基于双吸肥口的低压文丘里施肥器设计与试验

张建阔，李加念，吴 昊，马泽宇，Waleed Elnour Babekir Salih，胡赫谌

（昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500）

基于双吸肥口的低压文丘里施肥器设计与试验

张建阔，李加念※，吴 昊，马泽宇，Waleed Elnour Babekir Salih，胡赫谌

（昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500）

为降低文丘里施肥器的吸肥临界进口压力，使之适用于低压灌溉施肥系统，设计了一种双吸肥口文丘里施肥器。选取喉管收缩比、收缩段角度、扩散段角度和喉管长径比4个结构参数，采用正交试验设计方法，构建16种结构参数组合方案，运用CFD模拟技术对每种方案的吸肥性能进行模拟，以吸肥性能为评价指标确定最佳结构参数组合，并根据最佳结构参数组合试制文丘里施肥器原型样品，并在0～0.15 MPa进口压力范围内对其吸肥性能进行分析。结果表明，最佳结果参数为：喉管收缩比为 0.3、收缩段角度为 20°、扩散段角度为8°、喉管长径比为 1.1。最佳结构文丘里施肥器试制样品实测结果与模拟分析结果一致，在相同进口压力下各个实测值均略小于模拟分析值，实测与模拟吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率的均方根误差分别为0.22 L/min、0.96%、0.93%和0.68%。在相同进口压力下，相比于相同结构参数的单吸肥口文丘里施肥器，模拟得出的吸肥量提高了90%，进口流量比提高了85%，肥液浓度提高了80%，吸肥效率提高了 80%，表明双吸肥口施肥器的吸肥性能比单吸肥口施肥器有较大提高；双吸肥口施肥器实测临界进口压力为0.007 MPa，当进口压力为0.05 MPa时其吸肥浓度可达13.6%，与现有文丘里施肥器相比，在获得同等或更高的吸肥性能时具有更低的工作进口压力，更适用于低压滴灌系统。

结构; CFD；数值分析; 文丘里施肥器; 双吸肥口; 低压; 吸肥性能

0 引 言

水肥一体化灌溉技术是现代农业的一个重要标志，既可满足灌溉的质量要求，同时对环境的污染也最小，在发达国家已成为一种标准的作业方式。低压滴灌技术是一种能量优化利用的水肥一体化灌溉技术，不仅具备常压滴灌技术的所有优点，还可以降低灌溉系统的建设成本和运行成本，是未来滴灌技术发展的一个重要方向[1]。施肥装置是实现滴灌施肥的重要部件之一，目前国内外常用的施肥装置主要有自压式[2]、压差式[3]、机械驱动注入式[4]、水力驱动注入式[5]和文丘里吸入式等[6-8]。文丘里施肥器因成本低、结构简单、无需外部动力等优点，在国内外得到了广泛应用，但在实际应用中存在所需进口压力较高，且压力损失较大（占总水头10%～30%[9]）等问题，对吸肥效率和灌溉施肥均匀性产生重要影响[10]，从而难以直接适用于低压滴灌系统，因此有必要进一步研究能适用于更低进口压力的文丘里施肥器。由于文丘里施肥器的吸肥性能主要受其结构参数影响，对文丘里结构进行性能分析与优化设计是当前的研究热点，近年来，为了降低文丘里施肥器进口压力，提高吸肥效率，国内外关于文丘里施肥器的研究，主要集中于采用理论分析与试验测试方法[11-18]、计算流体动力学数值模拟分析方法[18-23]，分析结构参数与吸肥性能之间的关系并对其结构进行优化设计[23-27]，以及基于文丘里施肥器为核心执行部件的灌溉施肥装置的设计与试验[28-31]。这些研究取得了较好的进展，尤其是在结构参数与吸肥性能的关系方面积累了较好的研究基础，但对于低压范围内的结构设计及其参数优化还鲜有涉及。为此，本文面向低压滴灌系统，在兼顾吸肥性能前提下，以降低进口工作压力为目标，进行文丘里施肥器的结构设计与参数优化，以期研制出一种适用于低压滴灌系统的文丘里施肥器。

