不同管路布置下文丘里吸肥器吸肥性能試驗研究

謝碧洪 蕭金瑞 徐 喬 黃良杰 宋 坤 吳康晴

（1羅定職業技術學院機電工程系，廣東羅定 527200；2廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006；3廣州大學廣東省水肥高效利用及太陽能智能灌溉工程技術研究中心，廣東廣州 510006）

發展高效智能農業將有助于推進農業產業化、工業化的進程。水肥一體化是節水灌溉施肥技術的主要內容之一，其在節水、節肥、省工、環保等方面優勢突出。良好的灌溉施肥系統將大大提高生產效率，提高產品品質，降低管理成本[1]，作為灌溉、施肥等農業生產過程中必不可少的設備，常用施肥裝置有壓差式施肥罐、文丘里吸肥器、水力驅動式施肥泵和電動注肥泵[2]等，其中文丘里吸肥器因結構簡單、操作方便、不需動力，使用十分廣泛[3]。

相關學者對文丘里吸肥器進行了大量研究，取得了豐富成果：王海濤[4]分析了文丘里吸肥器的結構參數優化，針對水力性能、壓力損耗及空化特性等綜合性能開展試驗和模擬研究；劉永華等[5]考慮了施肥裝置和管道系統的沿程損失，應用CFD 數值計算對文丘里吸肥器的漸縮角α、漸擴角β、喉徑d0 等影響系統吸肥性能的關鍵核心部件進行了單因素性能優化設計，得出了3 個主要結構參數對吸肥性能的影響規律；程千等[6]探討了空化對施肥器性能產生影響的原因，并對其內部流動能量消耗機制進行了揭示；謝冬輝[7]對不同內部流場結構的文丘里施肥器進行了相關測試，對施肥器性能受不同喉管結構及調控方式的影響進行了探究；張建闊等[8]在基于CFD數值模擬方法得到符合低壓灌溉系統的文丘里施肥器結構參數的基礎上，試制出一種用于優化結構參數研究吸肥性能的文丘施肥器樣品；王振華等[9]研究了非對稱文丘里施肥器的擴散段結構吸肥問題。

然而，目前針對管路布置對文丘里吸肥器吸肥效果影響的研究涉及較少，基于此，為了探究管路布置對文丘里吸肥器吸肥效果的影響，本研究對單、雙以及三通路下文丘里吸肥器吸肥效果進行試驗測試和分析，以期為文丘里吸肥器管路布置和吸肥效果評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 文丘里吸肥器及工作原理

壓力型灌溉裝備對水力壓力和流量變化敏感性低，但在灌溉進行時，施肥濃度會變小，造成灌溉施肥濃度不穩定。根據一般灌溉工程實際，從節省灌溉成本的角度出發，水肥一體化灌溉中多數采用結構中心對稱的文丘里灌溉裝備，如圖1 所示。該裝備的原理：水流通過文丘里喉管，該管路先從大變小后從小變大，當水流通過較窄部位時，水流速度會變快，而水壓會下降，這樣就形成了壓力差，當喉部有較小的管徑入口時，會產生負壓，可通過較小的管徑細管從一個敞口的肥料罐中吸取肥料溶液。

圖1 文丘里結構示意

中心對稱結構文丘里灌溉器進出口口徑為D、文丘里管喉管口徑為d、進口錐角大小為α，出口的錐角大小為β，吸肥管道的直徑為d1。由水力學基本原理可知，結構上吸肥流的大小，主要受喉部產生的負壓大小影響，吸肥管的管徑也有影響，但影響較小可忽略不計，一般要求吸肥口斷面比吸肥管管徑面積更大。

