水肥一體化施肥機關鍵部件的設計與試驗

李家春，田 莉，周茂茜，李子陽，王永濤

(1.貴州大學機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州省水利科學研究院，貴陽 550002)

0 引 言

我國水資源用水量位居世界第六，其中農業(yè)灌溉工程技術中存在嚴重的水資源的利用率低及浪費現(xiàn)象。高效節(jié)水灌溉技術是緩解我國水資源緊缺的途徑之一，更是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的必然選擇[1]。調查發(fā)現(xiàn)大田作物需肥基本以氮、磷、鉀三元素肥料為主，且農民在作物施肥方面存在盲目追肥、過量施肥等現(xiàn)象[2]。很多地區(qū)在農業(yè)生產中將水肥分施的方式居多，在施肥用量和種類上沒有合理的控制。

水肥一體化灌溉技術是將灌溉與施肥融為一體的現(xiàn)代農業(yè)精準灌溉施肥技術，具有明顯節(jié)水節(jié)肥、作物增產的效果[3,4]。它借助壓力灌溉系統(tǒng)，按照作物生長需求，將不同類型的單元素液肥進行配兌后一起均勻、準確、定量輸入到作物根部土壤，對灌溉水量和施肥量進行有效控制，提高水肥利用率[5]。水肥一體化現(xiàn)代農業(yè)精準灌溉施肥技術的實現(xiàn)，需要配套安裝相應的供水、供肥、自動精準灌溉施肥、灌溉管網等設施，其核心裝置是水肥一體化自動施肥機[6]。

本文對水肥一體化施肥機的關鍵部件展開研究，設計了一種基于射流泵并聯(lián)的三通道旁路吸肥式水肥一體化施肥機混肥系統(tǒng)，為水肥一體化施肥機各通道定量定比施肥的設計與優(yōu)化提供參考依據(jù)，推進我國農業(yè)水肥一體化精準灌溉的進一步發(fā)展。

1 施肥機混肥系統(tǒng)與工作原理

水肥一體化自動施肥機整機主要有機架、混肥系統(tǒng)、主管路系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。本文主要對施肥機的關鍵部件-混肥系統(tǒng)展開研究并運用SolidWorks進行三維建模[7,8]。該旁路吸肥式自動施肥機混肥系統(tǒng)的設計基于射流泵的并聯(lián)，主要由注水口、PVC變徑三通、PVC管、PVC悶蓋堵頭、射流泵、射流泵吸肥口及水肥混合液泵吸出口組成，各部件均為標準件，符合國家標準。三維結構如圖1，運行原理圖如圖2。

1-射流泵吸肥口；2-注水口；3-上主管道壓力表；4-PVC變徑三通；5-PVC管；6-射流泵；7-下主管道壓力表；8-水肥混合液抽吸口圖1 混肥系統(tǒng)三維結構圖Fig.1 Suction system diagram

1-水源進口；2-上主管道壓力表；3-射流泵；4-浮子流量計；5-液肥罐；6-下主管道壓力表；7-抽吸泵圖2 旁路吸肥試驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of bypass suction fertilizer test

該混肥系統(tǒng)上主管道注水口保持一定壓力值，且需要擁有足夠的灌溉水供用，啟動混肥系統(tǒng)射流泵工作的壓差值由加壓注水口和裝配在施肥機上的抽吸泵提供，應用射流泵原理把肥料吸入系統(tǒng)管道內，完成混肥過程。混合后的液肥在抽吸泵的作用下以一定壓力輸出，通過灌溉管網進行農作物的水肥一體化灌溉[9,10]。

2 射流泵結構及工作原理

射流泵普遍應用于小型灌區(qū)灌溉中，具有操作方便，體積小結構簡單,造價低廉，無運動部件，無需有壓容器存放藥液，施肥濃度穩(wěn)定等特點[11-12]。對射流泵的并聯(lián)可實現(xiàn)多種單元素液肥比例施肥，因此得到了較廣泛的應用[13]。射流泵主要由吸入室、噴嘴、喉管及擴散管等組成,如圖3所示,該系統(tǒng)射流泵選用型號SSQ-200。

1-吸入室；2-噴嘴；3-喉管；4-擴散管圖3 射流泵結構簡圖Fig.3 Jet pump structure diagramt

射流泵工作原理：當具有一定壓力的水流由噴嘴處以一定速度噴出時，此過程中水流流經管徑減小，水流流速增大，將壓力能轉為動能，使吸入室的壓力降低產生真空，低壓流體被吸入。兩股流體在喉管處充分混合，并進行分子擴散和能量交換，速度達到均衡狀態(tài)。混合流體到達擴散管處水流流速降低壓力增大，流體以一定壓力輸出[14]。

