張建闊，李加念

(昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引言

水和肥是農(nóng)作物生長的重要影響因素，而灌溉施肥質(zhì)量的好壞直接影響農(nóng)作物生長的優(yōu)劣。目前,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥的利用率較為低下，不僅增加了生產(chǎn)成本投入，還對農(nóng)業(yè)水土環(huán)境造成污染。水肥一體化灌溉施肥技術(shù)既能實現(xiàn)水肥資源的集約利用，又能最大限度地降低肥液過多利用對環(huán)境產(chǎn)生的污染，這在很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)化方式。低壓滴灌技術(shù)是一種能量優(yōu)化的水肥一體化灌溉技術(shù)，不僅具備常壓滴灌施肥技術(shù)的優(yōu)點，還可以降低灌溉系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行成本，是未來滴灌技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[1]。滴灌施肥質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度取決于施肥裝置的好壞，目前國內(nèi)外常用的施肥裝置有水力驅(qū)動注入式[2]、機(jī)械驅(qū)動注入式[3]、壓差式[4]及文丘里吸入式等[5-7]等，而文丘里施肥器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低和無需外部動力等優(yōu)點，被作為一種常用灌溉施肥裝置在我國廣泛應(yīng)用。由于在實際應(yīng)用中所需進(jìn)口壓力較高、壓力損失較大等問題，導(dǎo)致文丘里施肥器在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中使用具有很大的局限性。鑒于此現(xiàn)狀，很有必要研究在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中對施肥器吸肥效率的影響。相關(guān)文獻(xiàn)表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)劣文丘里施肥器吸肥性能具有較大的影響。為了適應(yīng)低壓灌溉施肥系統(tǒng)，關(guān)鍵是文丘里施肥器進(jìn)口壓力進(jìn)行有效地降低，從而保持較高地文丘里施肥器吸肥效率。近些年來，關(guān)于文丘里施肥器的研究主要集中在基于CFD的數(shù)值模擬分析方法[8-10]、理論分析與試驗測試驗證方法[11-14]，以及分析吸肥性能與文丘里施肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系上，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[15-19]等方面，都取得了較好的結(jié)果。但是，目前的研究對于在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中的文丘里施肥器的試驗研究鮮有涉及。為此，本文基于本團(tuán)隊成員通過CFD模擬技術(shù)已經(jīng)設(shè)計好的一款文丘里施肥器，在低壓灌溉系統(tǒng)中，進(jìn)行吸肥性能試驗分析，以期得到進(jìn)口壓力與吸肥性能的關(guān)系，為低壓文丘里施肥器的研究提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

由于文丘里施肥器進(jìn)行施肥的工作原理是通過進(jìn)出口壓差，使得流經(jīng)喉部水流產(chǎn)生負(fù)壓，肥液通過吸肥口壓入文丘里施肥器進(jìn)行灌溉施肥，其灌溉濃度的主要因素取決于文丘里管進(jìn)出口壓差的大小。本試驗選用某種固定結(jié)構(gòu)的文丘里施肥器，如圖1所示。文丘里施肥器主要由進(jìn)口直管段、出口直管段、收縮段、擴(kuò)散段及喉部5部分組成。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：a=b=25 mm，A=a1=8 mm，B=C=20 mm，λ=0.32，α=25°，β=7°，吸肥口角度γ=135°。其中，α為收縮段的收縮角，無量綱；λ為喉管直徑a1與進(jìn)口直徑a的比值；β為擴(kuò)散段的擴(kuò)散角；b為出口直徑；B為進(jìn)口直管段長度；C為出口直管段長度。

圖1 文丘里施肥器結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗裝置

本試驗在昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院樓梯間內(nèi)進(jìn)行，試驗裝置如圖2所示。文丘里施肥器進(jìn)口水源由蓄水箱提供，肥液由肥液桶提供，在本試驗過程中由常溫清水代替，水和肥混合后流入水肥混合桶內(nèi)。整個裝置采用串聯(lián)方式安裝文丘里施肥器，裝置連接管道均采用PVC管，主管道管徑均均為32 mm，且在進(jìn)出口處分別安裝LWGY-20的流量變送器，兩只流量變送器的精度均為±0.5%，用以檢測主管道進(jìn)出口流量，進(jìn)而計算文丘里施肥器的吸肥流量。文丘里施肥器進(jìn)出口端分別安裝壓力變送器(量程0.6 MPa，0.5級),用以控制文丘里施肥器的進(jìn)出口壓力。

圖2 文丘里施肥器試驗裝置圖

1.3 試驗方法

本論文的目的是研究低壓灌溉系統(tǒng)中文丘里施肥器的吸肥性能，出口設(shè)置為自流狀態(tài)，即出口壓力設(shè)置為0；改變文丘里施肥器進(jìn)口壓力是通過調(diào)節(jié)進(jìn)口閥門的開度大小實現(xiàn)。試驗過程中，進(jìn)口壓力設(shè)計了0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1MPa共 10個水平，出口壓力始終保持為0，記錄下每個進(jìn)口壓力條件下通過文丘里施肥器的進(jìn)口流量、出口流量，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。在試驗過程中，對肥液桶進(jìn)行實時補(bǔ)水，使得文丘里施肥器喉部的吸肥口與肥液桶液面高度差始終保持在500mm。所有試驗數(shù)據(jù)在試驗進(jìn)出口壓力穩(wěn)定3 min后讀取，每組試驗重復(fù)進(jìn)行5次并取其均值作為結(jié)果，試驗介質(zhì)采用常溫清水。

文丘里施肥器吸肥性能主要采用進(jìn)口流量比M、吸肥效率η和肥液濃度θ這3個指標(biāo)進(jìn)行衡量，即

(1)

