田 莉，李家春，趙先鋒，張 雷，王永濤，陳躍威

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽 550002；3.貴州東峰自動化科技有限公司，貴陽 550025)

0 引言

液體肥料是一類廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的肥料，具有生產(chǎn)成本低、施加方便、作物易吸收及促進作物增產(chǎn)的效果[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)達國家的液體肥料已經(jīng)普及到40%左右，如美、英、德、荷蘭、墨西哥等國家均在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用各種液體肥料[2]。在以色列，田間幾乎百分百施用液體肥料。水肥一體化技術(shù)通過壓力系統(tǒng)將N、P、K等類型單元素液體肥料進行定量定比水肥混合，通過灌溉管網(wǎng)進行作物灌溉，能夠?qū)喔人亢褪┓柿窟M行有效控制，提高水肥利用率[3]。水肥一體化是一種讓肥料高效發(fā)揮作用的施肥方法，適用于所有作物，越來越多的種植戶已認識到液體肥料灌溉比直接撒施顆粒肥效果好。

目前，我國在作物固態(tài)肥料的按需施用方面研究居多[4-5]。針對水肥一體化灌溉的發(fā)展趨勢，本文對水肥一體化施肥機關(guān)鍵部件—吸肥系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對吸肥通道的變量吸肥展開研究，運用FloEFD對吸肥系統(tǒng)吸肥性能進行仿真分析，通過田間試驗驗證其可行性，為水肥一體化自動施肥機的研究提供了參考依據(jù)。

1 吸肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 三通道吸肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三通道吸肥系統(tǒng)在現(xiàn)有射流器的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。此裝置主要由進水口、射流器吸肥口和水肥混合液出口3部分組成。射流器通過PVC變徑三通、PVC管與進水口、水肥混合液出口相連，構(gòu)造完整吸肥系統(tǒng)模式，布置的3個射流器可以實現(xiàn)同時對3種不同類型單元素液體肥料的吸取[6]。

射流器選用標準型號SSQ-200，參數(shù)均在國家標準范圍內(nèi)，進、出口內(nèi)徑為25mm，吸肥口內(nèi)徑為9mm。依據(jù)射流器的規(guī)格尺寸，選用PVC變徑三通40mm×25mm。

吸肥系統(tǒng)工作運行時，施肥機在水泵動力作用下進水口有恒壓水流入，水流流經(jīng)射流器噴嘴漸縮段處，隨橫截面積的減小，水流壓強增大，水流速度也隨之增大。根據(jù)射流器的工作原理，吸入室產(chǎn)生的真空負壓與外界氣壓形成壓差，利用壓強差將單元素液體肥料從與射流器吸肥口吸入吸肥系統(tǒng)，與水進行充分混合經(jīng)水肥混合液出口排出。

1.2 射流器吸肥原理

射流器普遍應(yīng)用于小型灌區(qū)灌溉中，具有操作方便、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、無運動部件、無需有壓容器存放藥液及施肥濃度穩(wěn)定等特點。通過對射流器的并聯(lián)可實現(xiàn)比例施肥，得到了較廣泛的應(yīng)用。射流器主要由噴嘴、吸入室、喉管及擴散管等組成射流器型號SSQ-200,如圖2所示。

1.吸入室 2.噴嘴 3.喉管 4.擴散管

射流器工作原理：當(dāng)具有一定壓力的水流由噴嘴處以一定速度噴出時，此過程中水流流經(jīng)的管徑減小，水流流速增大，將壓力能轉(zhuǎn)為動能，使吸入室壓力降低產(chǎn)生真空，低壓流體在吸入室被吸入[7]；兩股流體在喉管處充分混合，并進行分子擴散和能量交換，速度達到均衡狀態(tài)；混合流體達到擴散管處，水流流速降低壓力增大，流體以一定壓力輸出。

射流器吸取肥液的流量q為[8]

(1)

式中A—射流器吸肥口截面積(Pa)；

h—施肥罐液面到射流器的垂直距離，在上時取負，在下時取正；

p2—射流器噴嘴處壓強(Pa)；

γ—液體肥料的密度。

根據(jù)伯努利方程，p2可表示為

(2)

式中p2—射流器噴嘴處壓強(Pa)；

p1—射流器進口壓強(Pa)；

?1—射流器進水口處橫截面積(m2)；

?2—射流器噴嘴處橫截面積(m2)；

γ′—水的密度(N/m3)；

O′—進水口流量(m3/s)。

將式(2)代入式(1)得

(3)

