低压灌溉系统中文丘里施肥器吸肥性能试验分析

2019-12-22张建阔李加念

农机化研究 2019年2期

张建阔，李加念

(昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500)

0 引言

水和肥是农作物生长的重要影响因素，而灌溉施肥质量的好坏直接影响农作物生长的优劣。目前,我国农业生产中水肥的利用率较为低下，不仅增加了生产成本投入，还对农业水土环境造成污染。水肥一体化灌溉施肥技术既能实现水肥资源的集约利用，又能最大限度地降低肥液过多利用对环境产生的污染，这在很多发达国家已经成为一种标准化方式。低压滴灌技术是一种能量优化的水肥一体化灌溉技术，不仅具备常压滴灌施肥技术的优点，还可以降低灌溉系统的建设成本和运行成本，是未来滴灌技术发展的一个重要方向[1]。滴灌施肥质量的优劣在很大程度取决于施肥装置的好坏，目前国内外常用的施肥装置有水力驱动注入式[2]、机械驱动注入式[3]、压差式[4]及文丘里吸入式等[5-7]等，而文丘里施肥器因其结构简单、成本低和无需外部动力等优点，被作为一种常用灌溉施肥装置在我国广泛应用。由于在实际应用中所需进口压力较高、压力损失较大等问题，导致文丘里施肥器在低压灌溉施肥系统中使用具有很大的局限性。鉴于此现状，很有必要研究在低压灌溉施肥系统中对施肥器吸肥效率的影响。相关文献表明，结构参数的优劣文丘里施肥器吸肥性能具有较大的影响。为了适应低压灌溉施肥系统，关键是文丘里施肥器进口压力进行有效地降低，从而保持较高地文丘里施肥器吸肥效率。近些年来，关于文丘里施肥器的研究主要集中在基于CFD的数值模拟分析方法[8-10]、理论分析与试验测试验证方法[11-14]，以及分析吸肥性能与文丘里施肥器结构参数之间的关系上，并在此基础上对结构参数进行优化[15-19]等方面，都取得了较好的结果。但是，目前的研究对于在低压灌溉施肥系统中的文丘里施肥器的试验研究鲜有涉及。为此，本文基于本团队成员通过CFD模拟技术已经设计好的一款文丘里施肥器，在低压灌溉系统中，进行吸肥性能试验分析，以期得到进口压力与吸肥性能的关系，为低压文丘里施肥器的研究提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

由于文丘里施肥器进行施肥的工作原理是通过进出口压差，使得流经喉部水流产生负压，肥液通过吸肥口压入文丘里施肥器进行灌溉施肥，其灌溉浓度的主要因素取决于文丘里管进出口压差的大小。本试验选用某种固定结构的文丘里施肥器，如图1所示。文丘里施肥器主要由进口直管段、出口直管段、收缩段、扩散段及喉部5部分组成。其主要结构参数分别为：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为收缩段的收缩角，无量纲；λ为喉管直径a1与进口直径a的比值；β为扩散段的扩散角；b为出口直径；B为进口直管段长度；C为出口直管段长度。

图1 文丘里施肥器结构图

1.2 试验装置

本试验在昆明理工大学现代农业工程学院楼梯间内进行，试验装置如图2所示。文丘里施肥器进口水源由蓄水箱提供，肥液由肥液桶提供，在本试验过程中由常温清水代替，水和肥混合后流入水肥混合桶内。整个装置采用串联方式安装文丘里施肥器，装置连接管道均采用PVC管，主管道管径均均为32 mm，且在进出口处分别安装LWGY-20的流量变送器，两只流量变送器的精度均为±0.5%，用以检测主管道进出口流量，进而计算文丘里施肥器的吸肥流量。文丘里施肥器进出口端分别安装压力变送器(量程0.6 MPa，0.5级),用以控制文丘里施肥器的进出口压力。

图2 文丘里施肥器试验装置图

1.3 试验方法

本论文的目的是研究低压灌溉系统中文丘里施肥器的吸肥性能，出口设置为自流状态，即出口压力设置为0；改变文丘里施肥器进口压力是通过调节进口阀门的开度大小实现。试验过程中，进口压力设计了0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1MPa共 10个水平，出口压力始终保持为0，记录下每个进口压力条件下通过文丘里施肥器的进口流量、出口流量，并对其数据进行计算。在试验过程中，对肥液桶进行实时补水，使得文丘里施肥器喉部的吸肥口与肥液桶液面高度差始终保持在500mm。所有试验数据在试验进出口压力稳定3 min后读取，每组试验重复进行5次并取其均值作为结果，试验介质采用常温清水。

