于暢暢，王慶杰，何 進(jìn)，李洪文，盧彩云，劉正道

播種期液態(tài)肥精量深施系統(tǒng)噴肥裝置研制

于暢暢，王慶杰※，何 進(jìn)，李洪文，盧彩云，劉正道

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對播種期液態(tài)肥精量深施的技術(shù)需求，該文提出一種液態(tài)肥對耙點(diǎn)施系統(tǒng)，并針對噴出的液態(tài)肥需滿足較佳集束性和施肥量等要求，設(shè)計(jì)一種液態(tài)噴肥裝置。在Fluent軟件中建立錐直型、圓錐型和圓柱型三種不同形狀噴嘴的流體仿真模型，對噴嘴的非淹沒射流過程進(jìn)行仿真，分析了不同噴嘴噴出的液態(tài)肥速度和總壓的變化，得出不同噴嘴的集束性能，確定了圓錐型為最佳噴嘴形狀。選用圓錐型噴嘴，以施肥量為評價指標(biāo)，以液泵壓力和噴嘴直徑為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)了二因素五水平全因子試驗(yàn)，建立施肥量與液泵壓力、噴嘴直徑之間的回歸方程。仿真結(jié)果表明，液泵壓力和噴嘴直徑對噴肥裝置的施肥量影響顯著（<0.01），其中，噴嘴直徑對施肥量的影響程度更大；臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際試驗(yàn)施肥量與仿真結(jié)果變化趨勢一致，施肥量試驗(yàn)值與修正后的回歸方程預(yù)測值整體平均誤差為1.62%，基本滿足施肥量要求。該研究為種期液態(tài)肥精量深施的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；噴嘴；液態(tài)肥；精量深施；仿真；試驗(yàn)

0 引 言

近年來，液態(tài)肥在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，相比于固態(tài)肥，具有便于吸收、肥效利用率高、生產(chǎn)費(fèi)用低、環(huán)境污染小及改善糧食品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

液態(tài)肥的施用方式主要有滴灌、噴灑、條施與穴施[2]。對于液態(tài)肥條施，國內(nèi)外已有相關(guān)研究[3-6]，條施時，采用開溝器開溝，將液態(tài)肥施用到溝內(nèi)，并通過覆土器覆土，實(shí)現(xiàn)將液態(tài)肥施用到一定深度的土壤內(nèi)，能有效減少液態(tài)肥的揮發(fā)，但存在施肥量大、利用率低、污染環(huán)境等問題。液態(tài)肥穴施是利用施肥機(jī)具將液態(tài)肥施用到每顆作物根部附近土壤內(nèi)，可有效提高肥料利用率、促進(jìn)作物吸收、減少環(huán)境污染。對于液態(tài)肥穴施，Womac等[7]設(shè)計(jì)一種曲柄滑塊式深施液態(tài)肥裝置，通過曲柄的周期性轉(zhuǎn)動，帶動注射針完成入土噴肥、出土停噴的穴施功能；Da Silva等[8]采用凸輪-曲柄搖桿組合機(jī)構(gòu)作為穴施機(jī)械的驅(qū)動部件，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)噴肥性能，該機(jī)構(gòu)主要針對甘蔗作物進(jìn)行施肥；馮金龍等[9]研發(fā)的1YJ-140深施型液態(tài)穴施肥機(jī)采用曲柄搖桿式扎穴機(jī)構(gòu)，通過連桿的間歇式動作，實(shí)現(xiàn)噴肥針出入土，并通過噴液自控閥完成液態(tài)肥入土噴施，出土停噴功能。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)王金武團(tuán)隊(duì)研究了全橢圓齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)、貝塞爾齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)、變形齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)、三次拉格朗日曲線行星系扎穴機(jī)構(gòu)、非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)和卵形-全正圓齒輪行星系變速扎穴機(jī)構(gòu)[10-15]，建立了機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，分析了噴肥針工作軌跡，并設(shè)計(jì)了仿真與優(yōu)化軟件，獲得較優(yōu)的作業(yè)效果。上述研究中，液態(tài)肥穴施能實(shí)現(xiàn)對每顆植株的精準(zhǔn)施肥，顯著提高了液態(tài)肥利用率，減少了環(huán)境污染，但多應(yīng)用于苗期或作物生長中期。研究表明[16-17]，當(dāng)播種時在每粒種子周圍施用一定量的專用液態(tài)肥，能促進(jìn)種子在出牙和生長初期獲得充足的營養(yǎng)成分，苗期生長好的植株更能獲得高產(chǎn)、增收的效果。因此，研究播種期液態(tài)肥精量深施具有重要意義。

針對播種期液態(tài)肥精量深施的技術(shù)需求，本文提出一種液態(tài)肥對耙點(diǎn)施系統(tǒng)，并針對噴出的液態(tài)肥需滿足較佳集束性和施肥量等要求，設(shè)計(jì)一種液態(tài)噴肥裝置。采用CFD方法研究不同形狀噴嘴對液態(tài)肥噴施效果的影響；選取噴施效果最佳的噴嘴形狀，進(jìn)行噴肥裝置的性能仿真試驗(yàn)，得到施肥量與主要影響因素之間的回歸方程，并進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為播種期液態(tài)肥精量深施技術(shù)地進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

1 液態(tài)肥對耙點(diǎn)施系統(tǒng)組成與工作原理

播種期液態(tài)肥精量深施指配套已有的玉米精量播種機(jī)，當(dāng)玉米精量播種機(jī)每播種1粒種子時，通過施肥裝置在播下的種子附近施用一定量的液態(tài)肥，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，減少肥料浪費(fèi)，作業(yè)示意圖如圖1所示；另外，液態(tài)肥料施用在種溝內(nèi)，施肥后通過覆土器覆蓋一定厚度的土壤，不與空氣接觸，減少液態(tài)肥的揮發(fā)和對環(huán)境的污染。

