摘要：為改善現(xiàn)有大直徑文丘里施肥器的吸肥性能，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).基于大直徑對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器（M型），對(duì)其改造設(shè)計(jì)為偏心型文丘里施肥器（P型）.采用正交設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，以吸肥效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定P型文丘里施肥器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并對(duì)2種施肥器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬對(duì)比分析.結(jié)果表明最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為喉管進(jìn)口直徑17 mm、擴(kuò)散角3°、喉管出口直徑20 mm、喉管凹槽寬度4 mm、喉管直線(xiàn)段長(zhǎng)度16.6 mm、喉管凹槽直徑27 mm、收縮角23.5°.通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的P型施肥器較M型施肥器的最大吸肥流量提高了21.4%；在進(jìn)口壓力為0.25 MPa時(shí)，最大吸肥濃度提升了約30.7%，最大吸肥效率提升了約13.9%.流場(chǎng)分析表明，相較于M型施肥器，在相同的壓差條件下，P型施肥器更不容易產(chǎn)生空化，并且P型文丘里施肥器流態(tài)更加穩(wěn)定，能量損失更小.可見(jiàn)優(yōu)化后的偏心型文丘里施肥器能提高吸肥性能.

關(guān)鍵詞：偏心型文丘里施肥器；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；正交設(shè)計(jì)；吸肥性能

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-8530（2024）09-0957-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0057

賀向麗，唐中，王鵬.大直徑偏心型文丘里施肥器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（9）：957-964.

HE Xiangli， TANG Zhong， WANG Peng. Optimization design and test of large diameter eccentric Venturi fertilizer injector[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（9）： 957-964. （in Chinese）

Optimization design and test of large diameter eccentric

Venturi fertilizer injector

HE Xiangli^1*， TANG Zhong²， WANG Peng¹

（1. College of Water Resources and Civil Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2. PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited， Xi′an， Shaanxi 710065， China）

Abstract： In order to improve the fertilizer absorption performance of the existing large diameter Venturi fertilizer injectors， the structure optimization design was carried out. Based on the large diameter symmetrical Venturi fertilizer injector （M-type）， it was modified and designed as an eccentric Venturi fertilizer injector （P-type）. Orthogonal design method and numerical simulation technology were applied， and the absorption efficiency was used as the evaluation index to determine the optimal combination of structural parameters of the eccentric Venturi injector. Experimental testing and numerical simulation comparative analysis were conducted on two types of fertilizer applicators. The result shows that the optimal combination of structural parameters is a throat inlet diameter d₁（17 mm）， a diffusion angle β（3°）， a throat outlet diameter d₂（20 mm）， a straight section length L₂（16.6 mm）， a throat groove diameter d（27 mm）， a throat groove width L₁（4 mm）and a contraction angle α（23.5°）. Through experimental tests and comparative analysis， it is found that the optimized P-type injector increases the maximum fertilizer absorption flow rate by 21.4% compared to the maximum suction flow of the M-type injector. When the inlet pressure is 0.25 MPa， the maximum fertilizer absorption concentration is increased by about 30.7%， and its maximum fertilizer absorption efficiency is increased by about 13.9%. Flow field analysis shows that compared with the M-type fertilizer injector， the P-type injector is less prone to cavitation under the same pressure difference， and the flow pattern of the P-type Venturi injector is more stable and its energy loss is smaller. The preceding research demonstrates that the optimized eccentric Venturi fertilizer injector can improve the fertilizer absorption performance.

Key words：eccentric Venturi fertilizer injector；structural optimization；orthogonal design；fertilizer absorption performance

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)行水肥一體化可做到水、肥、生態(tài)農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，不僅能節(jié)省灌溉用水量，還能實(shí)現(xiàn)節(jié)肥、增產(chǎn)等多種效益，水肥一體化已成為現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)節(jié)水主推技術(shù)之一^[1-3].水肥一體化中常用的施肥裝置有壓差式施肥器、注肥泵、比例施肥器、文丘里施肥器等^[4].其中文丘里施肥裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、操作方便、無(wú)需外加動(dòng)力等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用^[5].