根據(jù)公式(3)可知：影響射流器液肥對吸入量的因素有水流量O′、進口壓力p1、射流器進水口橫截面積?1、噴嘴橫截面積?2及吸肥口截面積A。

1.3 吸肥系統(tǒng)運行原理

施肥機旁路助肥系統(tǒng)試驗原理如圖3所示。

1.上主管道壓力表 2.射流器 3.浮子流量計 4.單元素肥液罐 5.下主管道壓力表 6.水肥混合液出口 7.加壓泵

系統(tǒng)運行時，啟動射流器吸肥工作的工作壓差由加壓泵提供，加壓泵連接在吸肥系統(tǒng)上主管道入口處，達到為上端多孔管提供恒壓水源的要求；有壓水源流經(jīng)射流器時，使吸入室的壓力降低產(chǎn)生真空，完成吸肥過程。三射流器并聯(lián)可實現(xiàn)同時對3種液體肥料的吸取，水肥混合液由下主管道出口輸出，通過鋪設(shè)的灌溉管網(wǎng)進行作物水肥一體化灌溉[9]。

2 基于FloEFD吸肥系統(tǒng)仿真分析

運用計算流體動力學(xué)軟件FloEFD進行吸肥系統(tǒng)仿真分析，以進一步掌握內(nèi)部流場情況。FloEFD是一款無縫集成在SolidWorks中功能齊全的通用CFD工具，還有無縫集成在Inventor、SolidEdge及其他主流MCAD系統(tǒng)的獨立版本[10]。運用此軟件對混肥系統(tǒng)注水口、吸肥口及水肥混合液出口進行邊界條件設(shè)定后進行流體仿真分析，可以比較直觀地模擬混肥系統(tǒng)中速度流向、速度及壓強等參數(shù)的變化情況。

2.1 網(wǎng)格生成

為了加快模型流場分析的效率，在不影響準確性的前提下，將SolidWorks三維建模的吸肥系統(tǒng)簡化后進行網(wǎng)格劃分，計算區(qū)域選擇整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11]。坐標原點取在注水口斷面圓心處，x軸為沿上主管道流動正方向，y軸為沿pvc管流動負方向，z軸為沿射流器吸肥口流動負方向。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，在管道分岔處進行局部網(wǎng)格加密，采用粘合性較好的四面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)443 309，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 吸肥系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件的設(shè)定

旁路助肥式吸肥系統(tǒng)中，設(shè)定三通道吸肥系統(tǒng)吸肥口邊界條件均設(shè)定為大氣環(huán)境壓力101 325Pa；

注水口為該系統(tǒng)的動力源，壓力設(shè)定從0.5MPa開始，以0.02MPa梯度增大或減??；水肥混合出口邊界條件設(shè)定從0.1MPa開始，以0.02MPa梯度增大或減小[12]，共設(shè)置5組邊界方案。

仿真分析邊界方案參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真分析邊界方案參數(shù)設(shè)定

2.3 仿真結(jié)果分析

運用FloEFD通過對三通道吸肥系統(tǒng)5種邊界條件進行仿真對比分析，如表2所示。

取邊界條件進口壓力0.5MPa、出口壓力0.1MPa為例進行展示。吸肥系統(tǒng)壓強、速度流動跡線圖如圖5所示，射流器靜壓、速度切面圖如圖6所示。

由圖5可以看出：三通道吸肥系統(tǒng)進口壓力0.5MPa、吸肥口1個大氣壓、出口壓力0.1MPa時，吸肥通道能夠完成吸肥工作，且實現(xiàn)與注水口水源的混合及輸出效果，滿足設(shè)計要求。吸肥系統(tǒng)上主管道壓強高于下主管道，從而使射流器進出口產(chǎn)生壓差，符合射流器的吸肥工作原理，實現(xiàn)了三吸肥通道的吸肥設(shè)計要求。

由圖6可以看出：流體在射流器噴嘴處壓力出現(xiàn)最小值，速度達到最大值，驗證了伯努利方程，符合射流器吸肥工作原理。

表2 各通道仿真數(shù)值

“+”表示液體肥料或灌溉水進入吸肥系統(tǒng)；“-”表示液體肥料或灌溉水輸出吸肥系統(tǒng)。

圖5 吸肥系統(tǒng)壓強、速度流動跡線圖

圖6 射流器靜壓、速度切面圖

3 吸肥通道變量吸肥控制器設(shè)計

基于以上對吸肥系統(tǒng)最大吸肥量的仿真分析，在仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對實現(xiàn)固定時間段內(nèi)不同吸肥通道變量吸肥進行控制設(shè)計[13]。首先，在三射流器吸肥口進行吸肥通道的設(shè)計，吸肥通道上設(shè)置手動閥調(diào)節(jié)流量；浮子流量計對吸肥通道進行流量顯示；采用電動閥實現(xiàn)對各通道的變量吸肥控制。為實現(xiàn)對電動閥的啟閉控制，選用西門子PLC S7-200及STEP7- Micro/WIN對其編程，選用MCGS觸摸屏與PLC進行通訊操作?？刂撇糠秩鐖D7所示。