本文提出的與玉米精量播種機(jī)配套的液態(tài)肥對靶點(diǎn)施系統(tǒng)主要由測控系統(tǒng)、供肥系統(tǒng)和開溝施肥系統(tǒng)組成，如圖2所示。測控系統(tǒng)主要由速度傳感器、紅外傳感器、控制器、固態(tài)繼電器和電磁開關(guān)閥組成，紅外傳感器安裝在排種管內(nèi)并距離地面有一定高度，通過紅外傳感器、速度傳感器獲得種子下落和機(jī)具前進(jìn)速度信號，當(dāng)排種管內(nèi)有種子下落時，控制器對獲取的信號進(jìn)行運(yùn)算處理，得到最佳噴肥時機(jī)并通過固態(tài)繼電器控制電磁開關(guān)閥開啟，當(dāng)排種管內(nèi)無種子下落時，電磁開關(guān)閥閉合；供肥系統(tǒng)主要由肥箱、隔膜泵、溢流閥、壓力表和壓力緩沖罐等組成，為整個系統(tǒng)提供具有持續(xù)、穩(wěn)定壓力的液態(tài)肥；開溝施肥系統(tǒng)主要由噴肥裝置和開溝裝置等組成，開溝裝置用于為種子生長提供平整的種床，并且使液態(tài)肥施用在種床上，噴肥裝置根據(jù)種子的下落信息完成間歇性噴肥，實(shí)現(xiàn)播種與施肥的同步。

圖2 液態(tài)肥對靶點(diǎn)施系統(tǒng)組成

具體工作過程為：正常作業(yè)時主要包括實(shí)時監(jiān)測和噴肥兩個階段，當(dāng)工作在實(shí)時監(jiān)測階段時，測控系統(tǒng)中的速度傳感器實(shí)時采集機(jī)具前進(jìn)速度，紅外傳感器實(shí)時監(jiān)測排種管中是否有玉米種子下落，當(dāng)有玉米種子下落時，系統(tǒng)進(jìn)入噴肥階段，根據(jù)采集到的機(jī)具前進(jìn)速度，控制器運(yùn)算處理得到最佳噴肥時機(jī)，并通過固態(tài)繼電器控制電磁開關(guān)閥開啟，供肥系統(tǒng)中的高壓液態(tài)肥經(jīng)肥管進(jìn)入噴肥裝置，經(jīng)噴肥裝置噴射到種床上并準(zhǔn)確地落在種子附近，并通過玉米精量播種機(jī)的覆土器將施用在種床上的液態(tài)肥覆蓋一定厚度的土壤；當(dāng)出現(xiàn)漏播等狀況，即無玉米種子下落時，測控系統(tǒng)會一直保持在實(shí)時監(jiān)測階段，從而保證只有在有玉米種子落下時才會施肥，實(shí)現(xiàn)玉米播種時的液態(tài)肥對靶點(diǎn)施。

2 噴肥裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

開溝施肥裝置對液態(tài)肥對靶點(diǎn)施系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)間歇性噴肥、減少液態(tài)肥揮發(fā)、提高肥料利用率具有重要意義。開溝施肥裝置的設(shè)計(jì)要滿足3個功能：一是能開出一定深度的種溝，將液態(tài)肥噴施到種床上；二是噴射過程集束性較好，減少液柱的發(fā)散和霧化，以減少液態(tài)肥的揮發(fā)，降低對環(huán)境的污染；三是在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到作物要求的施肥量。開溝裝置采用現(xiàn)有玉米精量播種機(jī)上的雙圓盤開溝器，能實(shí)現(xiàn)開出一定深度種溝的功能。因此，噴肥裝置的集束性和施肥量性能是本文的研究重點(diǎn)。

2.1 噴肥裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述功能要求，設(shè)計(jì)了噴肥裝置，主要包括閥座、閥體、閥芯、調(diào)壓彈簧和噴嘴，如圖3所示。閥座一端加工有螺紋，用于安裝肥管，另一端通過螺紋連接安裝在閥體上；閥芯安裝在閥體內(nèi)，一端與閥座相連，兩者接觸配合，另一端套裝在調(diào)壓彈簧上，閥芯與調(diào)壓彈簧構(gòu)成壓力開關(guān)，在液肥壓力和調(diào)壓彈簧的作用下，閥芯能在閥體內(nèi)上下移動，實(shí)現(xiàn)閥芯與閥座的接觸與分離；噴嘴通過螺紋連接安裝在閥體上，其上端留有1 mm深的圓柱形缺口，用來固定調(diào)壓彈簧的位置，通過調(diào)節(jié)噴嘴旋入閥體的長度改變調(diào)壓彈簧的初始形變量，從而改變閥芯與閥座之間的接觸壓力，閥芯與閥座之間的接觸壓力能始終保持噴肥裝置與電磁開關(guān)閥之間的液態(tài)肥具有一定壓力，當(dāng)電磁開關(guān)閥開啟時噴肥裝置能快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在短時間內(nèi)達(dá)到作物要求的施肥量。