文丘里施肥器的主要類(lèi)型按結(jié)構(gòu)是否對(duì)稱(chēng)可分為對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器、非對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器.目前國(guó)內(nèi)外的文丘里施肥器幾乎都是對(duì)稱(chēng)型的結(jié)構(gòu)；非對(duì)稱(chēng)型的結(jié)構(gòu)由于出現(xiàn)較晚且工藝相對(duì)復(fù)雜一些，所以對(duì)其研究相對(duì)較少，其中的偏心型文丘里施肥器一般具有更好的吸肥性能^[6].

對(duì)文丘里施肥器的研究，常結(jié)合理論分析、試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬等方法^[7-8]，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作性能等進(jìn)行分析.早期學(xué)者主要基于流體力學(xué)理論進(jìn)行理論推導(dǎo)，奠定了文丘里施肥器的理論基礎(chǔ)^[9-10].后有學(xué)者針對(duì)特定的文丘里施肥器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)而研究其具體的工作特性^[11-12].近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展，通過(guò)CFD仿真模擬的方式對(duì)文丘里施肥器的工作性能、空化現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究越發(fā)普遍，CFD仿真模擬極大地降低了試驗(yàn)研究成本，進(jìn)一步推動(dòng)了文丘里施肥器的性能研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)^[13-15].在以往學(xué)者的研究成果中，非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的偏心型文丘里施肥器相比傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器能量損失更小、空化現(xiàn)象更弱，具有更優(yōu)的吸肥性能.

鑒于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上文丘里施肥器產(chǎn)品規(guī)格單一，種類(lèi)少，吸肥性能普遍較差，并且缺乏適合大、中型滴灌系統(tǒng)的大直徑施肥器產(chǎn)品，文中將選擇一款國(guó)際市場(chǎng)上吸肥性能較優(yōu)的大直徑DN50對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行偏心型改造，以設(shè)計(jì)出一種適用于大流量應(yīng)用情況下吸肥性能更優(yōu)的文丘里施肥器.

1 偏心型文丘里施肥器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在市場(chǎng)上選擇一款吸肥性能較好的對(duì)稱(chēng)型DN50文丘里施肥器產(chǎn)品，該施肥器由美國(guó)Mazzei公司生產(chǎn)，型號(hào)為Model 2081A，其吸肥性能優(yōu)越，是美國(guó)專(zhuān)利產(chǎn)品（U.S.Pat.5863128），如圖1所示.該施肥器主管道采用中心軸對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，在喉管處設(shè)計(jì)有凹槽，通過(guò)凹槽與吸肥管相連接，其內(nèi)部流體域結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為進(jìn)、出口直徑D（40 mm），進(jìn)、出口直線(xiàn)段長(zhǎng)度L（40 mm），喉管凹槽寬度L₁（3.6 mm），喉管直線(xiàn)段長(zhǎng)度L₂（16.6 mm），收縮角α（23.5°），擴(kuò)散角β（4°），喉管進(jìn)口直徑d₁（19 mm），喉管出口直徑d₂（20 mm），吸肥口直徑d₃（25 mm），喉管凹槽直徑d（25 mm）^[16].

為了能提高各吸肥性能參數(shù)，將Mazzei DN50對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器（后文稱(chēng)為M型）進(jìn)行偏心型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).偏心型文丘里施肥器（后文稱(chēng)為P型）一般采用向上偏移的方式，即上部為水平連接方式，這有利于減少施肥器上部的流速碰撞，減少能量損失，此外還能增強(qiáng)對(duì)喉管負(fù)壓的利用.

