葉旭明, 李志強(qiáng)

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

盆栽已成為快節(jié)奏、高壓力的城市中的人們放松心情、緩解壓力、放慢生活節(jié)奏的有效途徑[1].但是盆栽的養(yǎng)植需要人員看護(hù),這就給忙碌的上班族,尤其是長時(shí)間出差人員帶來不便.長時(shí)間不澆水不利于植物生長,甚至導(dǎo)致植物死亡.因此需要一種簡便的持續(xù)自動(dòng)供水栽培裝置,保證植物根系按需吸收水分.

目前,有學(xué)者對(duì)利用毛細(xì)現(xiàn)象原理為植物供水進(jìn)行了研究.劉煜祥[2]、賽得爾丁·帕爾丁等[3]就是利用這一原理提出了毛細(xì)管帶供水技術(shù),其實(shí)質(zhì)是無土栽培與工程節(jié)水相融合.這種栽培模式能夠突出毛細(xì)管帶的作用,不僅節(jié)約人力物力、節(jié)約資源,還避免了廢液產(chǎn)生,對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小,是最佳的澆灌方式之一[4].郭思棟[5]則利用毛細(xì)現(xiàn)象原理,設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)續(xù)水的花盆,使水可以自動(dòng)從下盆向上盆運(yùn)動(dòng),保證了盆栽充足的水分.

懶人養(yǎng)植是針對(duì)喜愛養(yǎng)植盆栽但又沒有太多精力照顧盆栽的人群設(shè)計(jì)的栽培方式,其實(shí)質(zhì)為通過自動(dòng)澆灌進(jìn)而減少人力、物力,從而達(dá)到懶人養(yǎng)植的效果.現(xiàn)在市面上有很多專門為懶人養(yǎng)植設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆灌裝置,但其價(jià)格較高,且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,不便于安裝.利用毛細(xì)現(xiàn)象原理設(shè)計(jì)的自動(dòng)供水栽培裝置價(jià)格低廉、安裝簡易.

1 毛細(xì)現(xiàn)象的原理

毛細(xì)現(xiàn)象是由表面張力和表面浸潤現(xiàn)象共同引起的.當(dāng)毛細(xì)介質(zhì)放置于水中時(shí),水滴開始快速地各向分散,分布在毛細(xì)介質(zhì)的所有空隙內(nèi),使水產(chǎn)生這種運(yùn)動(dòng)的是毛細(xì)力[6].在窄小的毛細(xì)管中,液體會(huì)形成一個(gè)彎曲表面,在表面張力及液體重力的共同作用下,使得毛細(xì)管中的液面升高或降低[7].

根據(jù)靜力學(xué)原理[8],作用在垂直毛細(xì)管液柱上力的作用公式如下:

式中:F為表面張力,N;G為液體重力,N;r為毛細(xì)管半徑,m;σ為表面張力系數(shù),N/m;θ為液汽接觸角,(°);ρ0為液體密度,kg· m-3;g為重力加速度,m·s-2;h為毛細(xì)管中對(duì)于液面自由表面的液柱高度,m.

由于差值ΔF的作用,使得液面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),并且ΔF越大,液面沿毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)的高度越高,隨著ΔF值慢慢減小,液面沿毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)的高度就會(huì)慢慢降低,毛細(xì)管內(nèi)液面上升速度也會(huì)隨著上升高度的增加而減慢.當(dāng)F=G時(shí),毛細(xì)管內(nèi)的自由液面就會(huì)達(dá)到平衡,此時(shí)F-G=0,即2πrσcosθ-ρ0πr2hg=0.由這個(gè)平衡方程亦可確定毛細(xì)管內(nèi)液面上升的最大高度值

(4)

從式(4)中可以看出h與ρ0、r成反比.當(dāng)ρ0一定時(shí),r就成了唯一影響其高度的因素,r越大,毛細(xì)管中對(duì)于液面自由表面的液柱高度h越低;r越小,毛細(xì)管中對(duì)于液面自由表面的液柱高度h越高.由于盆栽的需水量一般較大,所以需要大直徑管道對(duì)盆栽進(jìn)行供水,而大直徑管道作為毛細(xì)管半徑相對(duì)過大,毛細(xì)管中對(duì)于液面自由表面的液柱高度則趨近于0.因此,本文在大直徑的管道中填充入毛細(xì)介質(zhì),降低毛細(xì)管半經(jīng),提高液面自由表面的液柱高度,從而保證盆栽的需水要求.