1.2 試驗準備

為研究多級并聯文丘里管吸肥系統的性能，選用目前應用廣泛的中心對稱文丘管（centralcomplex）。為滿足農業灌溉要求，根據植物生長需要，需適時適量灌溉氮、磷、鉀肥，采用文丘里管灌溉器3種同型號灌溉器。本次試驗是對多級并聯文丘里灌溉器工況和性能的研究，在主供水管內串聯安裝了3根并聯的文丘里管，再將管道全部采用PVC管連接，管道內徑均為12.5 mm，并聯3 根文丘里管安裝在并聯文丘里提灌器的進出口水管上，將3 個中心對稱型文丘里吸肥器A、B、C并聯安裝于試驗裝置中，并使L1=L2=L3=30 cm。主管采用內徑為12.5 mm的PVC給水管，并在入口和出口處分別安裝壓力表，檢測進出口壓力，圖2為文丘里吸肥試驗裝置示意。文丘里吸肥器物理參數為：進出口直徑12.5 mm，支管直徑4.5 mm，入口錐角40°，出口錐角20°，流量0.29～0.81 m3/h，工作壓強0.7～9.5 Bar，在其吸肥支管上安裝流量計和流速表，以測量各吸肥器的吸肥流量。玻璃浮子流量計垂直安裝在文丘里提灌器的吸肥支管上，遵循優先過流原則和水頭損失較小的原則，最短的管徑和最少的標準管件被用在并聯文丘里管線的設計中。實驗用水采用進出口循環供水設計。

圖2 文丘里吸肥試驗裝置示意

1.3 試驗方法

試驗通過主管道進水口處的閥門開度控制進水口處壓力，進水口處壓力設為5～65 kPa，間隔5 kPa，共12個壓力值。通過控制a、b、c三個閥門的開閉，實現各文丘里吸肥器吸肥支管的導通與關閉。分別測量單通路、雙通路以及三通路下文丘里吸肥器的吸肥流量和主管道出水口處壓力，各吸肥支管閥門開閉情況見表1。在試驗中使用自來水模擬肥液，所有測試數據均在進出口壓力穩定3 min 后讀取，重復測量3次并其取平均值。

表1 管道通路數量與文丘里吸肥器開閉情況

2 結果與分析

2.1 單通路導通吸肥效果

主管道進水口壓力記為P1，文丘里吸肥器A、B、C 吸肥流量分別記為Qa1、Qb1、Qc1，所對應主管道出水口的壓力記為Pa1、Pb1、Pc1。由圖3可知，各文丘里吸肥器的吸肥流量隨著主管道進水口壓力的增大而逐漸增大，且在試驗壓力范圍內，Qc1大于Qa1和Qb1。當入口壓力小于25 kPa 時，Qa1大于Qb1，反之則Qa1小于Qb1。可見，入口壓力會影響各吸肥器的吸肥流量，同時各吸肥器的吸肥流量還與其所處位置有關。從試驗裝置看，吸肥器B和C側分流大，主管道大部分水往B、C 側流動，并在吸肥器C 入口處因水流突然轉向形成湍流加速區。

圖3 進水口壓力與各單通路吸肥流量關系

圖4 進水口壓力與出水口壓力關系

由伯努利連續方程可得文丘里吸肥器喉管處壓強與液體介質流速的關系：

式中，P為文丘里吸肥器喉管處的壓強，C為常數，ρ為液體介質的密度，υ為液體介質的流速，g為重力加速度，h為液體介質所處的水頭高度。

由式（1）可知，吸肥器C 入口處流速增加，使其對應的文丘里喉管處壓強下降，所產生的負壓更大，因而吸肥支管的吸力更強，吸肥流量也更大。

由圖可知，隨著進水口壓力的增大，各單通路吸肥壓力損失十分接近，且進水口壓力越大，水頭損失越大。結合圖3～4可知，文丘里吸肥器的吸肥流量及裝置出口壓力隨裝置入口壓力的變化規律近似一致。同時，隨入口壓力的增加，文丘里吸肥器C的吸肥支管最先導通吸肥，所需的進水口壓力最小，A次之，B最大。與距離主管道30 cm的文丘里吸肥器A和B相比，距離主水管60 cm的文丘里吸肥器C吸肥效果更好。