設(shè)計(jì)將在不改變對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，調(diào)整為偏心型文丘里施肥器，把文丘里施肥器喉管部分整體向上偏移.偏移后，施肥器喉管上部與收縮、擴(kuò)散段變成水平連接的形式，下部則進(jìn)行相適應(yīng)的向上偏移.其中，進(jìn)口或出口直徑 D、喉管進(jìn)口直徑 d₁、喉管出口直徑d₂、吸肥口直徑 d₃、喉管凹槽直徑d、喉管凹槽寬度L₁和喉管直線(xiàn)段長(zhǎng)度L₂均不變，與水平方向的夾角α（收縮角）和β（擴(kuò)散角）也不變，但因?yàn)榭倞A角縮小一半，所以收縮段和擴(kuò)散段長(zhǎng)度也相應(yīng)增加，如圖3所示.

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析，以吸肥效率η（%）作為正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)^[17]，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合.計(jì)算式為

η=MN×100%，（1）

M=qQ₁，（2）

N=p₂－p₃p₁－p₂，（3）

式中：η為吸肥效率，同時(shí)考慮吸肥流量和壓力損失，用于反映文丘里施肥器的綜合吸肥性能，%；q，Q₁ 分別為吸肥流量和進(jìn)口流量，L/h；p₁，p₂和p₃分別為施肥器進(jìn)口、出口壓力以及吸肥口壓力，MPa；M為施肥器進(jìn)、出口流量比，用于反映文丘里施肥器的吸肥能力；N為施肥器總壓比，用于反映施肥器能量損失.

1.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，文丘里施肥器的收縮段、擴(kuò)散段以及喉部的尺寸對(duì)吸肥性能影響較為顯著，因此選擇7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為正交設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，分別為喉管直管段長(zhǎng)度L₂、喉管凹槽寬度L₁、喉管進(jìn)口直徑d₁、喉管出口直徑d₂、喉管凹槽直徑d（d與吸肥口直徑d₃相同，則不對(duì)d₃再做分析）、收縮角α、擴(kuò)散角β.每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分為3個(gè)水平，見(jiàn)表1，其他參數(shù)保持不變.正交設(shè)計(jì)方案共有18種，正交表選用L18（3⁷），具體分組設(shè)置詳見(jiàn)表2.

1.2.2 數(shù)值模型及驗(yàn)證

對(duì)18種不同的正交設(shè)計(jì)方案采用UG12.0創(chuàng)建三維模型，三維模型的原點(diǎn)位于喉管凹槽的中心.建模后導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為保證仿真模擬的效果，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)文丘里結(jié)構(gòu)模型采用一致的塊劃分思想與局部加密措施，盡量避免由于網(wǎng)格質(zhì)量的差異對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.5以上，全局最大網(wǎng)格尺寸為0.65 mm，18個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量均在50萬(wàn)左右.然后運(yùn)用Fluent進(jìn)行模擬分析，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，流場(chǎng)的數(shù)值解法采用SIMPLEC算法用于壓力校正連續(xù)性方程的解，控制方程的離散格式選用精度較高的二階迎風(fēng)格式，殘差監(jiān)測(cè)收斂為10^-5.對(duì)于文丘里施肥器數(shù)值模型的進(jìn)出口條件，均分別采用壓力邊界條件.

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性，利用上述模擬方法對(duì)M型文丘里施肥器進(jìn)行數(shù)值分析，圖4為模型驗(yàn)證.在進(jìn)口壓力為0.35 MPa時(shí)，模擬結(jié)果與廠家測(cè)試結(jié)果^[18]對(duì)比如圖4a所示，圖中Δp為施肥器進(jìn)口、出口壓力差；同時(shí)還對(duì)文獻(xiàn)[6]中DN25偏心型文丘里施肥器進(jìn)行了建模分析，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4b所示；2種情況下相對(duì)誤差均小于5%，故上述數(shù)值模擬方法具有較強(qiáng)的可靠性.

