不同管路布置下文丘里吸肥器吸肥性能试验研究

2023-11-22谢碧洪萧金瑞黄良杰吴康晴

安徽农学通报 2023年19期

谢碧洪萧金瑞徐乔黄良杰宋坤吴康晴

（1罗定职业技术学院机电工程系，广东罗定 527200；2广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006；3广州大学广东省水肥高效利用及太阳能智能灌溉工程技术研究中心，广东广州 510006）

发展高效智能农业将有助于推进农业产业化、工业化的进程。水肥一体化是节水灌溉施肥技术的主要内容之一，其在节水、节肥、省工、环保等方面优势突出。良好的灌溉施肥系统将大大提高生产效率，提高产品品质，降低管理成本[1]，作为灌溉、施肥等农业生产过程中必不可少的设备，常用施肥装置有压差式施肥罐、文丘里吸肥器、水力驱动式施肥泵和电动注肥泵[2]等，其中文丘里吸肥器因结构简单、操作方便、不需动力，使用十分广泛[3]。

相关学者对文丘里吸肥器进行了大量研究，取得了丰富成果：王海涛[4]分析了文丘里吸肥器的结构参数优化，针对水力性能、压力损耗及空化特性等综合性能开展试验和模拟研究；刘永华等[5]考虑了施肥装置和管道系统的沿程损失，应用CFD 数值计算对文丘里吸肥器的渐缩角α、渐扩角β、喉径d0 等影响系统吸肥性能的关键核心部件进行了单因素性能优化设计，得出了3 个主要结构参数对吸肥性能的影响规律；程千等[6]探讨了空化对施肥器性能产生影响的原因，并对其内部流动能量消耗机制进行了揭示；谢冬辉[7]对不同内部流场结构的文丘里施肥器进行了相关测试，对施肥器性能受不同喉管结构及调控方式的影响进行了探究；张建阔等[8]在基于CFD数值模拟方法得到符合低压灌溉系统的文丘里施肥器结构参数的基础上，试制出一种用于优化结构参数研究吸肥性能的文丘施肥器样品；王振华等[9]研究了非对称文丘里施肥器的扩散段结构吸肥问题。

然而，目前针对管路布置对文丘里吸肥器吸肥效果影响的研究涉及较少，基于此，为了探究管路布置对文丘里吸肥器吸肥效果的影响，本研究对单、双以及三通路下文丘里吸肥器吸肥效果进行试验测试和分析，以期为文丘里吸肥器管路布置和吸肥效果评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 文丘里吸肥器及工作原理

压力型灌溉装备对水力压力和流量变化敏感性低，但在灌溉进行时，施肥浓度会变小，造成灌溉施肥浓度不稳定。根据一般灌溉工程实际，从节省灌溉成本的角度出发，水肥一体化灌溉中多数采用结构中心对称的文丘里灌溉装备，如图1 所示。该装备的原理：水流通过文丘里喉管，该管路先从大变小后从小变大，当水流通过较窄部位时，水流速度会变快，而水压会下降，这样就形成了压力差，当喉部有较小的管径入口时，会产生负压，可通过较小的管径细管从一个敞口的肥料罐中吸取肥料溶液。

图1 文丘里结构示意

中心对称结构文丘里灌溉器进出口口径为D、文丘里管喉管口径为d、进口锥角大小为α，出口的锥角大小为β，吸肥管道的直径为d1。由水力学基本原理可知，结构上吸肥流的大小，主要受喉部产生的负压大小影响，吸肥管的管径也有影响，但影响较小可忽略不计，一般要求吸肥口断面比吸肥管管径面积更大。

1.2 试验准备

为研究多级并联文丘里管吸肥系统的性能，选用目前应用广泛的中心对称文丘管（centralcomplex）。为满足农业灌溉要求，根据植物生长需要，需适时适量灌溉氮、磷、钾肥，采用文丘里管灌溉器3种同型号灌溉器。本次试验是对多级并联文丘里灌溉器工况和性能的研究，在主供水管内串联安装了3根并联的文丘里管，再将管道全部采用PVC管连接，管道内径均为12.5 mm，并联3 根文丘里管安装在并联文丘里提灌器的进出口水管上，将3 个中心对称型文丘里吸肥器A、B、C并联安装于试验装置中，并使L1=L2=L3=30 cm。主管采用内径为12.5 mm的PVC给水管，并在入口和出口处分别安装压力表，检测进出口压力，图2为文丘里吸肥试验装置示意。文丘里吸肥器物理参数为：进出口直径12.5 mm，支管直径4.5 mm，入口锥角40°，出口锥角20°，流量0.29～0.81 m3/h，工作压强0.7～9.5 Bar，在其吸肥支管上安装流量计和流速表，以测量各吸肥器的吸肥流量。玻璃浮子流量计垂直安装在文丘里提灌器的吸肥支管上，遵循优先过流原则和水头损失较小的原则，最短的管径和最少的标准管件被用在并联文丘里管线的设计中。实验用水采用进出口循环供水设计。