1.閥體 2. 調(diào)壓彈簧 3. 閥座 4. 閥芯 5. 噴嘴

2.2 噴肥裝置工作原理

噴肥裝置工作時主要分為開啟和閉合2個狀態(tài)，通過閥芯與閥座的接觸與分離，實(shí)現(xiàn)噴肥裝置開啟或關(guān)閉。

在正常工作前，通過調(diào)節(jié)噴嘴旋入閥體的長度，改變調(diào)壓彈簧的壓縮量，從而設(shè)定閥芯與閥座之間的初始接觸壓力，一般設(shè)定初始接觸壓力小于液泵壓力。正常工作時，當(dāng)電磁開關(guān)閥關(guān)閉時，噴肥裝置與電磁開關(guān)閥之間的液態(tài)肥壓力小于噴肥裝置的初始接觸壓力，噴肥裝置處于閉合狀態(tài)，如圖4a所示，此時閥芯與閥座在調(diào)壓彈簧的作用下相互接觸，閥芯將噴肥裝置分為低壓液態(tài)肥區(qū)和低壓大氣區(qū)，閥芯上部是具有一定壓力但小于噴肥裝置初始接觸壓力的液態(tài)肥，閥芯下部與大氣相連；當(dāng)測控系統(tǒng)中的電磁開關(guān)閥開啟時，閥芯上部液態(tài)肥壓力大于閥芯與閥座之間的初始接觸壓力，噴肥裝置處于開啟狀態(tài)，如圖4b所示，此時閥芯與閥座分離，噴肥裝置內(nèi)部均為高壓液態(tài)肥區(qū)，且液態(tài)肥壓力越大，調(diào)壓彈簧的壓縮量越大，閥芯與閥座之間的間隙越大，閥芯上端的高壓液態(tài)肥經(jīng)閥芯與閥座之間的空隙進(jìn)入閥體，并通過調(diào)壓彈簧的空隙進(jìn)入噴嘴，最后從噴嘴噴出；當(dāng)噴出液態(tài)肥達(dá)到一定量時，測控系統(tǒng)中的電磁開關(guān)閥關(guān)閉，閥體上端的液態(tài)肥壓力下降，當(dāng)下降到小于閥芯、閥座之間的初始接觸壓力時，閥芯在調(diào)壓彈簧的作用下向上運(yùn)動，并與閥座接觸，使噴肥裝置閉合，從而實(shí)現(xiàn)間斷性地噴出一定量液態(tài)肥的作業(yè)過程。

注：Ph為高壓液態(tài)肥區(qū)；Pl為低壓液態(tài)肥區(qū)；Pg為低壓大氣區(qū)。

2.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)施肥量和肥管安裝的要求，噴肥裝置主要尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果為：閥座與閥體外徑16 mm，裝配后總長度45 mm，閥座上方螺紋孔直徑10 mm，下方通孔直徑5 mm，閥體內(nèi)部螺紋孔直徑12 mm；調(diào)壓彈簧外徑6 mm，線徑0.6 mm；閥芯總長8 mm，下方圓柱直徑4 mm，上方圓柱直徑7 mm，頂端倒角45°，長度1 mm；噴嘴總長16 mm，其中上方外螺紋直徑12 mm，長度12 mm。

3 噴嘴形狀對噴肥集束性影響的仿真與分析

集束性用來描述噴嘴近流場噴射液柱成束性的好壞。為了減少液柱的發(fā)散和霧化，達(dá)到減少液態(tài)肥揮發(fā)、降低對環(huán)境污染的目的，要求噴肥裝置噴出的液態(tài)肥集束性要好。噴嘴的幾何形狀是影響噴肥裝置集束性能的主要因素，常用的噴嘴形狀有圓錐型、圓柱型和錐直型[18]，如圖5所示。由于不同噴嘴形狀存在截面突變等，使得噴出的流體速度、壓力分布等不同，造成不同形狀噴嘴的流體噴射效果不同。CFD方法已廣泛應(yīng)用于流體、傳熱應(yīng)用中[19-24]，為了獲得集束性能較佳的噴嘴形狀，本文在Fluent軟件中對3種不同形狀的噴嘴進(jìn)行數(shù)值仿真。

注：D為進(jìn)口直徑，mm；d為出口直徑，mm；γ為收縮角，(°)；c為圓柱段長度，mm；L為噴嘴總長度，mm。

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

在使用Fluent仿真時，為了更好地模擬噴嘴在非淹沒條件下的噴射效果，在噴嘴噴出的區(qū)域需建立外部空間環(huán)境區(qū)域，因此幾何模型包括噴嘴內(nèi)部流體區(qū)域和外部空間環(huán)境區(qū)域[25]。由于整個幾何模型是軸對稱的，為減少計(jì)算量，提高仿真效率，本文采用二維幾何建模，并以噴嘴的二分之一作為計(jì)算區(qū)域。以圓錐型噴嘴為例，利用ANSYS Design Modeler建立噴嘴射流計(jì)算區(qū)域的二維幾何模型，如圖6所示。

1.入口邊界 2.內(nèi)部流體區(qū)域 3.外部空間環(huán)境區(qū)域 4.對稱邊界 5.出口邊界

1.Inlet boundary 2.Interior fluid area 3.External space environment area 4.Symmetrical boundary 5.Outlet boundary

注：為外部空間環(huán)境區(qū)域的長度，mm；為外部空間環(huán)境區(qū)域的寬度的一半，mm。

Note:is the length of external space environment area, mm;is the half width of external space environment area, mm.

圖6 圓錐型噴嘴射流幾何模型

Fig.6 Jet geometry model of conical nozzle

為了避免射流沖擊壁面時產(chǎn)生逆向回流，理論上外部空間環(huán)境區(qū)域的選取應(yīng)盡量大，但考慮到計(jì)算機(jī)資源有限，為避免仿真效率過低，外部空間環(huán)境區(qū)域應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。結(jié)合前期試驗(yàn)，噴嘴距種床約40 mm時噴出的液柱直徑不大于5 mm，因此本文設(shè)定外部空間環(huán)境區(qū)域的長度為100 mm，總寬度一半為20 mm。為了比較3種噴嘴的噴射效果，在噴嘴設(shè)計(jì)時，使3種不同形狀噴嘴的入口直徑、出口直徑、總長度和收縮角均保持一致。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，達(dá)到規(guī)定施肥量的噴嘴直徑取值范圍為1～3 mm，因此，設(shè)定3種不同形狀噴嘴的具體尺寸如下：錐直型噴嘴進(jìn)口直徑為5 mm，出口直徑為2 mm，總長度為14 mm，收縮角為26°，圓柱段長度為3 mm；圓錐型噴嘴進(jìn)口直徑為5 mm，出口直徑為2 mm，總長度為14 mm，收縮角為26°；圓柱型噴嘴進(jìn)口直徑為5 mm，出口直徑為2 mm，總長度為14 mm，圓柱段長度為6 mm。