1.2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

因?yàn)槲那鹄锸┓势麟S著進(jìn)出口壓差增加，其吸肥效率逐漸增加；后由于空化的影響，吸肥流量保持穩(wěn)定，不再增加，再之后吸肥效率則會(huì)出現(xiàn)顯著下降.故最大吸肥效率將出現(xiàn)在開(kāi)始發(fā)生空化的壓差及以下的壓差范圍內(nèi)出現(xiàn).為避免空化的影響，數(shù)值模擬將控制在較低壓差的情況下進(jìn)行.文中試驗(yàn)選擇了這幾種工況：進(jìn)口、出口壓力p₁，p₂分別為0.25和0.14 MPa，0.29和0.14 MPa，0.32和0.14 MPa，0.32和0.17 MPa，0.32和0.21 MPa.

通過(guò)數(shù)值模擬，得出了各工況下的吸肥流量、進(jìn)出口流量、壓力等數(shù)據(jù)，并由式（1）—（3）計(jì)算出施肥器進(jìn)出口流量比、壓力比以及吸肥效率，并建立吸肥效率η與流量比M之間的回歸方程，再由回歸方程可求出各組的最大吸肥效率η_max，見(jiàn)表3：第15組的η_max能達(dá)到15.10%，是18組試驗(yàn)中吸肥效率最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合.即最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案組合是d₁（17 mm），β（3°），d₂（20 mm），L₂（16.6 mm），d（27 mm），L₁（4.0 mm），α（23.5°）.

2 偏心型文丘里施肥器性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)及方案

為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的DN50偏心型文丘里施肥器（P型）通過(guò)3D打印的方式得出實(shí)體模型，如圖5所示.對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與對(duì)稱(chēng)型施肥器原產(chǎn)品（M型）進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試，得出各吸肥性能以進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.需要說(shuō)明的是3D打印的P型施肥器的材質(zhì)與市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的M型相比略微粗糙，在一定程度上也影響了吸肥性能的發(fā)揮.

2.1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院水力試驗(yàn)大廳，如圖6所示.平臺(tái)主要包括蓄水系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及循環(huán)系統(tǒng)等組成，將文丘里施肥器與管網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)并聯(lián)的方式進(jìn)行連接.

2.1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在室溫20 ℃左右時(shí)進(jìn)行，采用清水，肥液亦用清水替代，吸肥高度為60 cm；為保證吸肥高度不變，試驗(yàn)過(guò)程中將通過(guò)水管不間斷地向肥料桶中補(bǔ)充水.通過(guò)閥門(mén)F₁和F₅調(diào)節(jié)主管道的初始流量及壓力，然后通過(guò)閥門(mén)F₄調(diào)節(jié)進(jìn)入文丘里施肥器主管道的流量以及進(jìn)口壓力，之后通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)F₅對(duì)施肥器的出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)出試驗(yàn)所需的各種壓力或流量工況.試驗(yàn)工況設(shè)置為施肥器進(jìn)口初始?jí)毫?.25 MPa，然后按照0.05 MPa的梯度進(jìn)行等梯度增加，直至達(dá)到0.45 MPa；在同一個(gè)進(jìn)口壓力條件下，再以0.02 MPa的梯度等梯度調(diào)節(jié)出口壓力，以此調(diào)節(jié)文丘里施肥器的進(jìn)出口壓力差.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 吸肥流量對(duì)比

通過(guò)對(duì)M型和P型施肥器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，得出了各工況下的吸肥流量，并繪制出如圖7所示的吸肥流量q與進(jìn)出口壓差Δp之間的關(guān)系曲線(xiàn).總體上，在進(jìn)口壓力一定的情況下，兩種結(jié)構(gòu)的吸肥流量都隨著壓差增加而逐漸增加，但限于空化的影響，吸肥流量有一個(gè)上限值，達(dá)到最大吸肥流量時(shí)，壓差繼續(xù)增大對(duì)吸肥無(wú)增益效果.對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)M型施肥器的最大吸肥流量為2 200 L/h，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的P型施肥器最大吸肥流量可達(dá)到2 670 L/h.表3為M型在進(jìn)口壓力為0.35 MPa時(shí)，其吸肥流量測(cè)試結(jié)果Q_t與廠家測(cè)試結(jié)果^[18]Q_tf的對(duì)比，相對(duì)誤差σ絕對(duì)值不超過(guò)5%，誤差在允許范圍內(nèi).

