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        基于PIPENET的在線式水肥一體化施肥機管路優(yōu)化設(shè)計

        2020-04-15 09:05:44尹義蕾張月紅張學軍
        節(jié)水灌溉 2020年1期
        關(guān)鍵詞:施肥機文丘里水肥

        李 愷,尹義蕾,何 斌,侯 永,張月紅,張學軍

        (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,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軟件作為計算機輔助設(shè)計工具[2]。

        PIPENET軟件具有高效、準確的管網(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)合科學的計算方法來核準整個系統(tǒng)的流體阻力,進行防水錘沖擊、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的研究已有很多[3-6]。本文采用 PIPENET 軟件的標準模塊,對單機設(shè)備內(nèi)管路通過導入計算模型、設(shè)置邊界條件和管道部件參數(shù),進行仿真分析,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?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,圖1為施肥機管路原理圖,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壓,喉部負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管件標準[13]確定。

        2.3 高差靜壓降計算

        管道進出口位置高度差產(chǎn)生的靜壓降ΔPH為:

        (5)

        式中:HI、HO分別為管道進口、出口的位置標高,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、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 施肥機節(jié)點及管路參數(shù)設(shè)置

        圖5 施肥機管道流量仿真結(jié)果(單位:m3/h)

        圖6 施肥機管道流速仿真結(jié)果(單位:m)

        圖7 施肥機節(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,在實驗室條件下進行了施肥機管路性能檢測試驗,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,施肥機按照仿真優(yōu)化的管徑和CHL4-30臥式離心泵搭建試驗樣機,選配DN20文丘里管,施肥機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-施肥機圖8 施肥機管路驗證試驗系統(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,減少或簡化樣機試制輪次,從而加速施肥機設(shè)計過程。

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