根據(jù)3種不同形狀的噴嘴計(jì)算模型，分別在ANSYS Meshing軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界指定。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，對噴嘴出口及近壁面部分進(jìn)行局部加密處理，以改善網(wǎng)格劃分質(zhì)量，提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度。最終，劃分得到錐直型、圓錐型和圓柱型3種不同計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)分別為52 205、52 490和52 443，節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為52 875、53 171和53 122。

3.2 邊界條件設(shè)置

噴嘴工作時，液態(tài)肥經(jīng)噴嘴噴出進(jìn)入外部環(huán)境空間形成射流水束，在非淹沒條件下，流體介質(zhì)設(shè)定為液氨（密度為729 kg/m3，黏度為0.255 mPa?s），環(huán)境介質(zhì)為空氣。設(shè)置入口邊界為壓力入口，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)設(shè)置壓力值為0.4 MPa，流體介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)為 1，由于噴射液肥是充分發(fā)展的湍流，一般表征充分發(fā)展的湍流強(qiáng)度為5%～10%，本文設(shè)置湍流強(qiáng)度為5 %，入口處是圓管形，圓管形的水力直徑等于圓管直徑，因此設(shè)置為5 mm；出口邊界為壓力出口，由于出口邊界是相對于大氣環(huán)境，因此設(shè)置出口壓力值為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；模型具有對稱性，設(shè)定對稱中心軸作為對稱邊界。

3.3 計(jì)算模型與求解方法

Fluent 軟件中的計(jì)算模型包括多相流模型、能量方程、黏性模型等[26-28]，在液態(tài)肥噴射中，由于噴嘴工作時流體介質(zhì)（液態(tài)肥）與環(huán)境介質(zhì)（空氣）之間劇烈的動量交換與紊動擴(kuò)散，使非淹沒水射流成為氣液兩相混合介質(zhì)射流，且發(fā)生湍流流動，故計(jì)算模型選用多相流模型和黏性模型。多相流模型選用VOF（volume of fluid），其中主相是空氣，次相為液態(tài)肥。黏性模型選用RNG-模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

根據(jù)選擇的計(jì)算模型，采用隱式方案，并應(yīng)用工程上廣泛使用的非耦合式求解器 SIMPLE 算法進(jìn)行流場求解[29]，為提高計(jì)算精度，采用二階迎風(fēng)離散格式對各控制方程進(jìn)行數(shù)值求解。

3.4 仿真結(jié)果與分析

由于噴嘴出口直徑較小，射流量較小，并且是間斷式噴射，且距離土壤較近，液態(tài)肥從噴嘴出口噴出到液柱斷開所經(jīng)歷的時間較短，因此重力對射流的影響可忽略。在計(jì)算求解之前，首先根據(jù)上述設(shè)定的邊界條件、計(jì)算模型和求解方法進(jìn)行初始化，設(shè)定噴嘴內(nèi)部流體區(qū)域液態(tài)肥相的體積分?jǐn)?shù)為1，外部空間環(huán)境區(qū)域氣相的體積分?jǐn)?shù)為1。計(jì)算時，時間步長設(shè)為0.01 s，迭代周期數(shù)為60次，每個迭代周期內(nèi)最大的迭代次數(shù)為10次，仿真時間0.6 s，分別對3種形狀的噴嘴進(jìn)行仿真，得到噴嘴射流速度、壓力分布的數(shù)值結(jié)果。

3.4.1 不同噴嘴形狀對射流速度的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，分別得到3種形狀噴嘴噴射區(qū)域中心面上的液態(tài)肥速度云圖，如圖7a所示。根據(jù)已有研究，噴嘴射流過程可分為起始段、過渡段和基本段[30]。起始段指噴嘴出口后的一段區(qū)域，其中在噴嘴中心軸線處存在等速核，在等速核區(qū)域內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的速度大小與方向都一致，等速核區(qū)域內(nèi)流體速度較為集中，集束性最佳。過渡段為起始段與基本段的中間區(qū)域，由于此段流動情況復(fù)雜，且區(qū)域較小，通常在計(jì)算分析中不予考慮?；径我卜Q為完全發(fā)展段，射流的紊流特性在該區(qū)域內(nèi)能完全體現(xiàn)出來，距離噴嘴口越遠(yuǎn)，在紊流特性作用下霧化越嚴(yán)重，集束性能越不好。根據(jù)圖7a所示的速度云圖，可直觀得到圓錐型噴嘴等速核區(qū)最大，錐直型噴嘴次之，圓柱型噴嘴最小。

