增氧灌溉管路曝气装置设计与实验

徐璟　张育斌　马二磊　冯培存

摘 要：针对灌溉系统的管路系统封闭环境与市场主流水体增氧设备集成度差的问题，本文设计增氧灌溉管路曝气装置核心件曝气头的基本结构，运用CFD软件进行仿真分析，并分析不同结构参数的曝气头对灌溉增氧性能的影响，优化并确定了曝氣头的最佳结构参数。最后根据设计研制了增氧灌溉管路曝气装置并与管路完成灌溉试验。结果表明，该装置具有增氧效率高、体积小，与灌溉系统实现封闭对接，有广阔的应用前景。

关键词：曝气头;增氧灌溉;管路系统;流体计算

中图分类号：S22 文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130018

灌溉增氧灌溉的方式主要有文丘里加气增氧、机械式增氧、物理式增氧、化学式增氧以及微纳米气泡增氧这几种方式。张敏等[1]、Bagatur等[2]利用特制的文丘里加气设备对灌溉过程进行加气处理。机械式增氧主要利用空气泵、打气筒等向土壤中加气。张璇等[3]、Niu Wenquan等[4]利用空气压缩机为番茄通气供氧;郭超等[5]采用普通打气筒为盆栽植物供气。物理式增氧主要通过改变土壤孔隙度、土壤结构以及土壤类型等实现通气处理[6]。孙周平等[7]、李胜利等[8]通过根系管通气、土壤中加入岩石以及将作物培养在铝塑网内等方式进行通气处理。化学式增氧主要是利用化学试剂来制备富氧水。Bhattarai S P等[9]、程峰等[10]利用稀释后的双氧水试剂对水体进行增氧后开展灌溉。

目前，增氧运用效果优势明显的是微纳米气泡增氧，释放数百微米到数百纳米之间的气泡溶于水，具有气泡粒径较小，存在时间长、氧传质效率高以及表面吸附能力强等优点[21]。但应用的模式主要采用释放气泡溶于桶内，再抽取溶气水增压注入管路内实现管路增氧灌溉，存在管路接入困难，集成度差问题。

1 增氧灌溉管路曝气发生原理

曝气头的结构形式较多，常见的结构如图1所示，其核心均是微孔节流式，当溶气水通过小孔时，由于截面积减小，水体流速会加快，压强突然减小，甚至出现负压，在微孔附近压力变化非常激烈，促使气泡析出。如图1（b）和（d）所示，溶气水在通过小孔之前，在壁面等的阻隔之下，会发生碰撞、翻转回流等现象，水体的湍流程度会增强，有利于水中微气泡的释放。

2 曝气头基本结构设计

曝气头的性能因结构不同而有较大差异，但都有一个共同特点，就是通过局部真空、振动、回流、挤压、散射等多种行为，使得溶气水在较大压差下释放，并使消能室具有尽可能高的速度梯度以及湍流强度。只要微观流态控制的合理，就能得到较小尺寸的微气泡，曝气头通常采用微孔或缝隙结构来节流。本文设计的曝气头基本结构及其内部流场速度矢量图如图2所示。

3 曝气头流场数值模拟过程

3.1 计算模型

考虑曝气头内部的流体处于湍流状态，采用湍流模拟计算中标准k-ε模型。利用Workbench Mesh模块对曝气头内部流场三维模型进行网格划分，网格类型为四面体，模型网格划分如图3所示。

考虑到数值模拟中网格数量对计算结果有着较大的影响，因此研究不同网格数量的仿真模型对计算结果的影响。调整最大网格尺寸，选取其中网格数量为50万、90万、120万以及150万的模型进行计算，分别得到a-a面中线b上节点的压力值分布曲线如图4～5所示。

由图5中曲线可以看出，a-a截面中线b的压力值随位置坐标先减小后增大，网格数量为120万与150万的模型计算结果较为相近，考虑计算机的性能和模型求解时间，因此将网格数量控制在120万左右，此时一个模型的计算求解时间约为12h。

3.2 数值模拟结果初步验证

3.2.1 压强指标验证曝气头内部流场

由曝气头内部流体压力场分析可知，在曝气头喉部孔附近由于结构发生突变，该结构附近的压力场梯度较大，负压效应最为明显，由于压力梯度较大使得测量难度剧增，因此本文选择压力检测样件内部结构中的A点作为压强检测点。利用3D打印快速成型工艺制作样件，使用真空压力表检测A点处的压强值，压力表量程为-0.1～0MPa。选用两种不同结构参数的曝气头，开展实验测量其A点附近的压强值并与模拟计算得到压强值进行对比，实验结果如表1所示。

