水肥一體化施肥機變量吸肥系統的設計與試驗

田 莉，李家春，趙先鋒，張 雷，王永濤，陳躍威

(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；3.貴州東峰自動化科技有限公司，貴陽 550025)

0 引言

液體肥料是一類廣泛應用于農業生產中的肥料，具有生產成本低、施加方便、作物易吸收及促進作物增產的效果[1]。農業生產中，發達國家的液體肥料已經普及到40%左右，如美、英、德、荷蘭、墨西哥等國家均在農業生產中使用各種液體肥料[2]。在以色列，田間幾乎百分百施用液體肥料。水肥一體化技術通過壓力系統將N、P、K等類型單元素液體肥料進行定量定比水肥混合，通過灌溉管網進行作物灌溉，能夠對灌溉水量和施肥量進行有效控制，提高水肥利用率[3]。水肥一體化是一種讓肥料高效發揮作用的施肥方法，適用于所有作物，越來越多的種植戶已認識到液體肥料灌溉比直接撒施顆粒肥效果好。

目前，我國在作物固態肥料的按需施用方面研究居多[4-5]。針對水肥一體化灌溉的發展趨勢，本文對水肥一體化施肥機關鍵部件—吸肥系統進行結構設計，并對吸肥通道的變量吸肥展開研究，運用FloEFD對吸肥系統吸肥性能進行仿真分析，通過田間試驗驗證其可行性，為水肥一體化自動施肥機的研究提供了參考依據。

1 吸肥系統結構設計與工作原理

1.1 三通道吸肥系統結構

三通道吸肥系統在現有射流器的基礎上進行結構設計，如圖1所示。此裝置主要由進水口、射流器吸肥口和水肥混合液出口3部分組成。射流器通過PVC變徑三通、PVC管與進水口、水肥混合液出口相連，構造完整吸肥系統模式，布置的3個射流器可以實現同時對3種不同類型單元素液體肥料的吸取[6]。

射流器選用標準型號SSQ-200，參數均在國家標準范圍內，進、出口內徑為25mm，吸肥口內徑為9mm。依據射流器的規格尺寸，選用PVC變徑三通40mm×25mm。

吸肥系統工作運行時，施肥機在水泵動力作用下進水口有恒壓水流入，水流流經射流器噴嘴漸縮段處，隨橫截面積的減小，水流壓強增大，水流速度也隨之增大。根據射流器的工作原理，吸入室產生的真空負壓與外界氣壓形成壓差，利用壓強差將單元素液體肥料從與射流器吸肥口吸入吸肥系統，與水進行充分混合經水肥混合液出口排出。

1.2 射流器吸肥原理

射流器普遍應用于小型灌區灌溉中，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及施肥濃度穩定等特點。通過對射流器的并聯可實現比例施肥，得到了較廣泛的應用。射流器主要由噴嘴、吸入室、喉管及擴散管等組成射流器型號SSQ-200,如圖2所示。

1.吸入室 2.噴嘴 3.喉管 4.擴散管

射流器工作原理：當具有一定壓力的水流由噴嘴處以一定速度噴出時，此過程中水流流經的管徑減小，水流流速增大，將壓力能轉為動能，使吸入室壓力降低產生真空，低壓流體在吸入室被吸入[7]；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；混合流體達到擴散管處，水流流速降低壓力增大，流體以一定壓力輸出。

射流器吸取肥液的流量q為[8]

(1)

式中A—射流器吸肥口截面積(Pa)；

h—施肥罐液面到射流器的垂直距離，在上時取負，在下時取正；

p2—射流器噴嘴處壓強(Pa)；

γ—液體肥料的密度。

根據伯努利方程，p2可表示為

(2)

式中p2—射流器噴嘴處壓強(Pa)；

p1—射流器進口壓強(Pa)；

?1—射流器進水口處橫截面積(m2)；

?2—射流器噴嘴處橫截面積(m2)；

γ′—水的密度(N/m3)；

O′—進水口流量(m3/s)。

將式(2)代入式(1)得

(3)