為分析不同噴嘴中心軸線的液態(tài)肥速度變化狀況，根據(jù)仿真結(jié)果，得到3種噴嘴沿中心軸線的液態(tài)肥速度變化曲線，如圖7b所示。參照圖6，中心軸線位置0 mm處代表各噴嘴的出口位置，-14～0 mm代表噴嘴內(nèi)部流體區(qū)域，0～100 mm代表外部空間環(huán)境區(qū)域。由圖7b可知，錐直型噴嘴在-14～1 mm范圍內(nèi)沿中心軸線的液態(tài)肥速度迅速從4.4 m/s 增大至28.3 m/s，直到27 mm處開始下降，下降至26.1 m/s后保持不變；圓錐型噴嘴在-14～3 mm范圍內(nèi)沿中心軸線的液態(tài)肥速度迅速從4.1 m/s 增大至28.3 m/s后保持不變；圓柱型噴嘴在-14～-4 mm范圍內(nèi)沿中心軸線的液態(tài)肥速度迅速從3.4 m/s 增大至28.5 m/s，直到12 mm處開始下降，下降至22.6 m/s后保持不變。這是因?yàn)橐簯B(tài)肥進(jìn)入噴嘴后，噴嘴直徑快速變小，使液態(tài)肥的壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，使液態(tài)肥的速度迅速增大，液態(tài)肥從噴嘴出口噴出后，首先保持一段高速狀態(tài)，即為等速核區(qū)，之后在液態(tài)肥與空氣紊流作用下，速度逐漸變小，直至所受到的后續(xù)液態(tài)肥的動能和湍流作用消耗的能量達(dá)到平衡，液態(tài)肥速度保持不變；圓錐型噴嘴等速核區(qū)較長，超出了仿真設(shè)定區(qū)域，故未出現(xiàn)速度減小階段。計(jì)算得到錐直型和圓柱型噴嘴等速核區(qū)分別為26和16 mm，圓錐型噴嘴等速核區(qū)大于100 mm，圓錐型噴嘴等速核區(qū)最大，錐直型噴嘴次之，圓柱型噴嘴最小，與速度云圖一致。另外，圓柱型噴嘴出現(xiàn)尖峰變化，主要是因?yàn)檫^渡段和圓柱段截面突然變化，使壓力勢能瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)肥勢能，從而使液態(tài)肥速度急劇上升。

為分析不同噴嘴噴出的液態(tài)肥徑向速度變化狀況，根據(jù)仿真結(jié)果，得到3種噴嘴距噴嘴出口40 mm處液態(tài)肥徑向速度的變化曲線，由于噴嘴幾何模型是軸對稱的，所以徑向速度只取中心軸線上方部分，如圖7c所示。由圖7c可知，隨著徑向距離的增加，錐直型、圓錐型、圓柱型噴嘴噴出的液態(tài)肥徑向速度先分別保持27.3、28.3、22.6 m/s不變，隨后在約1 mm處逐漸減少，直至為0，液態(tài)肥徑向速度的減小主要是受到空氣阻力的作用。其中，圓錐型噴嘴在中心軸附近速度最大，錐直型噴嘴次之，圓柱型噴嘴最小。噴射出的液態(tài)肥速度分布越集中，液束也越集中，即集束性越好。根據(jù)仿真結(jié)果，3種不同噴嘴的集束性由好至差依次為圓錐型、錐直型和圓柱型。

圖7 不同形狀噴嘴的液態(tài)肥速度變化

3.4.2 不同噴嘴形狀對壓力分布的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，得到3種形狀噴嘴噴射區(qū)域中心面上的總壓云圖，如圖8a所示。由圖8a可知，圓錐型噴嘴在整個噴射過程中的最大總壓保持最長，圓錐型次之，圓柱型最小。為進(jìn)一步明確總壓的變化情況，需研究總壓在中心軸線與徑向的變化。

根據(jù)仿真結(jié)果，得到3種形狀噴嘴噴射區(qū)域沿中心軸線總壓變化情況，如圖8b所示。由圖8b可知，隨著沿中心軸線距離的增加，錐直型和圓柱型噴嘴總壓先保持在400 kPa不變，后逐漸減小，最終分別保持在340 kPa和254 kPa不變。這是由于液態(tài)肥未噴出時，總壓在噴嘴內(nèi)部以靜壓形式存在，大小等于入口壓力，隨著流體從噴嘴出口噴出，在距噴口一定范圍內(nèi)，壓力仍可保持高壓，射流能量比較集中，液體的壓力能較好的轉(zhuǎn)化為動能，保證液態(tài)肥沿中心軸線的高速狀態(tài)，再經(jīng)過一段后，由于液態(tài)肥與空氣發(fā)生較強(qiáng)的湍流作用，使流體總壓消耗掉一部分，總壓下降，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。圓錐型噴嘴總壓一直保持在400 kPa不變，說明在仿真范圍內(nèi)仍處于高壓狀態(tài)。3種形狀噴嘴相比，圓錐型噴嘴高壓區(qū)長度最長，說明液態(tài)肥從圓錐型噴嘴噴出到大氣的過程中損失最小，液態(tài)肥射流集束性最好。另外，圓柱型噴嘴出現(xiàn)尖峰變化，主要是因?yàn)檫^渡段和圓柱段截面突然變化，使液態(tài)肥速度急劇上升，動壓增大，從而使總壓出現(xiàn)尖峰。

圖8 不同形狀噴嘴的液態(tài)肥總壓變化

3種噴嘴距噴嘴出口40 mm處徑向總壓的變化曲線，如圖8c所示。由于噴嘴幾何模型是軸對稱的，所以徑向總壓只取中心軸線上方部分。由圖8c可知，隨著徑向距離的增加，錐直型、圓錐型、圓柱型噴嘴噴出的液態(tài)肥徑向速度先分別保持在381.6、400、256.9 kPa不變，隨后在約1 mm處逐漸減少，直至為0。其中，圓錐型噴嘴在中心軸附近的總壓最大，錐直型噴嘴次之，圓柱型噴嘴最小。中心軸線處的液態(tài)肥總壓越大，流體集束性越好，從而可得3種噴嘴的集束性由好至差依次為：圓錐型>錐直型>圓柱型。

通過上述分析，在低壓噴射條件下，圓錐型噴嘴集束性能最佳，因此，確定噴肥裝置噴嘴形狀為圓錐型。

4 噴肥裝置施肥量性能仿真

經(jīng)預(yù)試驗(yàn)，噴肥裝置的施肥量主要受液泵壓力、噴嘴直徑和噴肥時長影響。為滿足作物施肥量需求，評價噴肥裝置的工作性能，選用上述集束性能較好的圓錐型噴嘴，按照上述流體仿真方法，建立噴肥裝置開啟狀態(tài)時（圖4b）的流體仿真模型，分析液泵壓力、噴嘴直徑和噴肥時間對噴肥裝置施肥量的影響。

