李 愷，尹義蕾，何 斌，侯 永，張月紅，張學(xué)軍

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，北京 100125；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

隨著國家設(shè)施農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，設(shè)施裝備水平也在不斷提升，水肥管理作為生產(chǎn)管理中重要一環(huán)，也逐漸被生產(chǎn)者所重視，相應(yīng)的水肥一體化施肥設(shè)備需求不斷加大，市場上形形色色的施肥機(jī)集中涌現(xiàn)，而不同的設(shè)備混肥原理基本相同，但由于不同園區(qū)水源條件差異較大，在吸肥混肥部分的管路設(shè)計和水泵選型方面常存在不匹配情況，需要在設(shè)計初期就根據(jù)具體情況做差異性設(shè)計[1]。在基本管路原定確定的條件下，為快速準(zhǔn)確地確定管路相關(guān)尺寸，選擇合適的水泵類型和型號，選擇PIPENET軟件作為計算機(jī)輔助設(shè)計工具[2]。

PIPENET軟件具有高效、準(zhǔn)確的管網(wǎng)系統(tǒng)計算工具，對樹狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)等復(fù)雜管網(wǎng)水力計算、多水源系統(tǒng)模擬等方面已獲得廣泛應(yīng)用。國內(nèi)針對消防、海上鉆井平臺結(jié)合科學(xué)的計算方法來核準(zhǔn)整個系統(tǒng)的流體阻力，進(jìn)行防水錘沖擊、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的研究已有很多[3-6]。本文采用 PIPENET 軟件的標(biāo)準(zhǔn)模塊，對單機(jī)設(shè)備內(nèi)管路通過導(dǎo)入計算模型、設(shè)置邊界條件和管道部件參數(shù)，進(jìn)行仿真分析，并通過試驗驗證確定仿真結(jié)果的可參考性，便于后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。因此，使用以上方法得到的計算結(jié)果將為水肥一體化施肥機(jī)管路的設(shè)計合理與否提供重要依據(jù)。

1 在線式水肥一體化施肥機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)主要還是以單棟日光溫室或塑料大棚為主，土壤栽培占絕大多數(shù)，水肥一體化技術(shù)是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中節(jié)水節(jié)肥的重要手段[7]，而施肥機(jī)作為重要載體，通過文丘里管、比例施肥泵、計量泵等核心元件實現(xiàn)水與肥料的適量混合，并注入施肥管道，通過滴灌、噴灌等方式完成施肥與灌溉。

結(jié)合實驗地點河北永清龍虎莊鄉(xiāng)當(dāng)?shù)厮辞闆r，本研究針對日光溫室膜下微噴灌溉設(shè)計了在線式水肥一體化施肥機(jī)，圖1為施肥機(jī)管路原理圖，設(shè)備包括主管路和吸肥支路，設(shè)備管路均采用PVC-U給水管。為減少占地面積，設(shè)備整體采用立式結(jié)構(gòu)，混肥核心部件為文丘里管。

圖1 施肥機(jī)管路原理

試驗溫室種植區(qū)域長70 m，寬8 m，種植面積560 m2，采取膜下微噴方式種植黃瓜為，一壟雙行，壟中心距0.6 m，使用φ28微噴帶，噴孔間隔100 mm，水源流量為30 m3。

施肥機(jī)最主要的性能參數(shù)是混肥能力，混肥核心部件文丘里管的吸肥量主要取決于喉部負(fù)壓，喉部負(fù)壓與文丘里管出入口壓力差呈線性關(guān)系，與通過流量平方呈線性關(guān)系[8]，因此仿真關(guān)注出入口壓力差及通過流量，按照肥料稀釋比例500倍，母液配置稀釋10倍，還需要施肥機(jī)稀釋倍數(shù)為50倍，按照30 m3/h灌溉流量需求。

2 管道流阻計算方法

采用PIPENET管網(wǎng)流體分析軟件中standard模塊進(jìn)行仿真計算[9]。

2.1 沿程壓力損失計算

管道沿程壓力損失ΔPY按Darcy-Weisbach公式計算，即：

(1)

式中：λ為管道摩擦系數(shù)，按式(2)計算；L為管道長度，m；d為管道內(nèi)徑，mm；ρ為水肥溶液密度，kg/m3；v為管道內(nèi)流速，m/s。

在線式水肥一體化施肥機(jī)主體管路按照30 m3/h設(shè)計，所用管路為截面為圓形的UPVC供水管，管道內(nèi)徑100 mm。管道摩擦系數(shù)與流動狀態(tài)及管壁粗糙度有關(guān)，根據(jù)設(shè)計流速，λ按Colebrook方程計算[10]，即式(2)。施肥機(jī)內(nèi)管道雷諾數(shù)Re>2 000，系統(tǒng)處于過渡狀態(tài)或紊流狀態(tài)，其中Re按式(3)計算[11]。

(2)

(3)

式中：ε為管壁等值粗糙度，mm；μ為水肥溶液的動力黏度，Pa·s。

2.2 局部壓力損失計算

管道中的彎頭、三通等管件的局部壓力損失ΔPJ為：

(4)