由表中数据可知，2个不同结构参数的曝气头在A点位置处压力实测值与计算值的相对误差分别为-8.68%和-9.17%，误差绝对值均小于10%，可见，以压力值作为验证指标时模型的计算结果较好，误差在允许的范围内。

3.2.2 流量指标验证曝气头内部流场

选取验证指标为曝气头出口的流量，搭建试验台，利用串联管路来测量通过曝气头的流量，所用流量计为椭圆齿轮流量计，型号是CX-M12SS，量程为0.3～30L·min-1，精度为0.5%。采用3D打印成型工艺制作曝气头样件，曝气头结构参数d=6mm，c=30mm，进口压力设定为300kPa，出口压力为0，实验与仿真结果如表2所示。

由以上数据可以看出，计算得到的曝气头流量与实验值的最大相对误差为7.19%，相对误差平均值为4.91%，由此可见，仿真结果的误差在允许的范围内。为了使得曝气头的流量尽可能的增大，最佳的结构参数组合是湍流腔厚度为2mm、出口角度为6°以及出口个数为2个。

3.3 曝气头设计与3D打印

将计算得到的曝气头利用3D打印工艺进行快速成型制作，材料为光敏树脂，成型的样件如图6所示。

4 增氧灌溉管路曝气装置试验平台与应用

根据溶气释气法制备微纳米气泡原理，结合传感器的使用条件，设计了如图7所示的微气泡增氧试验平台原理图，主要包括2个部分：微纳米气泡发生模块、溶氧水DO（Dissolved Oxygen）值检测模块。

研制的增氧灌溉管路曝气装置作为水肥一体化智能设备中的增氧模块，开展水肥一体化技术与装备示范应用，智能设备在宁波农业科学研究院东钱湖基地开展示范应用，增氧效果明显，设备应用如图8所示。

5 结论

在不同喉部孔直径、湍流腔厚度、出口角度以及出口个数的条件下，研究其对曝气头内部负压区域、湍流强度区域以及流量大小的影响。在曝气头计算仿真基础上，得到最佳的结构参数组合，完成了微纳米气泡发生装置试验平台搭建，研制增氧灌溉管路曝气装置。

将计算得到的曝气头利用3D打印进行成型，在智能水肥一体化技术基础上，增加增氧灌溉管路曝气装置，完成了智能水肥气灌溉设备示范应用，该设备具有增氧效率高、体积小、曝气头可直接安装设备，形成封闭的灌溉管路系统，在增氧灌溉领域有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]张敏.加气灌溉条件下温室甜瓜生长效应的研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2011.

[2]Bagatur T.Evaluation of Plant Growth with Aerated Irrigation Water Using Venturi Pipe Part[J].Arabian Journal for Science and Engineering，2014，39（4）：2525-2533.

[3]张璇，牛文全，甲宗霞.根际通气量对盆栽番茄生长、蒸腾量及果实产量的影响[J].中国农学通报，2011，27（28）：286-290.

[4]Niu W， Guo Q， Zhou X， et al.Effect of Aeration and Soil Water Redistribution on the Air Permeability under Subsurface Drip Irrigation[J].Soil Science Society of America Journal，2012，76（3）：815.

[5]郭超，牛文全.根际通气对盆栽玉米生长与根系活力的影响[J].中国生态农业学报，2010，18（06）：1194-1198.

[6]王帘里，翟国亮.通气对土壤肥力质量影响的研究进展[J].中国农学通报，2016，32（05）：90-95.

[7]孙周平，郭志敏，王贺.根际通气性对马铃薯光合生理指标的影响[J].华北农学报，2008（03）：125-128.

[8]李胜利，齐子杰，王建辉，等.根际通气环境对盆栽黄瓜生长的影响[J].河南农业大学学报，2008（03）：280-282.

[9]Bhattarai S P， Midmore D J， Pendergast L. Yield， water-use efficiencies and root distribution of soybean， chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols[J]. Irrigation Science， 2008，26（5）：439-450.

[10]程峰，姚幫松，肖卫华，等.不同增氧滴灌方式对香芹生长特性的影响[J].灌溉排水学报，2016，35（03）：91-94.

（责任编辑 李媛媛）

收稿日期：2020-11-18

基金项目：宁波市科技局计划项目（项目编号：2017C10039）;中央引导地方科技发展专项资金项目（项目编号：2019C10103）

作者简介：徐璟（1979-），女，硕士，副教授。研究方向：智能控制和信息化等。