水肥一体化施肥机关键部件的设计与试验

李家春，田 莉，周茂茜，李子阳，王永涛

(1.贵州大学机械工程学院，贵阳 550025；2.贵州省水利科学研究院，贵阳 550002)

0 引 言

我国水资源用水量位居世界第六，其中农业灌溉工程技术中存在严重的水资源的利用率低及浪费现象。高效节水灌溉技术是缓解我国水资源紧缺的途径之一，更是现代农业发展的必然选择[1]。调查发现大田作物需肥基本以氮、磷、钾三元素肥料为主，且农民在作物施肥方面存在盲目追肥、过量施肥等现象[2]。很多地区在农业生产中将水肥分施的方式居多，在施肥用量和种类上没有合理的控制。

水肥一体化灌溉技术是将灌溉与施肥融为一体的现代农业精准灌溉施肥技术，具有明显节水节肥、作物增产的效果[3,4]。它借助压力灌溉系统，按照作物生长需求，将不同类型的单元素液肥进行配兑后一起均匀、准确、定量输入到作物根部土壤，对灌溉水量和施肥量进行有效控制，提高水肥利用率[5]。水肥一体化现代农业精准灌溉施肥技术的实现，需要配套安装相应的供水、供肥、自动精准灌溉施肥、灌溉管网等设施，其核心装置是水肥一体化自动施肥机[6]。

本文对水肥一体化施肥机的关键部件展开研究，设计了一种基于射流泵并联的三通道旁路吸肥式水肥一体化施肥机混肥系统，为水肥一体化施肥机各通道定量定比施肥的设计与优化提供参考依据，推进我国农业水肥一体化精准灌溉的进一步发展。

1 施肥机混肥系统与工作原理

水肥一体化自动施肥机整机主要有机架、混肥系统、主管路系统、检测系统和控制系统组成。本文主要对施肥机的关键部件-混肥系统展开研究并运用SolidWorks进行三维建模[7,8]。该旁路吸肥式自动施肥机混肥系统的设计基于射流泵的并联，主要由注水口、PVC变径三通、PVC管、PVC闷盖堵头、射流泵、射流泵吸肥口及水肥混合液泵吸出口组成，各部件均为标准件，符合国家标准。三维结构如图1，运行原理图如图2。

1-射流泵吸肥口；2-注水口；3-上主管道压力表；4-PVC变径三通；5-PVC管；6-射流泵；7-下主管道压力表；8-水肥混合液抽吸口图1 混肥系统三维结构图Fig.1 Suction system diagram

1-水源进口；2-上主管道压力表；3-射流泵；4-浮子流量计；5-液肥罐；6-下主管道压力表；7-抽吸泵图2 旁路吸肥试验原理图Fig.2 Schematic diagram of bypass suction fertilizer test

该混肥系统上主管道注水口保持一定压力值，且需要拥有足够的灌溉水供用，启动混肥系统射流泵工作的压差值由加压注水口和装配在施肥机上的抽吸泵提供，应用射流泵原理把肥料吸入系统管道内，完成混肥过程。混合后的液肥在抽吸泵的作用下以一定压力输出，通过灌溉管网进行农作物的水肥一体化灌溉[9,10]。

2 射流泵结构及工作原理

射流泵普遍应用于小型灌区灌溉中，具有操作方便，体积小结构简单,造价低廉，无运动部件，无需有压容器存放药液，施肥浓度稳定等特点[11-12]。对射流泵的并联可实现多种单元素液肥比例施肥，因此得到了较广泛的应用[13]。射流泵主要由吸入室、喷嘴、喉管及扩散管等组成,如图3所示,该系统射流泵选用型号SSQ-200。

1-吸入室；2-喷嘴；3-喉管；4-扩散管图3 射流泵结构简图Fig.3 Jet pump structure diagramt

射流泵工作原理：当具有一定压力的水流由喷嘴处以一定速度喷出时，此过程中水流流经管径减小，水流流速增大，将压力能转为动能，使吸入室的压力降低产生真空，低压流体被吸入。两股流体在喉管处充分混合，并进行分子扩散和能量交换，速度达到均衡状态。混合流体到达扩散管处水流流速降低压力增大，流体以一定压力输出[14]。

射流泵的压力、流量和几何特性主要通过流量比、压力比等几个无因次值来表征，可以直观的表达射流泵内部质量和能量交换过程中其各个组成部件对性能的影响。无因次值可表示为[15,16]：

压力比：

(1)

单位体积质量：

(2)

最优面积比：

(3)

面积比：

(4)

其中：

(5)

流量比：

(6)

工作流体流量由工作泵来确定，被吸流体流量(即吸肥量)由流量比和工作流体流量来确定。其中：

h0=1.45m-0.892

(7)

q0=(5m-0.94)0.5-1.7

(8)

喷嘴直径：

(9)

喉管直径：

(10)

喉管长度：

Lk=(5～7)d3

(11)