(2)

(3)

其中，q為吸肥流量；Q為進(jìn)口流量(m3/h)；P1、P2和P3分別為文丘里施肥器進(jìn)口壓力、出口壓力及吸肥口壓力(MPa)；M為文丘里施肥器進(jìn)口流量比(%)；η為文丘里施肥器吸肥效率(%)；θ為文丘里施肥器出口水肥混合后的肥液濃度，能直觀反映文丘里施肥器性能的優(yōu)劣(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)口流量比與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0～0.1MPa下的進(jìn)口流量比試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)口流量比與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0.006MPa時，達(dá)到臨界條件；當(dāng)進(jìn)口壓力在0.006～0.05MPa范圍內(nèi)變化時，進(jìn)口流量比隨進(jìn)口壓力的增加呈一定比例增大，進(jìn)口流量比從0快速增加到11.17%；當(dāng)進(jìn)口壓力在0.05～0.1 MPa范圍內(nèi)增加時，進(jìn)口流量比增加趨于平緩，進(jìn)口流量比從11.17%增至12.23%。試驗結(jié)果表明：在出口為自流狀態(tài)時，進(jìn)口流量比隨著進(jìn)口壓力的增加而增大；當(dāng)進(jìn)口壓力增加到一定值后，文丘里施肥器工作性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；隨著進(jìn)口壓力的繼續(xù)增加，進(jìn)口流量比不再隨著進(jìn)口壓力的增加而增大，進(jìn)口流量比數(shù)值趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 吸肥流量與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器進(jìn)口壓力與吸肥管的吸肥流量關(guān)系如圖4所示。在出口壓力一定的情況下，其吸肥流量隨著進(jìn)口壓力的增加而增大；當(dāng)進(jìn)口壓力增加到一定值后繼續(xù)增加，文丘里施肥器吸肥流量增加逐漸趨于平緩。試驗結(jié)果表明：文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0.006～0.07MPa范圍內(nèi)，其吸肥流量從0快速增加至0.245m3/h；當(dāng)進(jìn)口壓力繼續(xù)增加時，其吸肥流量增加較為緩慢；進(jìn)口壓力從0.07MPa增加至0.1MPa時，進(jìn)口流量從0.245m3/h增加到0.281m3/h。結(jié)果分析可知：當(dāng)文丘里施肥器進(jìn)口壓力為0.07MPa時，其吸肥流量達(dá)到最佳。

圖4 吸肥流量與進(jìn)口壓力的關(guān)系

2.3 肥液濃度與進(jìn)口壓力的關(guān)系

文丘里施肥器施肥濃度與進(jìn)口壓力的關(guān)系如圖5所示。文丘里施肥器肥液濃度隨進(jìn)口壓力的增加而增大；當(dāng)文丘里施肥器進(jìn)口壓力增大到一定值后，隨著進(jìn)口壓力的增加，肥液濃度增大緩慢，并穩(wěn)定于一固定值。試驗結(jié)果表明：當(dāng)出口為自流狀態(tài)、文丘里施肥器進(jìn)口壓力在0.006～0.05MPa范圍內(nèi)增加時，肥液濃度從0快速增加至10.04%；進(jìn)口壓力繼續(xù)增大至0.1MPa時，肥液濃度從10.04%增加到10.89%。與現(xiàn)有的文丘里施肥器的吸肥性能相比，其達(dá)到臨界吸肥進(jìn)口壓力可以降低至0.03MPa；但該施肥器吸肥濃度很小，當(dāng)進(jìn)口壓力增加至0.1MPa時，肥液濃度才能達(dá)到最大值為10%[6]。本試驗基于CFD模擬技術(shù)優(yōu)化得出的文丘里施肥器，并對其進(jìn)行實測得出，該施肥器吸肥臨界進(jìn)口壓力為0.006MPa、施肥器進(jìn)口壓力為0.05MPa時，肥液濃度的最大值可達(dá)到10.04%，該濃度能滿足在實際灌溉施肥情況下的施肥濃度要求[20]。

圖5 肥液濃度與進(jìn)口壓力的關(guān)系

2.4 吸肥效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系

吸肥效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)進(jìn)口壓力在0.01～0.05MPa之間增大時，文丘里施肥器實測吸肥效率從2.89%快速單調(diào)遞減至1.117%；當(dāng)進(jìn)口壓力逐漸增加至0.1MPa時，實測吸肥效率平緩地從1.117%單調(diào)遞減至0.61%。文丘里施肥器吸肥效率與肥液濃度的試驗實測結(jié)果分析表明：當(dāng)文丘里施肥器出口為自流狀態(tài)、進(jìn)口壓力為0.05MPa時，其吸肥性可以達(dá)到實際灌溉需求。

圖6 吸肥效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系

3 結(jié)論

基于CFD模擬技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的文丘里施肥器進(jìn)口壓力為0.05MPa時，進(jìn)口流量比達(dá)到11.17%，肥液濃度達(dá)到10.04%，且吸肥效率為1.117%；當(dāng)進(jìn)口壓力為0.07MPa時，吸肥流量為0.245m3/h。

文丘里施肥器在灌溉施肥過程中灌溉施肥濃度是評價文丘里施肥器性能優(yōu)劣的主要考慮因素，通過對試驗肥液濃度分析表明：該結(jié)構(gòu)文丘里施肥器出口為自流狀態(tài)、進(jìn)口壓力在0.05 MPa時，其吸肥性能達(dá)到最佳，且施肥濃度達(dá)到10.04%，能夠滿足實際的灌溉施肥要求。