正常作業(yè)時，噴肥時長要小于播下2粒種子的時間間隔，以保證液態(tài)肥噴施到2粒種子之間，防止與接觸種子，造成燒種。2粒種子之間的下落時間間隔由株距和機(jī)具作業(yè)速度決定，因此，噴肥時長可根據(jù)配套玉米精量播種機(jī)的工作參數(shù)算出。本文針對現(xiàn)有株距為180～240 mm、工作速度為6～8 km/h 的玉米精量播種機(jī)，計(jì)算得出相鄰2粒種子時間間隔為81～144 ms，為了保證有足夠的噴肥時長，并盡量使液態(tài)肥施用在種子附近，本文選取噴肥時長為50 ms。

根據(jù)前期試驗(yàn)，每粒種子施用5～10 mL液態(tài)肥可滿足作物生長要求，在施肥時間已確定的情況下，利用Fluent進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以建立施肥量與液泵壓力、噴肥直徑之間的回歸模型，從而為噴肥裝置工作參數(shù)選擇提供依據(jù)。

4.1 仿真試驗(yàn)方案與指標(biāo)

施肥量主要受液泵壓力、噴嘴直徑和噴肥時長影響，而在相應(yīng)作業(yè)時噴肥時長是確定的，因此為分析液泵壓力和噴嘴直徑對施肥量的影響，以施肥量為評價指標(biāo)，以液泵壓力、噴肥直徑為試驗(yàn)因素，在Fluent軟件中進(jìn)行二因素五水平全因子試驗(yàn)，根據(jù)已有文獻(xiàn)研究[31]和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮到過高壓力液態(tài)肥易泄露等因素，確定液泵壓力取值范圍為0.2～0.6 MPa，噴嘴直徑取值范圍為1.0～3.0 mm，試驗(yàn)因素水平見表1。

由于Fluent無法直接仿真得到施肥量，需通過噴嘴出口的平均流量間接計(jì)算，可得噴肥量為

式中為施肥量，mL；為噴嘴出口平均流量，mL/s；為噴肥時長，s。

4.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)二因素五水平全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，共包括25組試驗(yàn)，每組重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，得出每組的施肥量。仿真試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

采用Minitab軟件對表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸模型擬合，得到回歸模型的方差分析表，如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果

注：**表示極顯著（<0.01）；*表示顯著（<0.05）。

Note: ** means highly significant (<0.01); * means significant (<0.05).

由表3可知，液泵壓力（1）、噴嘴直徑（2）、噴嘴直徑×噴嘴直徑（22）和液泵壓力×噴嘴直徑12對施肥量影響極顯著（<0.01），噴嘴直徑（2）、噴嘴直徑×噴嘴直徑（22）的值分別為84.04和303.22，液泵壓力（1）的值為72.54，表明噴嘴直徑對噴肥量的影響程度遠(yuǎn)大于噴肥壓力。因此，在實(shí)際應(yīng)用時，根據(jù)施肥量的要求，首先大致確定噴嘴直徑，確保目標(biāo)施肥量在所選噴嘴直徑能實(shí)現(xiàn)的噴肥量范圍內(nèi)，再通過回歸方程計(jì)算確定液泵壓力。

最終得到施肥量的回歸方程為

Minitab軟件分析結(jié)果中，回歸模型擬合優(yōu)度2為0.998，說明回歸方程與仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合效果較好，回歸模型有效。

由仿真結(jié)果可知，液泵壓力在0.2～0.6 MPa范圍內(nèi)，噴嘴直徑為2.5 mm時的施肥量為4.95～8.63 mL，3 mm時為7.22～12.61 mL，因此當(dāng)噴肥量要求在5～8 mL時，可首先選擇噴嘴直徑為2.5 mm的噴嘴，再通過回歸方程計(jì)算得到液泵壓力。同理，當(dāng)噴肥量要求在8～10 mL時，選擇噴嘴直徑為3 mm的噴嘴。仿真結(jié)果表明，滿足施肥量5～10 mL的設(shè)計(jì)要求。

5 臺架驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真模型和回歸方程的準(zhǔn)確性，評估噴肥裝置工作參數(shù)確定方法的可行性，進(jìn)行了臺架驗(yàn)證試驗(yàn)。

5.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

噴肥裝置性能試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性耕作研究中心進(jìn)行。試驗(yàn)儀器與設(shè)備主要包括噴肥裝置（噴嘴選用圓錐型）、肥箱（體積為20 L）、液態(tài)肥（青州晨聯(lián)化工有限公司，液氨）、隔膜泵DP-150（上海新西山實(shí)業(yè)有限公司，最大流量5.3 L/min，最高壓力1.0 MPa）、溢流閥DBW10B（北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，電壓DC24V，最高壓力31.5 MPa）、開關(guān)電磁閥KL2231015（寧波開靈氣動元件制造有限公司，工作壓力0.03～1.0 MPa，電壓DC24V，響應(yīng)時間約20 ms）、壓力傳感器（杭州美控自動化技術(shù)有限公司，測量壓力范圍0～1 MPa，輸出電流4～20 mA）、秒表（雷逸MB01）、量筒（北京思齊生物技術(shù)有限公司，量程為20 、50和100 mL）、單片機(jī)STM32F103（廣州市星翼電子科技有限公司，32位單片機(jī)，自帶3個10位ADC，5個串口）和觸摸屏DC80480KF070（廣州大彩光電科技有限公司，支持RS232和TTL電平）等。試驗(yàn)臺架如圖9所示。

根據(jù)前文確定的噴肥時長為50 ms，最大施肥量為10 mL，因此，在連續(xù)工作狀態(tài)下，可計(jì)算得所需隔膜泵的最大流量為12 L/min，而由于本研究中液態(tài)肥是間歇性噴施的，在實(shí)際施肥作業(yè)過程時，流量并不需要持續(xù)穩(wěn)定為最大施肥量（12 L/min），選擇最大流量為5.3 L/min的DP-150型隔膜泵，經(jīng)試驗(yàn)，可滿足最大施肥量要求。