圖7 控制器圖

依據(jù)常閉型電動閥在斷電時閥門處于關(guān)閉狀態(tài)這一特性，通過脈沖分配的方式控制電動閥的啟閉，完成各通道對不同類型單元素液肥的變量吸取。將整個施肥時間段依據(jù)實際需求等分成多個脈沖時間段，設(shè)整個施肥時間段長為T，電動閥的開啟一次時間為t，電動閥關(guān)閉一次時間為t′，則(t+t′)組成電動閥1個啟閉周期,得整個施肥時間段T內(nèi)電動閥啟動總次數(shù)為T/(t+t′)。

實際施肥時間段內(nèi)，各通道吸肥量Q公式為

Q=q·t·n

(4)

式中Q—各通道吸肥量(m3)；

q—試驗中浮子流量計顯示各通道吸肥流量(m3/s)；

t—1個脈沖電動閥開啟的時間(s)；

n—實際施肥時間段內(nèi)，控制器對各通道電動閥的啟動次數(shù)。

依據(jù)作物不同類型液體肥料的需肥量，通過對各通道電磁的啟閉進行不同的脈沖分配，就可以實現(xiàn)對各通道的變量吸肥。不同脈沖分配如圖8所示。

圖8 不同脈沖分配圖

4 性能試驗

4.1 試驗設(shè)計

根據(jù)三維模型各部件標準規(guī)格參數(shù)進行設(shè)備選型及施肥機樣機搭建，進一步對吸肥系統(tǒng)進行性能試驗。于2018年4月25日在貴州大學(xué)機械工程學(xué)院實驗基地依托其基礎(chǔ)條件，進行吸肥性能試驗，如圖9所示。試驗中注水口壓力0.5MPa，出口壓力0.1MPa，吸肥口為大氣壓力。

圖9 試驗現(xiàn)場圖

首先，對吸肥系統(tǒng)各通道最大吸肥量進行試驗。試驗時，在啟動電源總開關(guān)和水泵之后，需控制三吸肥通道上安裝的電動閥處于開啟狀態(tài)，手動閥調(diào)至全開狀態(tài)，待三通道浮子均穩(wěn)定后讀數(shù)據(jù)。其次，運用PLC進行定量吸肥的程序設(shè)計，運用控制器控制電磁閥的不同開度，對各吸肥通道進行變量吸肥試驗。

4.2 試驗結(jié)果與分析

試驗中記錄各通道流量數(shù)據(jù)，重復(fù)測量4次，取平均值作為最大吸肥量最終結(jié)果[14]。試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 吸肥通道吸肥量數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計表

由表3可以看出：各通道吸肥量誤差、吸肥系統(tǒng)三通道吸肥量實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)施肥精度最高可達98.1%，各通道對單素液肥吸取精度較高。試驗中，通過控制器控制電動閥不同開度，各通道達到對不同類型單元素液肥定量吸取的效果。

5 結(jié)論

1)應(yīng)用SolidWorks設(shè)計了基于射流器并聯(lián)的三通道旁路助肥式吸肥系統(tǒng)，并應(yīng)用FloEFD進行吸肥系統(tǒng)流場分析，獲得了三通道旁路助肥式自動施肥機吸肥系統(tǒng)的流場參數(shù)及可視化圖像。

2)仿真分析結(jié)果表明：吸肥系統(tǒng)的吸肥量與進水口壓力正相關(guān)，與出口壓力負相關(guān)，且吸肥量隨進出口壓差的增大而增大。通過仿真分析，驗證了射流器的吸肥工作原理。

3)針對注水口壓力0.5MPa、出口壓力0.1MPa、吸肥口為大氣壓力的邊界條件進行吸肥性能試驗。試驗表明：三通道吸肥系統(tǒng)能夠滿足對3種不同類型單元素液肥肥料的吸取要求，吸肥精度可達98.1%，

4)試驗中，以由西門子PLC S7-200、STEP7- Micro/WIN及MCGS觸摸屏等組成的控制器系統(tǒng)，結(jié)合吸肥通道浮子流量計、手動閥及電動閥機械部件實現(xiàn)了各吸肥通道的變量吸肥。