根據(jù)圖7中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出2種施肥器各工況吸肥流量等值點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)線(xiàn)性回歸可得到吸肥流量等值線(xiàn)為Δp=0.378p₁-0.008 5（R²=0.98），如圖8所示.在等值線(xiàn)下方的低壓差區(qū)域中，M型的吸肥流量更大；而在等值線(xiàn)以上區(qū)域的高壓差范圍內(nèi)，則P型的吸肥流量更大.P型較M型的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在高壓差發(fā)生空化后吸肥流量達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)P型文丘里施肥器較M型的最大吸肥流量提升了21.4%.此外，等值線(xiàn)斜率k為0.378lt;1，表明相較M型施肥器，P型施肥器在更大的壓差范圍內(nèi)吸肥性能表現(xiàn)更優(yōu).在進(jìn)口壓力固定的情況下，高壓差即意味著較大的流量，對(duì)于大直徑施肥器而言，通過(guò)的流量都較大，即需要的壓差也較大，此時(shí)P型施肥器的優(yōu)勢(shì)更能得以體現(xiàn).

2.2.2 吸肥濃度對(duì)比

文丘里施肥器的吸肥流量q與出口流量Q₂可通過(guò)流量計(jì)測(cè)得，通過(guò)求解q與Q₂的比值，可以得到吸肥后的吸肥濃度θ，如圖9所示.在進(jìn)口壓力一定時(shí)，2種施肥器的吸肥濃度都隨著壓差增加而逐漸增加，直到發(fā)生空化后，施肥器內(nèi)部的過(guò)流能力大幅減弱，過(guò)流量隨壓差增加得十分緩慢，并逐漸趨于穩(wěn)定；此外吸肥流量亦逐漸趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致此時(shí)的吸肥濃度也趨于穩(wěn)定并達(dá)到濃度最大值；P型所能達(dá)到的最大吸肥濃度高于M型.而隨著進(jìn)口壓力逐漸增大，2種施肥器的最大吸肥濃度都在逐漸降低，但在較高壓差條件下，P型的吸肥濃度比M型更高.當(dāng)進(jìn)口壓力為0.25 MPa時(shí)，M型施肥器的最大吸肥濃度約為9.8%，而P型施肥器的最大吸肥濃度約為12.8%，最大吸肥濃度提升了約30.7%.

2.2.3 吸肥效率對(duì)比

用式（1）計(jì)算出的2種施肥器的吸肥效率如圖10所示.相同壓力進(jìn)口條件下，P型施肥器所能達(dá)到的最大吸肥效率高于M型施肥器的，例如在進(jìn)口壓力為0.25 MPa時(shí)，M型的最大吸肥效率約為15.1%，而P型的最大吸肥效率約為17.2%，最大吸肥效率提升了約13.9%.此外，由圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口壓力逐漸增大，2種施肥器的最大吸肥效率都在逐漸降低，但P型的吸肥效率在較高壓差條件下總體比M型的吸肥效率更高.

3 偏心型文丘里施肥器流場(chǎng)分析

為進(jìn)一步分析2種施肥器吸肥性能差異的內(nèi)在原因，基于空化模型對(duì)M型與優(yōu)化后的P型施肥器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析.

選取施肥器內(nèi)部發(fā)生空化的工況（進(jìn)口壓力為0.35 MPa，出口壓力為0.07 MPa）進(jìn)行模擬，這時(shí)2種施肥器均達(dá)到最大吸肥流量的狀態(tài)，施肥器內(nèi)部皆有空化發(fā)生，此時(shí)加大施肥進(jìn)出口壓差已經(jīng)無(wú)法增加吸肥流量.在此工況下，分析2種施肥器特征截面的壓力、流場(chǎng)、空化等分布情況.