式中：ζ為管道各局部阻力系數(shù)。

彎頭、三通等管件的局部阻力系數(shù)ζ的取值根據(jù)相關(guān)動力管道設(shè)計規(guī)范[12]及PVC-U管件標(biāo)準(zhǔn)[13]確定。

2.3 高差靜壓降計算

管道進(jìn)出口位置高度差產(chǎn)生的靜壓降ΔPH為：

(5)

式中：HI、HO分別為管道進(jìn)口、出口的位置標(biāo)高，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

2.4 管道總壓力損失計算

管道總壓力損失由沿程壓力損失、局部壓力損失、高差靜壓降的壓力損失3部分組成， 管道總壓力損失ΔP為：

ΔP=ΔPY+ΔPJ+ΔPH

(6)

3 計算假設(shè)及邊界條件

(1)施肥機(jī)處于灌溉系統(tǒng)中，系統(tǒng)供水及施肥處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，擬定設(shè)備仿真處于20 ℃環(huán)境溫度中。

(2)在實際環(huán)境中，施肥機(jī)供水水源流量為30 m3/h，施肥末端滴灌帶要求壓力為0.15 MPa。

(3)管壁的等值粗糙度取0.1 mm。

(4)為滿足穩(wěn)定吸肥，文丘里管進(jìn)、出口端壓力差要大于0.15 MPa。

4 計算模型及參數(shù)輸入

在PIPENET軟件環(huán)境下，根據(jù)在線式水肥一體化施肥機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建管道計算模型，如圖3所示。圖中節(jié)點1與節(jié)點8分別為施肥機(jī)的供水口及灌溉口，即系統(tǒng)入口和出口。各段管道編號如圖4所示。各節(jié)點及管路參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 施肥機(jī)管道計算模型

按照肥料稀釋比例500倍，母液配置稀釋10倍，還需要施肥機(jī)稀釋倍數(shù)為50倍，按照30 m3/h灌溉流量需求，吸肥流量約600 L/h，水泵流量約為6 m3/h。選擇流量4～8 m3/h的臥式離心泵，通過利用多項式模型擬合水泵流量圧力曲線滿足：

y= -0.004 5x2-0.003 5x+0.385 4

(7)

5 計算結(jié)果

通過PIPENET軟件仿真得到結(jié)果，主管路流速為0.9～1.2 m，符合設(shè)備經(jīng)濟(jì)流速，水泵實際運行流量5.488 m3/h滿足水泵運行工況需求。系統(tǒng)最大壓力為0.379 MPa，處于UPVC管路安全壓力范圍內(nèi)。文丘里管處進(jìn)出口端壓力差為0.22 MPa，滿足吸肥啟動壓力，文丘里管內(nèi)流量2.743 m3/h(圖5～圖7)。

表1 施肥機(jī)節(jié)點及管路參數(shù)設(shè)置

圖5 施肥機(jī)管道流量仿真結(jié)果(單位：m3/h)

圖6 施肥機(jī)管道流速仿真結(jié)果(單位：m)

圖7 施肥機(jī)節(jié)點壓力仿真結(jié)果(單位：MPa G)

6 試驗驗證

為驗證仿真結(jié)果的可靠性，在實驗室條件下進(jìn)行了施肥機(jī)管路性能檢測試驗，通過初始設(shè)計搭建如圖2的在線式水肥一體化施肥機(jī)性能測試平臺。實驗臺包括3個聯(lián)通的1.5 m3蓄水桶，蓄水桶出口接入額定流量為30 m3/h的變頻泵，施肥機(jī)按照仿真優(yōu)化的管徑和CHL4-30臥式離心泵搭建試驗樣機(jī)，選配DN20文丘里管，施肥機(jī)出入口分別安裝壓力表及流量表(圖8)。

1-入口壓力表；2-入口流量計；3-蓄水箱；4-水源變頻泵；5-出口流量計；6-出口壓力表；7-施肥機(jī)圖8 施肥機(jī)管路驗證試驗系統(tǒng)

調(diào)整出口球閥和水源水泵變頻器設(shè)定壓力，使系統(tǒng)出口壓力為0.15 MPa且系統(tǒng)運行穩(wěn)定后入口壓力0.163 MPa，流量為30 m3/h，施肥機(jī)主管路壓力為0.154 MPa，仿真結(jié)果與實測值誤差小于5.5%(圖9)。單路吸肥流量分別為336、319 L/h，出口處肥料溶液EC值波動范圍為2 200～2 600 mS/cm，通過調(diào)整吸肥管路上的針閥可以調(diào)整施肥機(jī)吸肥量，從而調(diào)整灌溉溶液的EC值，設(shè)備滿足水肥一體化灌溉使用。

圖9 施肥機(jī)水泵仿真結(jié)果

7 結(jié) 論

(1)通過驗證實驗可以看出，基于PIPENET進(jìn)行施肥設(shè)備管路輔助設(shè)計可校核設(shè)備管徑合理性，快速計算水泵實際工作工況點，有利于水泵迅速選型工作狀態(tài)的調(diào)整，通過仿真結(jié)果與實測值對比主管路壓力誤差小于5.5%。

(2)PIPENET模擬分析軟件用于施肥設(shè)備管路輔助設(shè)計結(jié)果可靠，減少或簡化樣機(jī)試制輪次，從而加速施肥機(jī)設(shè)計過程。