2.2 雙通路導通吸肥效果

在文丘里吸肥器A、B 導通條件下，吸肥流量分別記為Qa2、Qb2，試驗結果如圖5 所示。文丘里吸肥器A、B 的吸肥流量均隨入口壓力的增加而逐漸增大，且文丘里吸肥器A 比文丘里吸肥器B 先導通吸肥。當入口壓力大于20 kPa 時，兩吸肥器的吸肥流量具有較好的線性關系，且呈近似平行狀態。受管道拐角流體沖擊作用，文丘里吸肥器A 喉管處流速高于B，所形成的真空吸力也比B大，故其吸肥流量也較大。

圖5 文丘里吸肥器A、B吸肥流量隨入口壓力的變化

在雙通路文丘里吸肥器A、C 吸肥條件下，吸肥流量分別記為Qa2、Qc2，試驗結果如圖6所示。由圖6可知，文丘里吸肥器C吸肥支管先導通吸肥，隨著進水口壓力的增加，兩文丘里吸肥器A 與C 的吸肥流量也逐漸增加，且在試驗壓力范圍內，Qc2始終大于Qa2。由此可見，距離主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 比距離主管道6.5 cm 的文丘里吸肥器A 先吸肥，且吸肥流量更大。

圖6 進水口壓力與雙通路文丘里吸肥器A、C吸肥流量關系

在雙通路文丘里吸肥器B、C 吸肥狀態下，試驗結果如圖7 所示，其中文丘里吸肥器B、C 吸肥流量分別記為Qb2、Qc2。從圖7 可知，位于邊緣且距主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 吸肥支管先導通吸肥，在試驗壓力范圍內，隨著進水口壓力的增大，文丘里吸肥器C 的吸肥流量逐漸增加，而文丘里吸肥器B的吸肥流量先增加后趨于穩定，且始終存在Qc2＞Qb2。由此可見，位于主管道同側的文丘里吸肥器B、C，其中距離主管道較遠的文丘里吸肥器C有較好的吸肥效果。

圖7 進水口壓力與雙通路文丘里吸肥器B、C吸肥流量關系

2.3 三通路吸肥效果

在三通路文丘里吸肥器A、B、C 吸肥狀態下，試驗結果如圖8 所示，記文丘里吸肥器A、B、C 吸肥流量分別為Qa3、Qb3、Qc3。由圖8 可知，隨著進水口壓力的增加，文丘里吸肥器A 最先吸肥，C 次之，最后文丘里吸肥器B 吸肥，且各文丘里吸肥器的吸肥流量均隨著進水口壓力的增加而增加，并在進水口壓力大于0.02 MPa 時，有Qc3＞Qb1＞Qa1。由此可見，隨著進水口壓力的增加，距離主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 與A、B 相比有較大的吸肥流量，文丘里吸肥器A雖最先吸肥，但隨著壓力的增加，其吸肥流量小于文丘里吸肥器B、C。

圖8 進水口壓力與三文丘里吸肥器A、B、C吸肥流量關系

3 結論

本文研究了多級并聯文丘里配肥系統在單、雙、三通路吸肥模式下的吸肥效果，形式如下結論。

（1）在單通路吸肥狀態下，文丘里吸肥器C吸肥支管最先導通吸肥，且在試驗壓力范圍內，與距離主管道6.5 cm 的文丘里吸肥器A、B 相比，距離主水管13 cm的文丘里吸肥器C吸肥流量較大。

（2）在雙通路吸肥狀態下，與主管道距離相等的兩文丘里吸肥器A、B，其中位于主管道邊緣的文丘里吸肥器A 吸肥效果較好，與主管道距離不等的兩文丘里吸肥器A、C 或B、C，其中距離主管道較遠的文丘里吸肥器C吸肥效果較好。

（3）在三通路吸肥狀態下，隨著進水口壓力的增加，距離主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 與A、B 相比有更大的吸肥流量，文丘里吸肥器A雖最先吸肥，但隨著壓力的增加，其吸肥流量小于文丘里吸肥器B、C。