1 文丘里施肥器设计及优化

1.1 双吸肥口施肥器结构设计

文丘里施肥器根据引射原理利用文丘里管进行吸肥，其吸肥量取决于文丘里管进出口压差。实际应用中，文丘里施肥器出口多为自然出流状态或出口压力为某一固定值，其吸肥量主要取决于入口压力。有研究表明，相同进出口压力下，适当增加引射口（对应于文丘里施肥器则为吸肥口）可以提高文丘里管的引射能力[32]。因此，为满足低压灌溉应用的需求，降低文丘里管工作压力，采用双吸肥口结构设计文丘里施肥器，如图1所示，其主要结构由进口直管段、收缩段、喉部、扩散段、出口直管段和吸肥口6部分组成。其中，2个相同的吸肥口在水平方向上对称分布于喉管两侧，并且连接于喉管中部；由于同等条件下吸肥管与喉管直径相同时其吸肥量可达到最大[22]，故设计吸肥口直径A等于喉管直径a1；进口和出口直管段直径相同；进出口直管段长度B和F均为20 mm，收缩段长度C、扩散段长度E、喉管长度D由文丘里管结构参数决定。

图1 文丘里管结构示意图Fig.1 Structural diagram of Venturi injector

1.2 施肥器最佳结构参数的确定方法

1.2.1 待定结构参数选择

表征文丘里施肥器结构的主要参数有 7个：进口直管段直径a、喉管直径a1、喉管收缩比γ、收缩段角度α、扩散段角度β、喉管长径比λ和吸肥口直径A，其中γ=a1/a、λ=D/a1。由图1可知，对于某一进口直径的文丘里施肥器，只需喉管收缩比γ、收缩段角度α、扩散段角度β、喉管长径比λ这4个参数即可表征其整体结构。

以a为25 mm的文丘里施肥器为例，根据前人研究结果优选各参数的取值，即α和β选取范围分别为15°～30°和4°～10°[22]、γ和λ取值范围分别为0.3～0.45和1.1～1.4[20]。

1.2.2 CFD数值模拟

1）模拟方法建立

为降低数值分析与模拟计算的运算量，进行4因素4水平正交设计L16(44)，采用CFD模拟方法，分析16种结构参数组合在不同进口压力下的吸肥性能。用正交试验设计方法对4个结构参数进行组合。进行模拟前，对每种参数组合采用Solidworks2015软件建立文丘里施肥器三维模型，并采用Gambit2.4.6软件以0.7 mm划分六面体结构化网格，然后采用CFD软件Fluent 16.2.0进行模拟分析。模拟分析过程中，采用标准k−ε湍流模型进行数值模拟，采用二阶迎风差分格式和压力基求解器 SIMPLE算法对离散方程组求解，收敛标准均取各因变量相邻 2次迭代残差＜10–4。

2）模拟方法验证

为验证数值计算方法和条件设置的正确性，选取一款 DN25文丘里施肥器（喉管收缩比为 0.35，收缩角为25°，扩散角为10°，喉管长径比为1.1），应用上述方法构建文丘里施肥器三维模型并对其吸肥性能进行数值模拟分析，然后在相同条件下通过试验实测其吸肥性能并与模拟分析结果对比。其中，模拟工况设置为：进口压力为0.06 MPa，吸肥口压力为 -5×103Pa，出口压力为0。结果表明：数值模拟得到的出口肥液浓度为10.8%，试验实测得到的出口肥液浓度为10.3%，其相对误差为4.9%，表明所建立的方法用于模拟文丘里施肥器吸肥性能的可靠性。

3）模拟参数设置

运用 Fluent软件模拟分析时，进口压力分别设置为0.03、0.06、0.09、0.12和0.15 MPa；出口压力设置为0，即出口为自流状态；由于文丘里施肥器临界入口压力与吸肥液面密切相关，并考虑到实际应用中的常用吸肥液面高度，将吸肥液面高度设为500 mm，即吸肥管入口压力设置为–0.005 MPa。