根據公式(3)可知：影響射流器液肥對吸入量的因素有水流量O′、進口壓力p1、射流器進水口橫截面積?1、噴嘴橫截面積?2及吸肥口截面積A。

1.3 吸肥系統運行原理

施肥機旁路助肥系統試驗原理如圖3所示。

1.上主管道壓力表 2.射流器 3.浮子流量計 4.單元素肥液罐 5.下主管道壓力表 6.水肥混合液出口 7.加壓泵

系統運行時，啟動射流器吸肥工作的工作壓差由加壓泵提供，加壓泵連接在吸肥系統上主管道入口處，達到為上端多孔管提供恒壓水源的要求；有壓水源流經射流器時，使吸入室的壓力降低產生真空，完成吸肥過程。三射流器并聯可實現同時對3種液體肥料的吸取，水肥混合液由下主管道出口輸出，通過鋪設的灌溉管網進行作物水肥一體化灌溉[9]。

2 基于FloEFD吸肥系統仿真分析

運用計算流體動力學軟件FloEFD進行吸肥系統仿真分析，以進一步掌握內部流場情況。FloEFD是一款無縫集成在SolidWorks中功能齊全的通用CFD工具，還有無縫集成在Inventor、SolidEdge及其他主流MCAD系統的獨立版本[10]。運用此軟件對混肥系統注水口、吸肥口及水肥混合液出口進行邊界條件設定后進行流體仿真分析，可以比較直觀地模擬混肥系統中速度流向、速度及壓強等參數的變化情況。

2.1 網格生成

為了加快模型流場分析的效率，在不影響準確性的前提下，將SolidWorks三維建模的吸肥系統簡化后進行網格劃分，計算區域選擇整個系統結構[11]。坐標原點取在注水口斷面圓心處，x軸為沿上主管道流動正方向，y軸為沿pvc管流動負方向，z軸為沿射流器吸肥口流動負方向。網格劃分采用六面體網格，在管道分岔處進行局部網格加密，采用粘合性較好的四面體網格，總網格數443 309，網格劃分如圖4所示。

圖4 吸肥系統網格劃分

2.2 邊界條件的設定

旁路助肥式吸肥系統中，設定三通道吸肥系統吸肥口邊界條件均設定為大氣環境壓力101 325Pa；

注水口為該系統的動力源，壓力設定從0.5MPa開始，以0.02MPa梯度增大或減??；水肥混合出口邊界條件設定從0.1MPa開始，以0.02MPa梯度增大或減小[12]，共設置5組邊界方案。

仿真分析邊界方案參數設定如表1所示。

表1 仿真分析邊界方案參數設定

2.3 仿真結果分析

運用FloEFD通過對三通道吸肥系統5種邊界條件進行仿真對比分析，如表2所示。

取邊界條件進口壓力0.5MPa、出口壓力0.1MPa為例進行展示。吸肥系統壓強、速度流動跡線圖如圖5所示，射流器靜壓、速度切面圖如圖6所示。

由圖5可以看出：三通道吸肥系統進口壓力0.5MPa、吸肥口1個大氣壓、出口壓力0.1MPa時，吸肥通道能夠完成吸肥工作，且實現與注水口水源的混合及輸出效果，滿足設計要求。吸肥系統上主管道壓強高于下主管道，從而使射流器進出口產生壓差，符合射流器的吸肥工作原理，實現了三吸肥通道的吸肥設計要求。

由圖6可以看出：流體在射流器噴嘴處壓力出現最小值，速度達到最大值，驗證了伯努利方程，符合射流器吸肥工作原理。

表2 各通道仿真數值

“+”表示液體肥料或灌溉水進入吸肥系統；“-”表示液體肥料或灌溉水輸出吸肥系統。

圖5 吸肥系統壓強、速度流動跡線圖

圖6 射流器靜壓、速度切面圖

3 吸肥通道變量吸肥控制器設計

基于以上對吸肥系統最大吸肥量的仿真分析，在仿真數據的基礎上對實現固定時間段內不同吸肥通道變量吸肥進行控制設計[13]。首先，在三射流器吸肥口進行吸肥通道的設計，吸肥通道上設置手動閥調節流量；浮子流量計對吸肥通道進行流量顯示；采用電動閥實現對各通道的變量吸肥控制。為實現對電動閥的啟閉控制，選用西門子PLC S7-200及STEP7- Micro/WIN對其編程，選用MCGS觸摸屏與PLC進行通訊操作?？刂撇糠秩鐖D7所示。