图2 文丘里吸肥试验装置示意

1.3 试验方法

试验通过主管道进水口处的阀门开度控制进水口处压力，进水口处压力设为5～65 kPa，间隔5 kPa，共12个压力值。通过控制a、b、c三个阀门的开闭，实现各文丘里吸肥器吸肥支管的导通与关闭。分别测量单通路、双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处压力，各吸肥支管阀门开闭情况见表1。在试验中使用自来水模拟肥液，所有测试数据均在进出口压力稳定3 min 后读取，重复测量3次并其取平均值。

表1 管道通路数量与文丘里吸肥器开闭情况

2 结果与分析

2.1 单通路导通吸肥效果

主管道进水口压力记为P1，文丘里吸肥器A、B、C 吸肥流量分别记为Qa1、Qb1、Qc1，所对应主管道出水口的压力记为Pa1、Pb1、Pc1。由图3可知，各文丘里吸肥器的吸肥流量随着主管道进水口压力的增大而逐渐增大，且在试验压力范围内，Qc1大于Qa1和Qb1。当入口压力小于25 kPa 时，Qa1大于Qb1，反之则Qa1小于Qb1。可见，入口压力会影响各吸肥器的吸肥流量，同时各吸肥器的吸肥流量还与其所处位置有关。从试验装置看，吸肥器B和C侧分流大，主管道大部分水往B、C 侧流动，并在吸肥器C 入口处因水流突然转向形成湍流加速区。

图3 进水口压力与各单通路吸肥流量关系

图4 进水口压力与出水口压力关系

由伯努利连续方程可得文丘里吸肥器喉管处压强与液体介质流速的关系：

式中，P为文丘里吸肥器喉管处的压强，C为常数，ρ为液体介质的密度，υ为液体介质的流速，g为重力加速度，h为液体介质所处的水头高度。

由式（1）可知，吸肥器C 入口处流速增加，使其对应的文丘里喉管处压强下降，所产生的负压更大，因而吸肥支管的吸力更强，吸肥流量也更大。

由图可知，随着进水口压力的增大，各单通路吸肥压力损失十分接近，且进水口压力越大，水头损失越大。结合图3～4可知，文丘里吸肥器的吸肥流量及装置出口压力随装置入口压力的变化规律近似一致。同时，随入口压力的增加，文丘里吸肥器C的吸肥支管最先导通吸肥，所需的进水口压力最小，A次之，B最大。与距离主管道30 cm的文丘里吸肥器A和B相比，距离主水管60 cm的文丘里吸肥器C吸肥效果更好。

2.2 双通路导通吸肥效果

在文丘里吸肥器A、B 导通条件下，吸肥流量分别记为Qa2、Qb2，试验结果如图5 所示。文丘里吸肥器A、B 的吸肥流量均随入口压力的增加而逐渐增大，且文丘里吸肥器A 比文丘里吸肥器B 先导通吸肥。当入口压力大于20 kPa 时，两吸肥器的吸肥流量具有较好的线性关系，且呈近似平行状态。受管道拐角流体冲击作用，文丘里吸肥器A 喉管处流速高于B，所形成的真空吸力也比B大，故其吸肥流量也较大。

图5 文丘里吸肥器A、B吸肥流量随入口压力的变化

在双通路文丘里吸肥器A、C 吸肥条件下，吸肥流量分别记为Qa2、Qc2，试验结果如图6所示。由图6可知，文丘里吸肥器C吸肥支管先导通吸肥，随着进水口压力的增加，两文丘里吸肥器A 与C 的吸肥流量也逐渐增加，且在试验压力范围内，Qc2始终大于Qa2。由此可见，距离主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 比距离主管道6.5 cm 的文丘里吸肥器A 先吸肥，且吸肥流量更大。

图6 进水口压力与双通路文丘里吸肥器A、C吸肥流量关系

在双通路文丘里吸肥器B、C 吸肥状态下，试验结果如图7 所示，其中文丘里吸肥器B、C 吸肥流量分别记为Qb2、Qc2。从图7 可知，位于边缘且距主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 吸肥支管先导通吸肥，在试验压力范围内，随着进水口压力的增大，文丘里吸肥器C 的吸肥流量逐渐增加，而文丘里吸肥器B的吸肥流量先增加后趋于稳定，且始终存在Qc2＞Qb2。由此可见，位于主管道同侧的文丘里吸肥器B、C，其中距离主管道较远的文丘里吸肥器C有较好的吸肥效果。

图7 进水口压力与双通路文丘里吸肥器B、C吸肥流量关系

2.3 三通路吸肥效果

在三通路文丘里吸肥器A、B、C 吸肥状态下，试验结果如图8 所示，记文丘里吸肥器A、B、C 吸肥流量分别为Qa3、Qb3、Qc3。由图8 可知，随着进水口压力的增加，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随着进水口压力的增加而增加，并在进水口压力大于0.02 MPa 时，有Qc3＞Qb1＞Qa1。由此可见，随着进水口压力的增加，距离主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 与A、B 相比有较大的吸肥流量，文丘里吸肥器A虽最先吸肥，但随着压力的增加，其吸肥流量小于文丘里吸肥器B、C。