射流泵的壓力、流量和幾何特性主要通過流量比、壓力比等幾個無因次值來表征，可以直觀的表達射流泵內部質量和能量交換過程中其各個組成部件對性能的影響。無因次值可表示為[15,16]：

壓力比：

(1)

單位體積質量：

(2)

最優(yōu)面積比：

(3)

面積比：

(4)

其中：

(5)

流量比：

(6)

工作流體流量由工作泵來確定，被吸流體流量(即吸肥量)由流量比和工作流體流量來確定。其中：

h0=1.45m-0.892

(7)

q0=(5m-0.94)0.5-1.7

(8)

噴嘴直徑：

(9)

喉管直徑：

(10)

喉管長度：

Lk=(5～7)d3

(11)

式中：p表示壓力；γ表示容重；g表示重力加速度；z表示位置水頭；v表示斷面平均流速；f表示面積；腳標0表示工作流體；腳標s表示被吸流體；腳標c表示混合后的流體；系數(shù)φ1=0.95～0.975，α1=1.05，流量系數(shù)μ1=0.9～0.95。

3 基于FloEFD混肥系統(tǒng)仿真分析

FloEFD是一款流體力學計算軟件，無縫集成于主流三維CAD軟件中的高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，廣泛應用于航空航天、汽車、工業(yè)機械泵閥等領域。

現(xiàn)對所設計的混肥系統(tǒng)內部流場情況展開仿真分析，將運用SolidWorks三維建模的混肥系統(tǒng)導入FloEFD軟件對其進行仿真分析。通過仿真模擬混肥系統(tǒng)的運行情況，掌握混肥系統(tǒng)內部流場中速度流向、速度及壓強等參數(shù)的變化情況[17]。

3.1 邊界條件

泵吸水肥混合液出口邊界條件的設定，即為泵的抽吸流量8 m3/h，此處設置轉化為體積流量0.002 2 m3/s。旁路吸肥式自動施肥機運行時，啟動射流泵工作的壓差值由注水口水源壓力及裝配在施肥機上的抽吸泵提供。此處抽吸泵為混肥系統(tǒng)運行提供吸力，且可以為后設的灌溉管網提供壓力，對田間作物進行滴灌或噴灌等灌溉方式。

混肥系統(tǒng)射流泵吸肥口邊界條件設定，即為大氣環(huán)境壓力0.101 325 MPa；混肥系統(tǒng)注水口邊界條件設為總壓0.4 MPa；混肥系統(tǒng)水肥混合液出口設為抽吸泵的抽吸體積流量0.002 2 m3/s，仿真分析邊界條件參數(shù)設定見表1。

表1 邊界條件參數(shù)設置Tab.1 Boundary conditions parameter settings

3.2 仿真分析及結果

三通道旁路吸肥式自動施肥機混肥系統(tǒng)網格劃分如圖4所示，總網格數(shù)443 309，進一步由設定邊界條件進行流體仿真分析，求解器運行目標收斂，迭代459次。

圖4 網格劃分切面圖Fig.4 Mesh cutaway

仿真運行結果中獲得靜壓流線圖、速度云圖、壓強云圖及動畫形式的混肥系統(tǒng)運行情況。現(xiàn)以圖標的形式展示結果(如圖5),仿真動畫中三通道射流泵均可均勻、穩(wěn)定、連續(xù)地將單元素液肥吸入變徑三通主管道，與注水口進行水肥混合后下主管道水肥混合液出口輸出，實現(xiàn)了多種單元素液肥同水源混合及穩(wěn)定輸出的目標。

圖5 混肥系統(tǒng)靜壓流動跡線Fig.5 Suction system hydrostatic flow trace

仿真得，混肥系統(tǒng)中各射流泵內部速度切面圖、靜壓切面圖，如圖6、7。

從圖5可以看出，混肥系統(tǒng)上主管道壓強高于下主管道，從而使射流泵具備吸取液肥的條件，實現(xiàn)各通道對單元素液肥吸取的設計要求。對比分析圖6、7可以看出，流體在射流泵噴嘴處速度達到最大值，壓強減小，符合“伯努利效應”中流體速度與壓強的關系，同時驗證了射流泵的工作原理[18]。

綜合仿真分析，由流動跡線動畫得，本文中設計的基于射流泵并聯(lián)的三通道旁路吸肥式混肥系統(tǒng)，能夠達到對三種單元素液肥連續(xù)穩(wěn)定吸取及水肥混合液輸出的效果。