1.2.3 吸肥性能指标计算

施肥器吸肥性能采用进口流量比M、吸肥效率η和肥液浓度θ这3个指标进行衡量。

式中q、Q分别为吸肥量和进口流量，kg/s；P1，P2和P3分别为施肥器进口、出口和吸肥口压力，MPa；M为施肥器进口流量比，用于反映文丘里施肥器的吸肥能力，%；η为吸肥效率，用于反映文丘里施肥器的综合吸肥性能，%；θ为水肥混合后的肥液浓度，能直观反映文丘里施肥器性能优劣，%。

1.3 施肥器最佳结构参数分析结果

1.3.1 不同组合吸肥性能分析

16种结构参数组合方案在各进口压力下的吸肥性能模拟结果如表1所示。表1表明，对于某一特定组合，θ和M均随进口压力增加而增大，吸肥效率η随进口压力增加而减小。已有研究[15,21]将出口压力设置为某个大于0的定值，而本文设置出口压力为 0以便获得低压条件下文丘里施肥器的吸肥性能，这导致η偏低。在实际应用中，可适当调整。

表1 文丘里施肥器不同结构参数组合的吸肥性能模拟结果Table 1 Fertilizer absorption performance simulation results of different structure parameters combinations of Venturi injector

1.3.2 最佳组合参数确定

由式（1）～（3）知，η、θ均是M的函数，且θ仅决定于M，则η和M亦可表示为θ的函数。由于本文目的是探寻一种能满足低压灌溉的文丘里施肥器，以θ为主要研究对象，对表1中低压0.03 MPa情况下的θ模拟结果进行正交分析，如表2所示。

表2 进口压力为0.03 MPa时吸肥浓度模拟值正交分析结果Table 2 Orthogonal analysis results of simulated fertilizer concentration at input pressure 0.03 MPa

由表2可知，当γ为水平II、α为水平III、β为水平I、λ为水平III时，即γ为0.35、α为25°、β为4°、λ为1.3时，肥液浓度达到最大。此参数组合为理想状态下的理论值，还需考虑低进口压力的实际情况进行综合取值。在实际灌溉施肥中，α过大会引起收缩段局部水头损失增大，β过小且扩大段长度过长会导致沿程水头损失增加，同时考虑到相同条件下沿程水头损失随λ增大而增大，θ随γ的增加而呈下降趋势[20]，故以尽可能减小收缩段角度α、增大扩散段角度β为基础，并在满足吸肥浓度大于10%[33]的前提下，以有效降低进口压力为目标，将进口直径为 25 mm的文丘里施肥器的最佳结构参数组合确定为：喉管收缩比γ为0.3、收缩段角度α为20°、扩散段角度β为8°、喉管长径比λ为1.1。该参数组合的文丘里施肥器通过 CFD数值模拟得出在进口压力为 0.05 MPa的条件下，肥液浓度θ达到14.4%，满足低压条件下肥液浓度的要求。

2 文丘里施肥器吸肥性能分析

2.1 材料与方法

从以下3个方面分析文丘里施肥器的吸肥性能：1）根据所确定的最佳结构参数，采用3D打印技术制出文丘里施肥器原型样品，进行试验，验证CFD模拟结果的可靠性；2）采用 CFD数值模拟分析方法，比较双吸肥口文丘里施肥器与相同结构参数的单吸肥口文丘里施肥器吸肥性能；3）将实测试验得出的双吸肥口施肥器吸肥性能与现有研究或文丘里施肥器产品进行对比分析。