選取管軸線(xiàn)縱剖面即Y=0（m）截面作為特征面進(jìn)行分析，該截面為施肥器前后對(duì)稱(chēng)面，具有較好的代表性.

3.1 壓力分布規(guī)律

圖11為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后2種施肥器Y=0（m）截面壓力的分布云圖.圖中p為靜壓力；Z和X分別是施肥器的高度和長(zhǎng)度.可以發(fā)現(xiàn)2種施肥器的內(nèi)部壓力場(chǎng)分布大致相同，但在喉管部分兩者的壓力分布有著明顯的差異.兩者在喉管凹槽處壓力分布近似一致，在喉管出口直線(xiàn)段開(kāi)端處開(kāi)始發(fā)生變化，M型在喉管部分負(fù)壓呈上下對(duì)稱(chēng)的分布規(guī)律，P型喉管部分負(fù)壓呈現(xiàn)向下偏移的非對(duì)稱(chēng)分布規(guī)律.因?yàn)镻型喉管上部與收縮擴(kuò)散段采用水平連接的形式，收縮段并未對(duì)軸線(xiàn)上半部分的流體產(chǎn)生過(guò)大的影響，所以此處的流體流速及密度并未受到顯著的影響，從而壓強(qiáng)也沒(méi)有顯著降低.而從能量角度觀察，M型喉管上部的負(fù)壓對(duì)吸肥沒(méi)有做有效功，因而造成了一定的能量浪費(fèi).

3.2 流速分布規(guī)律

進(jìn)一步分析Y=0（m）截面的流速分布云圖，如圖12所示.

可以發(fā)現(xiàn)2種施肥器的流速分布有著較大的差異，差異主要集中在喉管部分和擴(kuò)散段.在喉管放大的部分發(fā)現(xiàn)，在湍流區(qū)，M型的流速表現(xiàn)在管中心流速最大，流速向管壁上、下方向大致呈等梯度遞減；P型的流速極值點(diǎn)則向上偏移，總體流速重心向上偏移，流速向上遞減的梯度較向下的梯度更小.此外，繼續(xù)往出口觀察，在擴(kuò)散段，施肥器流速云圖分布輪廓線(xiàn)中，P型相對(duì)更加平滑，而M型更加紊亂，那么P型流態(tài)更加穩(wěn)定，M型較P型的能量損失更大.

3.3 空化分布規(guī)律

同時(shí)針對(duì)Y=0（m）截面的體積分?jǐn)?shù)分布云圖進(jìn)行分析.體積分?jǐn)?shù)是每相所占總體積的比值，這里以液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1.0時(shí)代表只有液態(tài)水，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)小于1.0時(shí)代表有氣態(tài)水，說(shuō)明產(chǎn)生了空化，其值可表征空化強(qiáng)度的大小.空化對(duì)施肥器吸肥性能有著顯著的影響，空化發(fā)生時(shí)，流場(chǎng)會(huì)有強(qiáng)烈擾動(dòng)，不僅會(huì)造成施肥器內(nèi)部的能量損失，還會(huì)縮短施肥器的使用壽命.此外，施肥器內(nèi)部空化狀態(tài)也決定著其最大吸肥流量.

2種施肥器的液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖13所示，圖中φ為體積分?jǐn)?shù).

可以發(fā)現(xiàn)P型的空化出現(xiàn)在喉管凹槽到擴(kuò)散段的前端，而M型其喉管出口直線(xiàn)段與擴(kuò)散段上半部分也有一定的空化發(fā)生.M型上、下皆有空化發(fā)生，而P型與M型相比較，其空化更集中于喉管凹槽出口一段距離的下半部分，其上半部分未發(fā)生空化.結(jié)合壓力與速度分析，P型的上半部分流態(tài)更加穩(wěn)定，能量損失更??；而M型上、下部分流態(tài)都會(huì)受到空化的影響，造成施肥器內(nèi)部流態(tài)擾動(dòng)疊加，從而能量損失更大，吸肥性能不如P型.