1.隔膜泵 2.壓力表 3.肥箱 4.電磁閥 5.壓力緩沖罐 6.噴肥裝置

試驗(yàn)時，需要直接測量的參數(shù)主要有液泵壓力、噴肥時長和施肥量。液泵壓力可通過管路中的壓力傳感器實(shí)時檢測，通過STM32處理計(jì)算后在觸摸屏顯示。噴肥時長通過秒表進(jìn)行測量。施肥量采用量筒進(jìn)行測量。由于電磁閥的反應(yīng)時間為20 ms，即當(dāng)電磁閥接收到控制器的信號到電磁閥完全打開大約需要20 ms。根據(jù)理論計(jì)算，2粒種子之間的下落時間間隔最短為81 ms，預(yù)試驗(yàn)表明，電磁開關(guān)閥無法實(shí)現(xiàn)間隔噴肥，因此本研究采用2個電磁開關(guān)閥并聯(lián)，其中每個電磁開關(guān)閥的開啟時間為50 ms，閉合時間不小于131 ms，響應(yīng)時間滿足要求。由于噴肥時長50 ms，時間過短，試驗(yàn)時隨機(jī)誤差影響較大，故設(shè)置噴肥時長為1 s，通過1 s內(nèi)的平均噴肥量換算得到50 ms內(nèi)的施肥量。

5.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

分別加工直徑2.5和3.0 mm的圓錐型噴嘴，在不同液泵壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn)，同一壓力條件重復(fù)3次，分別得到2個噴嘴的施肥量，并與回歸方程預(yù)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。

由圖10a可知，在液泵壓力0.2～0.6 MPa范圍內(nèi)，隨著液泵壓力的增加，噴肥裝置施肥量試驗(yàn)值逐漸增大，其增長走勢與回歸方程預(yù)測值基本一致，試驗(yàn)值整體與預(yù)測值的平均誤差為9.45%，約為0.81 mL，當(dāng)噴肥直徑為2.5 mm時，施肥量為4.35～8.12 mL，施肥量試驗(yàn)值與預(yù)測值的平均誤差為9.67%，約為0.63 mL；噴肥直徑為3.0 mm時，施肥量為6.66～11.43 mL，施肥量試驗(yàn)值與預(yù)測值的平均誤差為9.14%，約為0.97 mL。產(chǎn)生較大誤差的原因可能有：電磁開關(guān)閥與噴肥裝置之間的距離過長，而且實(shí)際試驗(yàn)時電磁開關(guān)閥噴肥時長很短，使得壓力在管路上有一定損失，造成噴肥裝置入口處的壓力小于液泵壓力，從而施肥量減少；供肥系統(tǒng)所提供的壓力無法持續(xù)保證穩(wěn)定，當(dāng)供肥系統(tǒng)檢測到管路壓力小于設(shè)置壓力時，無法在極短時間內(nèi)補(bǔ)充足夠的液態(tài)肥，而仿真試驗(yàn)中入口壓力是持續(xù)穩(wěn)定的，這些情況對直徑較大的噴嘴影響更為明顯，所以直徑3.0 mm的噴嘴噴肥量試驗(yàn)值與預(yù)測值的平均誤差比直徑2.5 mm的更大。

由圖10a試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)存在固定誤差，為了消除系統(tǒng)誤差，提高回歸方程預(yù)測準(zhǔn)確度，對回歸方程進(jìn)行修正。由上述分析可知，施肥量試驗(yàn)值整體與預(yù)測值的平均誤差為9.45%，回歸方程預(yù)測值應(yīng)為修正前的90.55%，因此確定修正系數(shù)為0.905 5。修正后的回歸方程為

施肥量試驗(yàn)值與修正后的回歸方程預(yù)測值的對比如圖10b所示，計(jì)算得到施肥量試驗(yàn)值與修正后回歸方程的預(yù)測值平均誤差為1.62%，約為0.12 mL，基本滿足作物施肥量需求，驗(yàn)證了仿真模型與回歸方程的準(zhǔn)確性和工作參數(shù)選定方法的可行性。

a. 回歸方程修正前

a. Regression equation before correcting

b. 回歸方程修正后

b. Regression equation after correcting

注：3.0 mm和2.5 mm代表噴嘴直徑值。

Note: 3.0 mm and 2.5 mm are the nozzle diameter values.

圖10 不同直徑噴嘴的施肥量試驗(yàn)值與預(yù)測值對比

Fig. 10 Comparison of test values and predicted values of fertilizer amount with different diameter nozzles

6 結(jié) 論

本文針對播種時液態(tài)肥精量深施的技術(shù)需求，配套現(xiàn)有的玉米精量播種機(jī)，提出一種液態(tài)肥對耙點(diǎn)施系統(tǒng)，并針對噴出的液態(tài)肥需滿足較佳集束性和施肥量等要求，設(shè)計(jì)一種液態(tài)噴肥裝置，進(jìn)行了研究與試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

1）通過Fluent軟件對錐直型、圓錐型和圓柱型3種不同形狀噴嘴的非淹沒射流過程進(jìn)行仿真，分析了不同噴嘴沿中心軸線方向和徑向噴射速度和總壓的變化，其中圓錐型噴嘴中心軸線的液態(tài)肥最大速度為28.3 m/s，等速核長度大于100 mm，徑向液態(tài)肥速度最大為28.3 m/s，總壓一直保持為最大400 kPa，從而確定圓錐型噴嘴的集束性能最佳，適合作為噴肥裝置噴嘴；