利用制成的文丘里施肥器样品（如图2a所示）在昆明理工大学现代农业工程学院楼梯间进行试验。试验装置如图2b所示，安装文丘里施肥器时，确保2个吸肥口水平放置且进口、出口、吸肥口三者轴心在一个水平面上，肥液液面与吸肥口的垂直距离（即吸肥液面高度）为500 mm；文丘里施肥器进口水源由蓄水桶提供，肥液（试验过程中采用常温清水代替）由肥液桶提供，出口为自然出流状态；进口水压通过调节储水桶与文丘里施肥器之间的高度差实现在0～0.15 MPa之间变化（蓄水桶高度调节范围在0～15 m之间），并采用压力变送器（量程0.2 MPa，精度等级为0.5）测定其进口水压，分别将进口水压调节为0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.11、0.13和0.15 MPa进行试验；试验过程中，为保证入口水压稳定，通过补水使蓄水桶始终处于满水位状态，而且每次测量数据前使吸肥液面高度为500 mm。试验采用称质量法计算吸肥量和肥液浓度，即：待施肥器运行稳定3 min后开始计时60 s，并利用电子称（型号为英横YHW-L01，量程为30 kg，精度为0.5 g）分别测量肥液桶和水肥混合桶计时前后的质量，吸肥量为肥液桶计时前后的质量差，水肥混合量为水肥混合桶计时前后的质量差，进口量为水肥混合量与吸肥量的差值，吸肥流量、水肥混合流量、入口流量分别为其60 s的均值，肥液浓度为吸肥流量与水肥混合流量的比值。对于每个进口压力点重复进行试验10次并取其均值作为结果。

图2 文丘里施肥器样品及吸肥性能试验装置Fig.2 Venturi injector sample and fertilizer absorption performance test device

2.2 结果与分析

2.2.1 吸肥性能实测验证试验

对比于CFD数值模拟分析结果，双吸肥口文丘里施肥器原型样品在 0～0.15 MPa进口压力下的吸肥性能验证试验结果如图 3所示，施肥器原型样品实测的吸肥量性能随进口压力的变化均与数值模拟分析结果一致，实测与模拟吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率的均方根误差分别为0.22 L/min、0.96%、0.93%和0.68%。这表明施肥器原型样品可以在较低工作压力下获得良好的吸肥性能，也证实了采用CFD数值模拟方法分析文丘里施肥器结构的可靠性。

如图3a～图3c可知，施肥器实测的临界吸肥进口压力为0.007 MPa，略大于模拟分析得出的0.005 MPa，当进口压力从0.007 MPa增至0.05 MPa时，实测吸肥量、进口流量比和肥液浓度分别从0快速单调递增至4.99 L/min、15.95%和13.6%，当进口压力逐渐增至0.15 MPa时，实测吸肥量、进口流量比和肥液浓度分别平缓地单调递增至7.42 L/min、17.51%和14.9%；如图3d可知，当进口压力从0.007 MPa增加至0.05 MPa时，实测吸肥效率从3.87%快速单调递减至1.58%，当进口压力逐渐增至0.15 MPa时，实测吸肥效率平缓地单调递减至0.59%。

图3 模拟与实测吸肥性能对比Fig.3 Comparison of simulated and measured fertilizer absorption performance

2.2.2 与单吸肥口文丘里施肥器的吸肥性能对比

分别基于单吸肥口和双吸肥口，建立 2个结构参数完全相同的文丘里施肥器模型，采用CFD数值模拟方法，在0～0.15 MPa进口压力范围内对比分析了2种施肥器的吸肥性能，结果如图4所示，双吸肥口施肥器的吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率随进口压力的变化均与单吸肥口一致，但相同进口压力下双吸肥口吸肥性能远远高于单吸肥口。由图4a可知，单/双吸肥口2种文丘里施肥器的临界吸肥进口压力均为 0.005 MPa，进口压力在0.005～0.05 MPa范围内吸肥量增加较快，双吸肥口施肥器的吸肥量从0快速增至5.1 L/min，在0.05～0.15 MPa范围内变化趋势逐渐趋于平缓，其吸肥量从5.1 L/min增至7.6 L/min，在相同进口压力下，相比于单吸肥口文丘里施肥器，双吸肥口文丘里施肥器的吸肥量提高 90%以上；由图4b和4c可知，双吸肥口施肥器进口流量比和肥液浓度在进口压力 0.005～0.05 MPa范围内快速增至16.7%和14.4%，进口压力继续增加其进口流量比和肥液浓度增加平缓，当进口压力为0.15 MPa时，其进口流量比和肥液浓度为18.2%和15.4%；由图4d可知，双吸肥口文丘里施肥器进口压力0.005～0.05 MPa范围内增加，其吸肥效率从4.5%快速减至1.6%，当进口压力增至0.15 MPa时，其吸肥效率为0.6%。在相同进口压力下，相比于单吸肥口文丘里施肥器，双吸肥口文丘里施肥器的吸肥量提高了90%，进口流量比提高了85%，肥液浓度提高了80%，吸肥效率提高了80%。这表明双吸肥口施肥器与单吸肥口具有相同的工作原理，但由于双吸肥口增加了吸肥过流面积，其引射能力得到增强，使得双吸肥口施肥器的吸肥性能大大优于具有相同结构参数的单吸肥口施肥器。