圖7 控制器圖

依據常閉型電動閥在斷電時閥門處于關閉狀態這一特性，通過脈沖分配的方式控制電動閥的啟閉，完成各通道對不同類型單元素液肥的變量吸取。將整個施肥時間段依據實際需求等分成多個脈沖時間段，設整個施肥時間段長為T，電動閥的開啟一次時間為t，電動閥關閉一次時間為t′，則(t+t′)組成電動閥1個啟閉周期,得整個施肥時間段T內電動閥啟動總次數為T/(t+t′)。

實際施肥時間段內，各通道吸肥量Q公式為

Q=q·t·n

(4)

式中Q—各通道吸肥量(m3)；

q—試驗中浮子流量計顯示各通道吸肥流量(m3/s)；

t—1個脈沖電動閥開啟的時間(s)；

n—實際施肥時間段內，控制器對各通道電動閥的啟動次數。

依據作物不同類型液體肥料的需肥量，通過對各通道電磁的啟閉進行不同的脈沖分配，就可以實現對各通道的變量吸肥。不同脈沖分配如圖8所示。

圖8 不同脈沖分配圖

4 性能試驗

4.1 試驗設計

根據三維模型各部件標準規格參數進行設備選型及施肥機樣機搭建，進一步對吸肥系統進行性能試驗。于2018年4月25日在貴州大學機械工程學院實驗基地依托其基礎條件，進行吸肥性能試驗，如圖9所示。試驗中注水口壓力0.5MPa，出口壓力0.1MPa，吸肥口為大氣壓力。

圖9 試驗現場圖

首先，對吸肥系統各通道最大吸肥量進行試驗。試驗時，在啟動電源總開關和水泵之后，需控制三吸肥通道上安裝的電動閥處于開啟狀態，手動閥調至全開狀態，待三通道浮子均穩定后讀數據。其次，運用PLC進行定量吸肥的程序設計，運用控制器控制電磁閥的不同開度，對各吸肥通道進行變量吸肥試驗。

4.2 試驗結果與分析

試驗中記錄各通道流量數據，重復測量4次，取平均值作為最大吸肥量最終結果[14]。試驗數據如表3所示。

表3 吸肥通道吸肥量數據對比統計表

由表3可以看出：各通道吸肥量誤差、吸肥系統三通道吸肥量實測數據與仿真數據施肥精度最高可達98.1%，各通道對單素液肥吸取精度較高。試驗中，通過控制器控制電動閥不同開度，各通道達到對不同類型單元素液肥定量吸取的效果。

5 結論

1)應用SolidWorks設計了基于射流器并聯的三通道旁路助肥式吸肥系統，并應用FloEFD進行吸肥系統流場分析，獲得了三通道旁路助肥式自動施肥機吸肥系統的流場參數及可視化圖像。

2)仿真分析結果表明：吸肥系統的吸肥量與進水口壓力正相關，與出口壓力負相關，且吸肥量隨進出口壓差的增大而增大。通過仿真分析，驗證了射流器的吸肥工作原理。

3)針對注水口壓力0.5MPa、出口壓力0.1MPa、吸肥口為大氣壓力的邊界條件進行吸肥性能試驗。試驗表明：三通道吸肥系統能夠滿足對3種不同類型單元素液肥肥料的吸取要求，吸肥精度可達98.1%，

4)試驗中，以由西門子PLC S7-200、STEP7- Micro/WIN及MCGS觸摸屏等組成的控制器系統，結合吸肥通道浮子流量計、手動閥及電動閥機械部件實現了各吸肥通道的變量吸肥。