4 結(jié) 論

將大直徑對(duì)稱(chēng)型文丘里施肥器進(jìn)行偏心型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用正交設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和流場(chǎng)分析對(duì)2種施肥器進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1） 通過(guò)7因素3水平的正交試驗(yàn)，得出文丘里偏心型施肥器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合：d₁為17 mm，β為3°，d₂為20 mm，L₂為16.6 mm，d為27 mm，L₁為4.0 mm，α為23.5°.

2） 由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在進(jìn)口壓力一定的情況下，在相對(duì)較大的壓差范圍內(nèi)，P型文丘里施肥器的吸肥性能更優(yōu)，吸肥效率更高；P型最大吸肥流量為2 670 L/h，較M型提升了21.4%；在進(jìn)口壓力為0.25 MPa時(shí)，P型最大吸肥濃度及效率較M型分別提升了30.7%和13.9%.

3） 通過(guò)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)模擬分析，對(duì)比2種施肥器的壓力、流速以及空化分布規(guī)律，優(yōu)化后的P型施肥器，在相同的壓差條件下，更不容易產(chǎn)生空化，吸肥性能更好，并且相較于M型施肥器，流態(tài)更加穩(wěn)定，能量損失更小，這再次驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有更佳的性能.

文中研究仍存在一定的不足：①在試驗(yàn)測(cè)試中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)采用3D打印，未考慮材質(zhì)因素，而表面粗糙度可將擾動(dòng)引入到流動(dòng)中去，對(duì)流態(tài)有一定影響；②偏心型結(jié)構(gòu)與對(duì)稱(chēng)型結(jié)構(gòu)相比，軸向水平長(zhǎng)度較長(zhǎng)，尤其是大直徑施肥器更為明顯，在使用上可能會(huì)帶來(lái)一定不便.后續(xù)可針對(duì)在不影響吸肥性能前提下如何縮短軸向長(zhǎng)度方面進(jìn)行深入研究.

參考文獻(xiàn)（References）

[1]李仰斌， 劉俊萍. 中國(guó)節(jié)水灌溉裝備與技術(shù)發(fā)展展望[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2020，38（7）：738-742.

LI Yangbin， LIU Junping. Prospects for development of water-saving irrigation equipment and technology in China[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering， 2020，38（7）：738-742.（in Chinese）

[2]卞東超， 楊發(fā)展， 趙國(guó)棟， 等. 藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)構(gòu)建[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2022，43（8）：55-61.

BIAN Dongchao， YANG Fazhan， ZHAO Guodong， et al. Construction of intelligent water and fertilizer integration system for blueberry greenhouse[J]. Journal of Chinese agricultural mechcanization， 2022，43（8）：55-61.（in Chinese）

[3]劉富強(qiáng)，竇超銀，顧桂棟，等.風(fēng)沙土水肥一體化滴灌水量對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2023，51（5）：110-116.

LIU Fuqiang， DOU Chaoyin， GU Guidong， et al. Impacts of water and fertilizer drip irrigation on growth and yield of maize in windy sandy soil[J]. Jiangsu agricultural sciences， 2023，51（5）：110-116.（in Chinese）

[4]韓啟彪， 馮紹元， 黃修橋， 等. 我國(guó)節(jié)水灌溉施肥裝置研究現(xiàn)狀[J]. 節(jié)水灌溉， 2014，39（12）：76-79.

HAN Qibiao， FENG Shaoyuan， HUANG Xiuqiao， et al. Research on fertilizer injection units in saving-water irrigation in China[J]. Water saving irrigation， 2014，39（12）：76-79. （in Chinese）

[5]韓啟彪， 黃興法， 劉洪祿， 等. 6種文丘里施肥器吸肥性能比較分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2013，44（4）：113-117.