文丘里施肥器吸肥性能主要采用进口流量比M、吸肥效率η和肥液浓度θ这3个指标进行衡量，即

(1)

(2)

(3)

其中，q为吸肥流量；Q为进口流量(m3/h)；P1、P2和P3分别为文丘里施肥器进口压力、出口压力及吸肥口压力(MPa)；M为文丘里施肥器进口流量比(%)；η为文丘里施肥器吸肥效率(%)；θ为文丘里施肥器出口水肥混合后的肥液浓度，能直观反映文丘里施肥器性能的优劣(%)。

2 结果与分析

2.1 进口流量比与进口压力的关系

文丘里施肥器进口压力在0～0.1MPa下的进口流量比试验结果如图3所示。

图3 进口流量比与进口压力的关系

文丘里施肥器进口压力在0.006MPa时，达到临界条件；当进口压力在0.006～0.05MPa范围内变化时，进口流量比随进口压力的增加呈一定比例增大，进口流量比从0快速增加到11.17%；当进口压力在0.05～0.1 MPa范围内增加时，进口流量比增加趋于平缓，进口流量比从11.17%增至12.23%。试验结果表明：在出口为自流状态时，进口流量比随着进口压力的增加而增大；当进口压力增加到一定值后，文丘里施肥器工作性能达到最优状态；随着进口压力的继续增加，进口流量比不再随着进口压力的增加而增大，进口流量比数值趋于稳定状态。

2.2 吸肥流量与进口压力的关系

文丘里施肥器进口压力与吸肥管的吸肥流量关系如图4所示。在出口压力一定的情况下，其吸肥流量随着进口压力的增加而增大；当进口压力增加到一定值后继续增加，文丘里施肥器吸肥流量增加逐渐趋于平缓。试验结果表明：文丘里施肥器进口压力在0.006～0.07MPa范围内，其吸肥流量从0快速增加至0.245m3/h；当进口压力继续增加时，其吸肥流量增加较为缓慢；进口压力从0.07MPa增加至0.1MPa时，进口流量从0.245m3/h增加到0.281m3/h。结果分析可知：当文丘里施肥器进口压力为0.07MPa时，其吸肥流量达到最佳。

图4 吸肥流量与进口压力的关系

2.3 肥液浓度与进口压力的关系

文丘里施肥器施肥浓度与进口压力的关系如图5所示。文丘里施肥器肥液浓度随进口压力的增加而增大；当文丘里施肥器进口压力增大到一定值后，随着进口压力的增加，肥液浓度增大缓慢，并稳定于一固定值。试验结果表明：当出口为自流状态、文丘里施肥器进口压力在0.006～0.05MPa范围内增加时，肥液浓度从0快速增加至10.04%；进口压力继续增大至0.1MPa时，肥液浓度从10.04%增加到10.89%。与现有的文丘里施肥器的吸肥性能相比，其达到临界吸肥进口压力可以降低至0.03MPa；但该施肥器吸肥浓度很小，当进口压力增加至0.1MPa时，肥液浓度才能达到最大值为10%[6]。本试验基于CFD模拟技术优化得出的文丘里施肥器，并对其进行实测得出，该施肥器吸肥临界进口压力为0.006MPa、施肥器进口压力为0.05MPa时，肥液浓度的最大值可达到10.04%，该浓度能满足在实际灌溉施肥情况下的施肥浓度要求[20]。

图5 肥液浓度与进口压力的关系

2.4 吸肥效率与进口压力的关系

吸肥效率与进口压力的关系如图6所示。当进口压力在0.01～0.05MPa之间增大时，文丘里施肥器实测吸肥效率从2.89%快速单调递减至1.117%；当进口压力逐渐增加至0.1MPa时，实测吸肥效率平缓地从1.117%单调递减至0.61%。文丘里施肥器吸肥效率与肥液浓度的试验实测结果分析表明：当文丘里施肥器出口为自流状态、进口压力为0.05MPa时，其吸肥性可以达到实际灌溉需求。