文丘里注肥器的参数化结构设计

2018-10-12张育斌魏正英

节水灌溉 2018年9期

张磊，张育斌，魏正英，简宁

(1.西安交通大学机械工程学院，西安 710049；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710054)

随着节水灌溉的普及，农业用水用肥越来越受到人们的关注，为了杜绝长久以来粗放式农业水肥灌溉，并提高肥料资源的利用率，研究人员正逐步探索水肥一体化技术、精量灌溉技术、微滴灌技术[1,2]。通过集中施肥、优化施肥、平衡施肥等措施，节约肥料的同时降低了肥料对土壤造成的累积污染[3-5]。

在整个灌溉系统中，施肥装置对肥料的吸收量和配比率影响最大，目前常见的施肥装置包括注肥泵、文丘里注肥器和压差式施肥罐[6]。其中，文丘里注肥器因为结构简单、成本低廉、操作安装方便、无需外部动力源等优势得到广泛应用。目前国内对于文丘里注肥器的研究多集中在仿制国外的系列产品，应用数值仿真方法和实验数据统计方式对单个装置进行性能研究分析[7-13]，为此每个装置结构都需要建立三维模型生成实物以及建立流体模型做网格划分，这就需要花费大量的人力及时间在基础模型上，为了解决该问题，本文运用Solidworks建模软件完成文丘里注肥器实体模型和内部流体模型，结合Visual C++程序语言开发参数化设计平台，通过API接口实现建模软件与窗口平台的对接，实现文丘里注肥器的系列参数化设计，提高前期的设计效率。

1 文丘里注肥器结构设计

1.1 设计理论

文丘里注肥器的一般结构主要由入口段、收缩段、喉管段、扩大段和出口段等几部分组成，如图1所示。其工作原理主要利用了伯努利方程和连续性方程[14]，即管路中的高压液体进入文丘里注肥器内部，收缩段的管径在短距离内突然缩小，在喉管段附近形成负压，与吸肥管外部形成大的压差，在大气压强的作用下，肥液被吸入文丘里注肥器内部，在扩大段随着管径的逐渐增大，水肥能充分混合进入后接灌溉系统。

图1 文丘里注肥器内部示意图

伯努利方程：

(1)

连续性方程：

v1A1=v2A2

(2)

式中：v1、v2分别为管路变化前后的流体流速，m/s；p1、p2分别为管路变化前后的流体压力，Pa；Z1、Z2分别为管路变化前后的流体相对基准线的高度，m；A1、A2分别为管路变化前后的截面积，m2；γ为流体运动黏度，m2/s；g为运动加速度，m/s2。

1.2 结构参数化

通过近些年的研究工作，在原有的经典文丘里注肥器(对称型)进行了结构的改善，其中比较常见的就是偏心型文丘里注肥器，根据文丘里注肥器的一般结构，提取关键结构参数如图2所示。主要包括进出口端长度L1和内径D1，喉部长度L3和内径D2，主体段壁厚b1，吸肥管内径d和壁厚b2，吸肥管距离进口端的长度L5，收缩角α(收缩段长度L2)和扩散角β(扩散段长度L4)。在文丘里注肥器几何特征不变的情况下，把这些关键参数作为驱动变量，给定不同的尺寸变量值，可生成一系列近似而尺寸不同的结构[15]。

图2 文丘里注肥器结构参数示意图

2 参数化平台的结构

应用 Visual C++可视化编程语言开发交互式软件平台界面，完成对变量参数的修改。借助 Solidworks 二次开发功能完成文丘里注肥器的三维模型和流体模型，通过API接口实现Visual C++和Solidworks的链接，只需在平台界面上输入相关的参数，Solidworks即在后台进行模型的绘制。其中所需的收缩角α和扩散角β两个重要指标根据数学模型(见表1)计算后自动显示在软件界面上。文丘里注肥器参数化建模软件基本流程图，如图3所示。

表1 收缩与扩散角度和长度数学关系式

图3 文丘注肥器参数化建模软件流程图

3 软件平台的实现

首先在Solidworks软件上按基本结构绘制文丘里注肥器三维模型，应用Solidworks自带的宏录制建模过程生成VBA程序代码，将程序代码转换成对应的C++语言，并删除多余程序命令避免程序冗余，然后利用 Visual C++编程软件强大的图形交互功能创建文丘里注肥器参数输入界面，在编程中调试每个控件的执行性并设置初始值；最后完成 Solidworks与Visual C++的接口连接。

3.1 程序接口

Solidworks软件提供了多种程序语言的二次开发接口，并提供了依附建模软件自身的插件法和独立的异步控制法。鉴于软件平台为了后续多功能模块的开发，所以采用异步控制法编译独立的软件平台界面[16, 17]。

Visual C++异步调用Solidwoks软件的部分代码如下：

CoInitialize(NULL); ∥用单线程方式初始化com库函数

CComPtr swApp; ∥创建Solidworks智能指针

HRESULT hres = swApp.CoCreateInstance(__uuidof(SldWorks),NULL,CLSCTX_LOCAL_SERVER); ∥调用指针启动Solidworks软件

//添加模型代码

swApp = NULL; ∥指针置空

CoUninitialize(); ∥关闭com当前线程

3.2 软件平台

Visual Studio中的集成开发工具包，由于其强大的多语言跨平台功能，受到程序开发者的追捧，本软件平台基于Visual Studio 2012的Visual C++实现交互建模功能。

为了便于对文丘里注肥器进行流体性能仿真分析，根据三维模型的内部结构作为流体分析模型，同时三维模型可以为加工实物做实验验证提供图纸供应。因此该软件平台主窗口内包括文丘里注肥器流体模型和三维模型两个模块，并对应包含对称型文丘里注肥器和偏心型文丘里注肥器两种类型，平台主界面如图4所示。

图4 文丘里注肥器参数化建模平台主界面

其中，在流体模型和三维模型内分别选取对称型经典文丘里注肥器可弹出其对应的参数输入界面，如图5所示，输入关键参数的具体数值，点击生成模型按键，后台会调用Solidworks生成该参数结构的流体模型和三维模型。

图5 对称型文丘里注肥器参数界面

3.3 平台功能验证

以对称型文丘里注肥器三维模型为例列取两组不同参数，吸肥管距离入口的距离分别为90和110 mm，通过该软件获得不同的模型结构，其结构参数值如表2所示。从图6可以看出生成的两个结构，其中1号结构吸肥管位于收缩段末部，2号结构吸肥管位于喉部，两种结构满足设计要求，更进一步证明了程序的可执行性和软件平台的可应用性。