、难以实现精确控制以及无法满足高速运行要求等问题，本研究综合应用理论分析、数值模拟和实验研究方法，深入研究了不同类型种子、装置结构参数和操作参数对装置性能的影响，确定了最佳结构参数组合，并进一步探讨了优化装置中流场的分布及种子的运动特性。本研究旨在为高速播种机种子供应装置的最佳设计和性能改进提供理论基础和技术支持。