根據(jù)單詞發(fā)音識記詞匯是現(xiàn)代高中生背誦詞匯時最常用的識記方式。教師在教學(xué)時完全可以利用這一特點(diǎn)，根據(jù)不同詞匯的發(fā)音部位、口型大小、發(fā)音規(guī)則等特征對詞匯進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)音聯(lián)想記憶。例如，爆破音[b]和[p]在發(fā)音時需要?dú)饬鳑_破口腔的阻礙產(chǎn)生爆破效果。然而，有[b]和[p]參與構(gòu)成的詞匯常含有“爆破、打破”的意義，如 break(打破)、burst(爆發(fā))、explosive(爆炸物)等均符合這一特征。教師在教學(xué)時可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行簡要總結(jié)，通過發(fā)音規(guī)則聯(lián)想到單詞構(gòu)成，增加識記詞匯的趣味性。

2）選用圓錐型噴嘴，設(shè)計(jì)了二因素五水平全因子試驗(yàn)，明確了液泵壓力和噴嘴直徑對噴肥裝置施肥量的具有極顯著影響（P<0.01），其中，噴嘴直徑對施肥量的影響更大，并建立了施肥量與液泵壓力、噴嘴直徑的回歸方程，擬合優(yōu)度R2為0.998，回歸模型有效；

3）根據(jù)施肥量要求，選用噴嘴直徑為2.5和3.0 mm噴肥裝置分別進(jìn)行臺架試驗(yàn)，結(jié)果表明，在液泵壓力0.2～0.6 MPa范圍內(nèi)，臺架試驗(yàn)得到的施肥量試驗(yàn)值與預(yù)測值變化趨勢一致，試驗(yàn)值與修正后回歸方程預(yù)測值的平均誤差為1.62%，約為0.12 mL，基本滿足作物施肥量需求，驗(yàn)證了仿真模型與回歸方程的準(zhǔn)確性和工作參數(shù)選定方法的可行性。

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Development of spraying device for precise and deep application of liquid fertilizer in sowing period

Yu Changchang, Wang Qingjie※, He Jin, Li Hongwen, Lu Caiyu, Liu Zhengdao

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract:To satisfy the technical requirements of precise and deep application of liquid fertilizer in sowing period of maize, a toward-target spot application system of liquid fertilizer is proposed in this paper, and a liquid fertilizer spraying device is designed. The device consisted of valve body, pressure regulation spring, valve seat, valve core and nozzle. The initial deformation of pressure regulating spring can be changed by adjusting the length of the nozzle screwed into the valve body, so the contact pressure between valve core and valve seat is changed. The liquid fertilizer spraying device is mainly divided into two states when working, open and closed, which were determined by the liquid fertilizer pressure and the contact pressure (which was the pressure between valve core and valve seat). The liquid fertilizer spraying device closes when liquid fertilizer pressure is less than the contact pressure, and in contrast, the liquid fertilizer spraying device open, thus the operation process of intermittent discharge of the liquid fertilizer was achieved. Nozzle is a key component of the fertilizer application, and the shape and parameters of nozzle are important factors affecting the performance of the liquid fertilizer spraying device. In order to obtain the best nozzle shape and parameters, two-dimensional geometric models of different shaped nozzles, such as conical straight, conical and cylindrical, are established in ANSYS Fluent. The geometric model is meshed and boundary conditions such as entrance boundary, exit boundary and symmetrical boundary are set. In the calculation model, VOF (fluid volume) is used as the multiphase flow model, in which the initial phase is air and the second phase is liquid fertilizer. And RNG k-ε model is used for viscous model and standard wall function is used for near wall. The non-submerged jet process of the nozzle is simulated by the non-coupled solver SIMPLE (semi-implicit method for pressure linked equation) algorithm. The velocity and total pressure of different nozzles in the direction of the central axis and the radial are analyzed, and obtained the bundle performance of different nozzles. According to the simulation results, the cone shape is determined as the best nozzle shape. In order to evaluate the working performance of the liquid fertilizer spraying device, a conical nozzle is selected to establish a fluid simulation model. And taking the fertilization amount as the evaluation index, the pump pressure and nozzle diameter as the test factors, the two-factor and five-level full factors experiment is designed, and the nalysis of variance (ANOVA) is performed to find the influence of parameters. The simulation results show that the factors of pump pressure and nozzle diameter have significant effects on fertilization amount (P<0.01), and the diameter of the nozzle has a greater influence than the pump pressure. A regression equation between the fertilization amount, the pump pressure and the nozzle diameter is established, and the R2 of the equation is 0.998. The bench experiments of liquid fertilizer spraying device with the nozzle diameters of 2.5 and 3.0 mm are carried out separately. The results show that the value of the fertilization amount increases gradually as the pump pressure increasing when the pump pressure is within the range of 0.2 to 0.6 MPa. The growth trend of the fertilization amount is basically consistent with the predicted value of the regression equation. The experiment value of fertilization amount average decreases by 1.62% (0.12 mL) than predicted value after the regression equationwas corrected. The accuracy of the simulation model and the regression equation is verified. This study can lay a foundation for the further study of the toward-target spot application system of liquid fertilizer.

Keywords:agricultural machinery; nozzle; liquid fertilizer; precise and deep application; simulation; experiment

收稿日期：2019-04-16

修訂日期：2019-06-24

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600）

作者簡介：于暢暢，博士生，主要從事保護(hù)性耕作技術(shù)與裝備研究。Email：yuchang@cau.edu.cn

※通信作者：王慶杰，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作技術(shù)與裝備研究。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.006

中圖分類號：S224.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819(2019)-16-0050-10

于暢暢，王慶杰，何 進(jìn)，李洪文，盧彩云，劉正道.播種期液態(tài)肥精量深施系統(tǒng)噴肥裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：50－59. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.006 http://www.tcsae.org

Yu Changchang, Wang Qingjie, He Jin, Li Hongwen, Lu Caiyun, Liu Zhengdao.Development of spraying device for precise and deep application of liquid fertilizer in sowing period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 50－59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.006 http://www.tcsae.org