HAN Qibiao， HUANG Xingfa， LIU Honglu， et al. Comparative analysis on fertilization performance of six Venturi injectors[J]. Transactions of the CSAM， 2013，44（4）： 113-117. （in Chinese）

[6]王海濤， 王建東， 楊彬， 等. 非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)文丘里施肥器數(shù)值模擬[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2018，36（11）：1098-1103.

WANG Haitao， WANG Jiandong， YANG Bin， et al. Numerical simulation of Venturi injector with non-axis-symmetric structure[J]. Journal of drainage and irriga-tion machinery engineering， 2018，36（11）： 1098-1103. （in Chinese）

[7]LI Hao， LI Hong， HUANG Xiuqiao， et al. Numerical and experimental study on the internal flow of the Venturi injector[J]. Processes， 2020，8（1）：pr8010064.

[8]胡辰，方學(xué)良，史揚(yáng)杰.稻田氣力施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2022，43（1）：14-19.

HU Chen， FANG Xueliang， SHI Yangjie. Design and test of pneumatic fertilizer apparatus in paddy field[J]. Journal of Chinese agricultural mechanization， 2022，43（1）：14-19.（in Chinese）

[9]NETO I E L， DE MELO PORTO R. Performance of low-cost ejectors[J]. Journal of irrigation and drainage engineering， 2004，130（2）：122-128.

[10]沙毅， 侯素娟. 并聯(lián)式文丘里管施肥器試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械， 1995，14（2）：37-39.

SHA Yi， HOU Sujuan. Experimental research on applying fertilizer apparatus of parallel Venturi tubes[J]. Drainage and irrigation machinery， 1995，14（2）：37-39. （in Chinese）

[11]MANZANO J， PALAU C V， DE AZEVEDO B M， et al. Design and installation alternatives of Venturi injectors in drip irrigation[J]. Revista ciência agronmica， 2015，46（2）：287-289.

[12]嚴(yán)海軍， 陳燕， 徐云成， 等. 文丘里施肥器的空化特性試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2013，31（8）：724-728.

YAN Haijun， CHEN Yan， XU Yuncheng， et al. Experimental investigation on cavitation characteristics of Venturi injector[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering， 2013，31（8）：724-728.（in Chinese）

[13]YAN H J， CHEN Y， CHU X Y， et al. Effect of structural optimization on performance of Venturi injector[C]//Proceedings of IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2012，15（7）：072014.

[14]李浩， 黃修橋， 呂謀超， 等. 基于空化模型的文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)分析[J]. 節(jié)水灌溉， 2018，43（1）：10-13.

LI Hao， HUANG Xiuqiao， LYU Mouchao， et al. Analysis of internal flow of Venturi injector based on ca-tivation model[J]. Water saving irrigation， 2018，43（1）：10-13.（in Chinese）

[15]王淼， 黃興法， 李光永. 文丘里施肥器性能數(shù)值模擬研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2006，22（7）：27-31.

WANG Miao， HUANG Xingfa， LI Guangyong. Numeri-cal simulation of characteristics of Venturi injector[J]. Transactions of the CSAE， 2006，22（7）：27-31.（in Chinese）

[16]MAZZEI A L. Mixer-injectors with twisting and straigh-tening vanes： US005863128A[P].1999-01-26.

[17]張建闊， 李加念， 吳昊， 等. 基于雙吸肥口的低壓文丘里施肥器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2017，33（14）：115-121.

ZHANG Jiankuo， LI Jianian， WU Hao， et al. Design and experiment of low pressure Venturi injector based on double fertilizer inlets[J]. Transactions of the CSAE， 2017，33（14）：115-121. （in Chinese）

[18]Mazzei Injector Company. Differential pressure injectors for fertilization and other chemical applications[Z]. Bakersfield， USA： Mazzei Injector Company， LLC， 2011.

（責(zé)任編輯 張文濤）