2 毛細(xì)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由水箱、木板、管道固定裝置 及填充入毛細(xì)介質(zhì)的供水管道組成,試驗(yàn)裝置布置如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置布置圖Fig.1 Layout of test device

將3個(gè)大小相等的透明水箱裝滿水,模擬自動(dòng)供水栽培裝置的盛水盆,并分別編號(hào)為A組、B組、C組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).A組放入3個(gè)內(nèi)徑為8 mm 的供水管道;B組放入3個(gè)內(nèi)徑為16 mm的供水管道;C組放入3個(gè)內(nèi)徑為30 mm的供水管道.其中A1、B1、C1中的毛細(xì)介質(zhì)為脫脂棉,A2、B2、C2中的毛細(xì)介質(zhì)為海綿,A3、B3、C3中的毛細(xì)介質(zhì)為紗布.管道固定裝置是為了支撐并固定供水管道,防止供水管道發(fā)生偏移或傾倒.

2.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)從材料的經(jīng)濟(jì)性與普遍性角度出發(fā),選取脫脂棉、海綿及紗布3種材料作為毛細(xì)介質(zhì).在養(yǎng)植過程中水分過多易造成植物缺氧、爛根,水分過少植物易干枯.為保證盆栽植物的需水量,本試驗(yàn)選用內(nèi)徑分別為8、16、30 mm,且長度均為1 000 mm 的PVC透明管各3根作為供水管道.其他材料還包括長、寬、高分別為240、160、150 mm 的水箱3個(gè),量程為100 cm的刻度尺1個(gè),掛壁式溫度計(jì)1個(gè)及管道固定裝置1個(gè).

2.3 試驗(yàn)方法及過程

本試驗(yàn)基于毛細(xì)現(xiàn)象原理,利用脫脂棉、海綿及紗布中微細(xì)孔隙形成的無數(shù)毛細(xì)管,在毛細(xì)管中表面張力的牽引下,使液面持續(xù)上升,直至水所受的重力與其上升的力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)水停止上升.此時(shí),水的上升高度則為毛細(xì)管內(nèi)液面的上升高度.

試驗(yàn)時(shí)首先將水箱放在水平的木板上注滿水,將填充入毛細(xì)介質(zhì)的供水管道利用固定裝置固定在木板上,使其垂直于木板,然后將9個(gè)供水管道同時(shí)豎直放入水箱內(nèi),且浸潤水中的供水管道長度均為10 cm.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量周期為8 d,試驗(yàn)過程中,每隔12 h測量1次各個(gè)供水管道中水的上升高度,測量時(shí)將刻度尺的0刻度與浸潤在水中的供水管道的頂端對(duì)齊,然后讀取供水管道中水的上升高度,并記錄下來.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn),室內(nèi)的溫度保持在20 ℃左右,溫度變化對(duì)此次試驗(yàn)的影響可以忽略不計(jì),由于毛細(xì)介質(zhì)填充在PVC供水管道內(nèi),可減少蒸發(fā)作用的影響,因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較小.試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1～表3所示.

表1 內(nèi)徑8 mm供水管道中不同毛細(xì)介質(zhì)內(nèi)液面上升高度

表2 內(nèi)徑16 mm供水管道中不同毛細(xì)介質(zhì)內(nèi)液面上升高度值

表3 內(nèi)徑30 mm供水管道中不同毛細(xì)介質(zhì)內(nèi)液面上升高度值

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 毛細(xì)管內(nèi)液面上升變化過程

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),毛細(xì)管中水的上升過程可分潤濕、擴(kuò)散、飽和、再擴(kuò)散4個(gè)階段.水初次與毛細(xì)介質(zhì)表面接觸時(shí)毛細(xì)介質(zhì)的吸水能力非常強(qiáng),在毛細(xì)力的作用下毛細(xì)介質(zhì)空隙被水分迅速填充,然后水通過毛細(xì)介質(zhì)內(nèi)表面張力的牽引快速向各個(gè)孔隙內(nèi)擴(kuò)散,當(dāng)孔隙中充滿足夠的水分子之后,再次利用壓差和水與管道壁的表面張力作用使水分子繼續(xù)向上擴(kuò)散到其他孔隙中,直至達(dá)到平衡狀態(tài).