图4 单双吸肥口文丘里施肥器吸肥性能对比Fig.4 Comparison of fertilizer absorption performance of single and double fertilizer inlets

2.2.3 与现有文丘里施肥器的性能对比

现广泛研究的文丘里施肥器主要有进出口直径相同、进出口直径互异这2种：

1）对于进出口直径相同的国内文丘里施肥器，其试制样品开始吸肥时的进口压力可低至0.03 MPa，但其吸肥浓度较小，当进口压力上升至0.1 MPa时肥液浓度才达最大值10%[8]，而本研究双吸肥口文丘里施肥器实测结果表明，其吸肥时进口压力为0.007 MPa，且进口压力在0.05 MPa时，肥液浓度可达 13.6%；与进出口直径相同的以色列文丘里施肥器相比，在较低进口压力下其肥液浓度均能满足灌溉要求，但在获得相同吸肥量时双吸肥口文丘里施肥器具有更低的进口压力，当吸肥量为5 L/min时，以色列文丘里施肥器的进口压力为0.06 MPa[18]，而本文双吸肥口文丘里施肥器的进口压力为0.05 MPa，与之相比降低了0.01 MPa，因而更适用于低压灌溉系统。

2）对于进出口直径互异的文丘里施肥器，其进口流量比最大可达11%，且进口压力在0.15 MPa时，最大吸肥量为2.7 L/min[23]，而本文双吸肥口施肥器进口压力在0.05 MPa时，进口流量比15.95%，吸肥量5 L/min，可在较低的进口压力下获得更高的进口流量比和吸肥量。

上述以色列文丘里施肥器与进出口直径互异的文丘里施肥器大多采用喉部环绕式结构，该结构的设计原理与双吸肥口文丘里施肥器相同，均可在一定程度上提高喉部负压的利用效率、增强文丘里施肥器的性能；由于双吸肥口文丘里施肥器具有2个肥液入口，比只有1个肥液入口的喉部环绕式文丘里施肥器具有更大的吸肥过流面积，因而在相同进口压力下可较大幅度地提高其吸肥量，从而在获得相同吸肥量时可工作于更低进口压力下，而且与喉部环绕式文丘里施肥器相比，其加工制造工艺较为简单，成本较低。市面上常见文丘里施肥器（首沃S02、华维8210等），其最小工作压力为0.07 MPa，最大肥液浓度约为12%。本文所设计的双吸肥口施肥器，其临界进口压力为0.007 MPa，当进口压力为0.05 MPa时其吸肥浓度可达13.6%，这完全满足实际农业生产中灌溉施肥的浓度要求。相比之下，在获得等同于或高于现有文丘里施肥器的吸肥性能时，双吸肥口文丘里施肥器具有更低的工作压力，更适用于低压滴灌系统。

3 结 论

1）本文设计了一种双吸肥口文丘里施肥器，采用CFD数值模拟方法确定其最佳结构参数为喉管收缩比为0.3、收缩段角度为 20°、扩散段角度为 8°、喉管长径比为1.1，并试制出其原型样品。

2）双吸肥口文丘里施肥器原型样品的吸肥性能试验结果与CFD模拟分析结果吻合，相比于模拟分析结果，实测吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率的均方根误差分别为0.22 L/min、0.96%、0.93%和0.68%，可见模拟结果的可靠性。

3）采用 CFD数值模拟方法对比分析了具有相同结构参数的单/双吸肥口2种文丘里施肥器，结果表明二者吸肥性能随进口压力的变化规律一致，但双吸肥口文丘里施肥器的吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率均较单吸肥口施肥器提高了80%以上。

