低壓灌溉系統(tǒng)中文丘里施肥器吸肥性能試驗(yàn)分析

張建闊，李加念

(昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引言

水和肥是農(nóng)作物生長的重要影響因素，而灌溉施肥質(zhì)量的好壞直接影響農(nóng)作物生長的優(yōu)劣。目前,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥的利用率較為低下，不僅增加了生產(chǎn)成本投入，還對農(nóng)業(yè)水土環(huán)境造成污染。水肥一體化灌溉施肥技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)水肥資源的集約利用，又能最大限度地降低肥液過多利用對環(huán)境產(chǎn)生的污染，這在很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)化方式。低壓滴灌技術(shù)是一種能量優(yōu)化的水肥一體化灌溉技術(shù)，不僅具備常壓滴灌施肥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還可以降低灌溉系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行成本，是未來滴灌技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。滴灌施肥質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度取決于施肥裝置的好壞，目前國內(nèi)外常用的施肥裝置有水力驅(qū)動(dòng)注入式[2]、機(jī)械驅(qū)動(dòng)注入式[3]、壓差式[4]及文丘里吸入式等[5-7]等，而文丘里施肥器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低和無需外部動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，被作為一種常用灌溉施肥裝置在我國廣泛應(yīng)用。由于在實(shí)際應(yīng)用中所需進(jìn)口壓力較高、壓力損失較大等問題，導(dǎo)致文丘里施肥器在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中使用具有很大的局限性。鑒于此現(xiàn)狀，很有必要研究在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中對施肥器吸肥效率的影響。相關(guān)文獻(xiàn)表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)劣文丘里施肥器吸肥性能具有較大的影響。為了適應(yīng)低壓灌溉施肥系統(tǒng)，關(guān)鍵是文丘里施肥器進(jìn)口壓力進(jìn)行有效地降低，從而保持較高地文丘里施肥器吸肥效率。近些年來，關(guān)于文丘里施肥器的研究主要集中在基于CFD的數(shù)值模擬分析方法[8-10]、理論分析與試驗(yàn)測試驗(yàn)證方法[11-14]，以及分析吸肥性能與文丘里施肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系上，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[15-19]等方面，都取得了較好的結(jié)果。但是，目前的研究對于在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中的文丘里施肥器的試驗(yàn)研究鮮有涉及。為此，本文基于本團(tuán)隊(duì)成員通過CFD模擬技術(shù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的一款文丘里施肥器，在低壓灌溉系統(tǒng)中，進(jìn)行吸肥性能試驗(yàn)分析，以期得到進(jìn)口壓力與吸肥性能的關(guān)系，為低壓文丘里施肥器的研究提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

由于文丘里施肥器進(jìn)行施肥的工作原理是通過進(jìn)出口壓差，使得流經(jīng)喉部水流產(chǎn)生負(fù)壓，肥液通過吸肥口壓入文丘里施肥器進(jìn)行灌溉施肥，其灌溉濃度的主要因素取決于文丘里管進(jìn)出口壓差的大小。本試驗(yàn)選用某種固定結(jié)構(gòu)的文丘里施肥器，如圖1所示。文丘里施肥器主要由進(jìn)口直管段、出口直管段、收縮段、擴(kuò)散段及喉部5部分組成。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：a=b=25 mm，A=a1=8 mm，B=C=20 mm，λ=0.32，α=25°，β=7°，吸肥口角度γ=135°。其中，α為收縮段的收縮角，無量綱；λ為喉管直徑a1與進(jìn)口直徑a的比值；β為擴(kuò)散段的擴(kuò)散角；b為出口直徑；B為進(jìn)口直管段長度；C為出口直管段長度。

圖1 文丘里施肥器結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院樓梯間內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖2所示。文丘里施肥器進(jìn)口水源由蓄水箱提供，肥液由肥液桶提供，在本試驗(yàn)過程中由常溫清水代替，水和肥混合后流入水肥混合桶內(nèi)。整個(gè)裝置采用串聯(lián)方式安裝文丘里施肥器，裝置連接管道均采用PVC管，主管道管徑均均為32 mm，且在進(jìn)出口處分別安裝LWGY-20的流量變送器，兩只流量變送器的精度均為±0.5%，用以檢測主管道進(jìn)出口流量，進(jìn)而計(jì)算文丘里施肥器的吸肥流量。文丘里施肥器進(jìn)出口端分別安裝壓力變送器(量程0.6 MPa，0.5級),用以控制文丘里施肥器的進(jìn)出口壓力。

圖2 文丘里施肥器試驗(yàn)裝置圖

1.3 試驗(yàn)方法

本論文的目的是研究低壓灌溉系統(tǒng)中文丘里施肥器的吸肥性能，出口設(shè)置為自流狀態(tài)，即出口壓力設(shè)置為0；改變文丘里施肥器進(jìn)口壓力是通過調(diào)節(jié)進(jìn)口閥門的開度大小實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)過程中，進(jìn)口壓力設(shè)計(jì)了0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1MPa共 10個(gè)水平，出口壓力始終保持為0，記錄下每個(gè)進(jìn)口壓力條件下通過文丘里施肥器的進(jìn)口流量、出口流量，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在試驗(yàn)過程中，對肥液桶進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)水，使得文丘里施肥器喉部的吸肥口與肥液桶液面高度差始終保持在500mm。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)在試驗(yàn)進(jìn)出口壓力穩(wěn)定3 min后讀取，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次并取其均值作為結(jié)果，試驗(yàn)介質(zhì)采用常溫清水。

文丘里施肥器吸肥性能主要采用進(jìn)口流量比M、吸肥效率η和肥液濃度θ這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量，即