仿真得，混肥系統(tǒng)中注水口進水流量、各射流泵吸肥體積流量及水肥混合液出口流量，匯總如表2所示。

圖6 射流泵速度切面圖(對應裝配體左、中、右吸肥通道)Fig.6 Jet pump speed section (corresponding to assembly left, middle, and right suction passages)

圖7 射流泵靜壓切面圖(對應裝配體左、中、右吸肥通道)Fig.7 Jet pump static pressure cut diagram (corresponding to assembly left, middle and right suction suction channels)

表2 邊界表面參數(shù)Tab.2 Boundary surface parameters

4 混肥系統(tǒng)性能試驗

4.1 試驗目的及方案設計

在三維結構流場分析完成的情況下，檢驗實際吸肥能力是否與仿真分析數(shù)據(jù)相吻合。如果試驗測得數(shù)據(jù)與建模仿真分析的數(shù)據(jù)相互吻合，則證明該模型有實際的應用價值。如果實際結果與分析結果差距較大，則該模型不具有現(xiàn)實意義，不能作為生產實踐中根據(jù)吸肥能力來選擇灌概能力的參考模型。因此該試驗的目的是：檢驗模型分析的正確性。

根據(jù)三維模型各部件標準規(guī)格參數(shù)進行設備選型及施肥機的搭建，并將其安裝到水肥一體化灌溉系統(tǒng)中進行吸肥工作試驗。首先對三通道自動施肥機混肥系統(tǒng)特性展開研究，因此可以不需要控制器的程序控制。選用水泵功率2.2 kW,揚程45 m，泵吸體積流量8 m3/h，進出管道選擇規(guī)格DN40的PVC管，規(guī)格與SolidWorks三維建模一致，浮子流量計最大量程為1 000 L/h[19]。

4.2 測試試驗

將測試的三通道旁路吸肥式混肥系統(tǒng)安裝在額定功率為2.2 kW的施肥系統(tǒng)中。試驗于2018年4月2日在貴州大學機械工程學院實驗基地進行，對混肥系統(tǒng)的三通道吸肥穩(wěn)定性、均勻性、最大吸肥量特性進行了田間測試試驗(圖8)。

圖8 田間試驗應用現(xiàn)場Fig.8 Field test application site

試驗時，將該混肥系統(tǒng)連接進水口管道、三個液肥儲存筒和混合肥液出口管道，開啟總電源和水泵按鈕，啟動施肥機。在啟動電源和水泵之后三個吸肥通道上安裝的電磁閥需均處于開啟狀態(tài)、手動閥調至全開狀態(tài)，待三通道浮子均穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，并記錄流量數(shù)據(jù)，重復測量4次，取其平均值作為最大吸肥量最終結果。

4.3 試驗結果與分析

依據(jù)上述測試試驗，將4次重復測量記錄的最大吸肥量讀數(shù)均值與仿真分析所得數(shù)據(jù)進行對比[20]。建立表3。

試驗中，所設計的混肥系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各通道均能完成對單元素液肥均勻穩(wěn)定吸取及水肥混合液連續(xù)穩(wěn)定輸出的預期試驗目標。通過對比分析表3中試驗與仿真數(shù)據(jù)，中吸肥通道最大吸肥量較左、右吸肥通道最大吸肥量略低，但吸肥效果仍然保持在較好的水平上。

表3 吸肥通道最大吸肥量數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計表Tab.3 Fertilizer channel maximum fat absorption data comparison statistics

通過試驗，在對所設計混肥系統(tǒng)各通道最大吸肥量的基礎之上，為后續(xù)水肥一體化施肥機各通道實現(xiàn)自動定量定比吸肥奠定了基礎[21]。

5 結 論

(1)通過仿真分析，獲得了三通道旁路吸肥式自動施肥機混肥系統(tǒng)的可視化圖像及流場參數(shù)，且仿真結果表明，單通道吸肥流量與注水口流量之比最低為0.114。

(2)通過仿真分析，對比仿真分析中射流泵速度及壓強切面圖，其變化規(guī)律符合“伯努利效應”中流體速度與壓強的關系，同時驗證了射流泵的工作原理。

(3)試驗中，該混肥系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定的實現(xiàn)對單元素液肥的吸取及水肥混合液的輸出。試驗所得數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)吻合程度較高，達到驗證此研究可行性的目的。

(4)本文設計了基于射流泵并聯(lián)的三通道混肥系統(tǒng)模型，可同時滿足對N、P、K三種單元素液肥的吸取混合，為水肥一體化自動施肥機各通道實現(xiàn)定量定比施肥的設計與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

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