3.2 毛細(xì)管內(nèi)液面上升高度對(duì)比

毛細(xì)管內(nèi)水的上升過程與滲透過程十分相似,因此毛細(xì)管內(nèi)水的上升運(yùn)動(dòng)也符合一定的非線性函數(shù)關(guān)系.根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù),對(duì)試驗(yàn)中毛細(xì)管內(nèi)水的上升高度與時(shí)間的關(guān)系利用JMP(數(shù)據(jù)分析)軟件進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同內(nèi)徑供水管道中不同毛細(xì)介質(zhì)內(nèi)液面高度隨時(shí)間的變化情況

從圖2的數(shù)據(jù)對(duì)比中發(fā)現(xiàn),脫脂棉的吸水高度明顯高于其他2種,紗布次之,海綿中液面上升高度最低.可以得出脫脂棉的毛細(xì)吸水能力高于海綿和紗布,且優(yōu)勢(shì)明顯的結(jié)論.從圖2中還可以看出毛細(xì)管內(nèi)水的上升高度隨著管道直徑的減小而增加,內(nèi)徑為8 mm的供水管道內(nèi)水上升到最高高度的速度最快,且高度最高,內(nèi)徑為16 mm的供水管道次之,內(nèi)徑為30 mm的供水管道相對(duì)較差,造成這一現(xiàn)象的原因是由于管徑越小,液汽接觸角θ越小,使得表面張力逐漸增大,水在表面張力的作用下向上升高,直至達(dá)到平衡狀態(tài).

試驗(yàn)初始時(shí)介質(zhì)的含水率比較小,毛細(xì)介質(zhì)的吸水能力很強(qiáng),表面張力較大,因此在試驗(yàn)開始時(shí)毛細(xì)管內(nèi)水的上升的速度非常快,但隨著時(shí)間的增加,毛細(xì)介質(zhì)的含水率逐漸增大,吸水能力逐漸減小,并且毛細(xì)管內(nèi)的水受到的重力也慢慢增加,表面張力作用在液面上的向上牽引力逐漸減小,因此高度的增長速度不斷變小,同時(shí)水又受到重力的作用,當(dāng)表面張力與重力相等時(shí)水最終達(dá)到平衡高度,水的上升高度也最終停止,達(dá)到平衡狀態(tài).

4 結(jié) 論

本文實(shí)現(xiàn)了以脫脂棉、海綿及紗布作為介質(zhì)的毛細(xì)上升高度的測量.從供水采用材料的角度分析:若將脫脂棉作為毛細(xì)介質(zhì),分別選擇內(nèi)徑為8、16和30 mm的PVC管道作為自動(dòng)供水管道時(shí),為滿足植物的生長需求,栽培裝置距離盛水盆的高度應(yīng)分別低于50.4、41.4和36.8 cm;若將海綿作為毛細(xì)介質(zhì),分別選擇內(nèi)徑為8、16和30 mm的PVC管道作為自動(dòng)供水管道時(shí),栽培裝置距離盛水箱最高高度應(yīng)分別小于26.8、27.6和16.3 cm;若將紗布作為毛細(xì)介質(zhì),分別選擇內(nèi)徑為8、16和30 mm的PVC管道作為自動(dòng)供水管道時(shí),栽培裝置距離盛水箱的最高高度應(yīng)分別低于38.5、36.3和33.9 cm.通過試驗(yàn)分析,基于毛細(xì)現(xiàn)象的供水方式不僅成本較低,而且制作簡單,同時(shí)節(jié)省了人力物力、節(jié)約自然資源,并且能夠達(dá)到良好的供水效果,滿足植物的需水要求,可以為無暇照顧盆栽的人群提供一種解決方式.