(1)

(2)

(3)

其中，q為吸肥流量；Q為進(jìn)口流量(m3/h)；P1、P2和P3分別為文丘里施肥器進(jìn)口壓力、出口壓力及吸肥口壓力(MPa)；M為文丘里施肥器進(jìn)口流量比(%)；η為文丘里施肥器吸肥效率(%)；θ為文丘里施肥器出口水肥混合后的肥液濃度，能直觀反映文丘里施肥器性能的優(yōu)劣(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)口流量比與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0～0.1MPa下的進(jìn)口流量比試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)口流量比與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0.006MPa時(shí)，達(dá)到臨界條件；當(dāng)進(jìn)口壓力在0.006～0.05MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，進(jìn)口流量比隨進(jìn)口壓力的增加呈一定比例增大，進(jìn)口流量比從0快速增加到11.17%；當(dāng)進(jìn)口壓力在0.05～0.1 MPa范圍內(nèi)增加時(shí)，進(jìn)口流量比增加趨于平緩，進(jìn)口流量比從11.17%增至12.23%。試驗(yàn)結(jié)果表明：在出口為自流狀態(tài)時(shí)，進(jìn)口流量比隨著進(jìn)口壓力的增加而增大；當(dāng)進(jìn)口壓力增加到一定值后，文丘里施肥器工作性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；隨著進(jìn)口壓力的繼續(xù)增加，進(jìn)口流量比不再隨著進(jìn)口壓力的增加而增大，進(jìn)口流量比數(shù)值趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 吸肥流量與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器進(jìn)口壓力與吸肥管的吸肥流量關(guān)系如圖4所示。在出口壓力一定的情況下，其吸肥流量隨著進(jìn)口壓力的增加而增大；當(dāng)進(jìn)口壓力增加到一定值后繼續(xù)增加，文丘里施肥器吸肥流量增加逐漸趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)果表明：文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0.006～0.07MPa范圍內(nèi)，其吸肥流量從0快速增加至0.245m3/h；當(dāng)進(jìn)口壓力繼續(xù)增加時(shí)，其吸肥流量增加較為緩慢；進(jìn)口壓力從0.07MPa增加至0.1MPa時(shí)，進(jìn)口流量從0.245m3/h增加到0.281m3/h。結(jié)果分析可知：當(dāng)文丘里施肥器進(jìn)口壓力為0.07MPa時(shí)，其吸肥流量達(dá)到最佳。

圖4 吸肥流量與進(jìn)口壓力的關(guān)系

2.3 肥液濃度與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器施肥濃度與進(jìn)口壓力的關(guān)系如圖5所示。文丘里施肥器肥液濃度隨進(jìn)口壓力的增加而增大；當(dāng)文丘里施肥器進(jìn)口壓力增大到一定值后，隨著進(jìn)口壓力的增加，肥液濃度增大緩慢，并穩(wěn)定于一固定值。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)出口為自流狀態(tài)、文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0.006～0.05MPa范圍內(nèi)增加時(shí)，肥液濃度從0快速增加至10.04%；進(jìn)口壓力繼續(xù)增大至0.1MPa時(shí)，肥液濃度從10.04%增加到10.89%。與現(xiàn)有的文丘里施肥器的吸肥性能相比，其達(dá)到臨界吸肥進(jìn)口壓力可以降低至0.03MPa；但該施肥器吸肥濃度很小，當(dāng)進(jìn)口壓力增加至0.1MPa時(shí)，肥液濃度才能達(dá)到最大值為10%[6]。本試驗(yàn)基于CFD模擬技術(shù)優(yōu)化得出的文丘里施肥器，并對其進(jìn)行實(shí)測得出，該施肥器吸肥臨界進(jìn)口壓力為0.006MPa、施肥器進(jìn)口壓力為0.05MPa時(shí)，肥液濃度的最大值可達(dá)到10.04%，該濃度能滿足在實(shí)際灌溉施肥情況下的施肥濃度要求[20]。

圖5 肥液濃度與進(jìn)口壓力的關(guān)系

2.4 吸肥效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系

吸肥效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)進(jìn)口壓力在0.01～0.05MPa之間增大時(shí)，文丘里施肥器實(shí)測吸肥效率從2.89%快速單調(diào)遞減至1.117%；當(dāng)進(jìn)口壓力逐漸增加至0.1MPa時(shí)，實(shí)測吸肥效率平緩地從1.117%單調(diào)遞減至0.61%。文丘里施肥器吸肥效率與肥液濃度的試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果分析表明：當(dāng)文丘里施肥器出口為自流狀態(tài)、進(jìn)口壓力為0.05MPa時(shí)，其吸肥性可以達(dá)到實(shí)際灌溉需求。

圖6 吸肥效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系

3 結(jié)論

基于CFD模擬技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的文丘里施肥器進(jìn)口壓力為0.05MPa時(shí)，進(jìn)口流量比達(dá)到11.17%，肥液濃度達(dá)到10.04%，且吸肥效率為1.117%；當(dāng)進(jìn)口壓力為0.07MPa時(shí)，吸肥流量為0.245m3/h。

文丘里施肥器在灌溉施肥過程中灌溉施肥濃度是評價(jià)文丘里施肥器性能優(yōu)劣的主要考慮因素，通過對試驗(yàn)肥液濃度分析表明：該結(jié)構(gòu)文丘里施肥器出口為自流狀態(tài)、進(jìn)口壓力在0.05 MPa時(shí)，其吸肥性能達(dá)到最佳，且施肥濃度達(dá)到10.04%，能夠滿足實(shí)際的灌溉施肥要求。