4）所设计的双吸肥口施肥器进口压力在 0.05 MPa时其吸肥浓度可达13.6%，在满足灌溉要求的前提下，其进口压力更低，适用于低压滴灌系统。下一步将对设计的文丘里施肥器进行实际应用，验证其性能，并根据应用结果对产品进行完善。

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Design and experiment of low pressure Venturi injector based on double fertilizer inlets

Zhang Jiankuo, Li Jianian※, Wu Hao, Ma Zeyu, Waleed Elnour Babekir Salih, Hu Hechen
(College of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500,China)

Venturi injector has been widely used in the integrated irrigation system of water and fertilizer because of its advantages of low cost, simple structure, no external power and so on. In order to reduce the critical inlet pressure of the Venturi injector and make it suitable for low pressure irrigation and fertilization system, a kind of Venturi injector with double fertilizer inlets was designed. The design was based on the study results that increasing the numbers of fertilizer inlets can improve fertilizer absorption capability of Venturi tube. A total of 4 structural parameters (throat contraction ratio, contraction angle, diffusion angle and ratio of throat length and diameter) were required to be determined for the Venturi injector. A total of 16 combinations with the 4 structural parameters were designed by using the orthogonal method. The CFD simulation was used to simulate the fertilizer absorption performance of each scheme. According to the simulation results, the optimum combination of structural parameters was throat contraction ratio 0.3, contraction angle 20o, diffusion angle 8oand ratio of throat length and diameter 1.1. According to the optimum combination of structural parameters, a prototype of Venturi injector was manufactured by the 3D print technique for an experiment. The experiment was carried out in College of Modern Agricultural Engineering of Kunming University of Science and Technology, China. The water inlet pressure from 0 to 0.15 MPa was realized by adjusting the difference in height between the bucket and the Venturi injector and there were 8 points chosen from 0 to 0.15 MPa. The vertical distance between the liquid level and the fertilizer inlets was set to 500 mm. During the experiment, the fertilizer concentration was calculated. The experimental results showed that the measured values agreed well with the simulated values with the root-mean-square error of 0.22 L/min for fertilizer suction amount, 0.96% for flow ratio of inlet, 0.93% for fertilizer concentration, and 0.68% for fertilizer absorption efficiency. The change in measured and simulated fertilizer absorption performance with the inlet pressure was similar. The CFD simulation was used for compare single and double inlets injector with the same structural parameters and the results showed that under the same inlet pressure,fertilizer suction amount, flow ratio of inlet, fertilizer concentration and fertilizer absorption efficiency of the double inlets increased by 90%, 85%, 80% and 80%, respectively, compared to single fertilizer inlet. The measured critical inlet pressure was 0.007 MPa for the double inlets injector. When the inlet pressure was 0.05 MPa, the fertilizer concentration was 13.6%.Compared with the existing Venturi injector, the Venturi injector with double fertilizer inlets need much lower water inlet pressure to obtain the equal or higher fertilizer absorption performance and it is more suitable for low pressure irrigation system.

structures; computational fluid dynamics; numerical analysis; Venturi injector; double fertilizer inlets; low pressure; fertilizer absorption performance

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.016

S224.2

A

1002-6819(2017)-14-0115-07

张建阔，李加念，吴 昊，马泽宇，Waleed Elnour Babekir Salih，胡赫谌. 基于双吸肥口的低压文丘里施肥器设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：115－121.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.016 http://www.tcsae.org

Zhang Jiankuo, Li Jianian, Wu Hao, Ma Zeyu, Waleed Elnour Babekir Salih, Hu Hechen. Design and experiment of low pressure Venturi injector based on double fertilizer inlets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 115－121. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.016 http://www.tcsae.org

2017-04-04

2017-07-10

国家自然科学基金（51509121）；云南省高校工程研究中心建设计划资助项目

张建阔，男，河北邯郸人，主要从事电子信息技术及测控技术应用研究。昆明 昆明理工大学现代农业工程学院，650500。

Email：763519823@qq.com

※通信作者：李加念，男，湖南道县人，博士，副教授，主要从事农业测控技术应用研究。昆明 昆明理工大学现代农业工程学院，650500。

Email：ljn825@163.com