式中：p表示压力；γ表示容重；g表示重力加速度；z表示位置水头；v表示断面平均流速；f表示面积；脚标0表示工作流体；脚标s表示被吸流体；脚标c表示混合后的流体；系数φ1=0.95～0.975，α1=1.05，流量系数μ1=0.9～0.95。

3 基于FloEFD混肥系统仿真分析

FloEFD是一款流体力学计算软件，无缝集成于主流三维CAD软件中的高度工程化的通用流体传热分析软件，广泛应用于航空航天、汽车、工业机械泵阀等领域。

现对所设计的混肥系统内部流场情况展开仿真分析，将运用SolidWorks三维建模的混肥系统导入FloEFD软件对其进行仿真分析。通过仿真模拟混肥系统的运行情况，掌握混肥系统内部流场中速度流向、速度及压强等参数的变化情况[17]。

3.1 边界条件

泵吸水肥混合液出口边界条件的设定，即为泵的抽吸流量8 m3/h，此处设置转化为体积流量0.002 2 m3/s。旁路吸肥式自动施肥机运行时，启动射流泵工作的压差值由注水口水源压力及装配在施肥机上的抽吸泵提供。此处抽吸泵为混肥系统运行提供吸力，且可以为后设的灌溉管网提供压力，对田间作物进行滴灌或喷灌等灌溉方式。

混肥系统射流泵吸肥口边界条件设定，即为大气环境压力0.101 325 MPa；混肥系统注水口边界条件设为总压0.4 MPa；混肥系统水肥混合液出口设为抽吸泵的抽吸体积流量0.002 2 m3/s，仿真分析边界条件参数设定见表1。

表1 边界条件参数设置Tab.1 Boundary conditions parameter settings

3.2 仿真分析及结果

三通道旁路吸肥式自动施肥机混肥系统网格划分如图4所示，总网格数443 309，进一步由设定边界条件进行流体仿真分析，求解器运行目标收敛，迭代459次。

图4 网格划分切面图Fig.4 Mesh cutaway

仿真运行结果中获得静压流线图、速度云图、压强云图及动画形式的混肥系统运行情况。现以图标的形式展示结果(如图5),仿真动画中三通道射流泵均可均匀、稳定、连续地将单元素液肥吸入变径三通主管道，与注水口进行水肥混合后下主管道水肥混合液出口输出，实现了多种单元素液肥同水源混合及稳定输出的目标。

图5 混肥系统静压流动迹线Fig.5 Suction system hydrostatic flow trace

仿真得，混肥系统中各射流泵内部速度切面图、静压切面图，如图6、7。

从图5可以看出，混肥系统上主管道压强高于下主管道，从而使射流泵具备吸取液肥的条件，实现各通道对单元素液肥吸取的设计要求。对比分析图6、7可以看出，流体在射流泵喷嘴处速度达到最大值，压强减小，符合“伯努利效应”中流体速度与压强的关系，同时验证了射流泵的工作原理[18]。

综合仿真分析，由流动迹线动画得，本文中设计的基于射流泵并联的三通道旁路吸肥式混肥系统，能够达到对三种单元素液肥连续稳定吸取及水肥混合液输出的效果。

仿真得，混肥系统中注水口进水流量、各射流泵吸肥体积流量及水肥混合液出口流量，汇总如表2所示。

图6 射流泵速度切面图(对应装配体左、中、右吸肥通道)Fig.6 Jet pump speed section (corresponding to assembly left, middle, and right suction passages)

图7 射流泵静压切面图(对应装配体左、中、右吸肥通道)Fig.7 Jet pump static pressure cut diagram (corresponding to assembly left, middle and right suction suction channels)

表2 边界表面参数Tab.2 Boundary surface parameters

4 混肥系统性能试验

4.1 试验目的及方案设计

在三维结构流场分析完成的情况下，检验实际吸肥能力是否与仿真分析数据相吻合。如果试验测得数据与建模仿真分析的数据相互吻合，则证明该模型有实际的应用价值。如果实际结果与分析结果差距较大，则该模型不具有现实意义，不能作为生产实践中根据吸肥能力来选择灌概能力的参考模型。因此该试验的目的是：检验模型分析的正确性。

根据三维模型各部件标准规格参数进行设备选型及施肥机的搭建，并将其安装到水肥一体化灌溉系统中进行吸肥工作试验。首先对三通道自动施肥机混肥系统特性展开研究，因此可以不需要控制器的程序控制。选用水泵功率2.2 kW,扬程45 m，泵吸体积流量8 m3/h，进出管道选择规格DN40的PVC管，规格与SolidWorks三维建模一致，浮子流量计最大量程为1 000 L/h[19]。

4.2 测试试验

将测试的三通道旁路吸肥式混肥系统安装在额定功率为2.2 kW的施肥系统中。试验于2018年4月2日在贵州大学机械工程学院实验基地进行，对混肥系统的三通道吸肥稳定性、均匀性、最大吸肥量特性进行了田间测试试验(图8)。

图8 田间试验应用现场Fig.8 Field test application site

试验时，将该混肥系统连接进水口管道、三个液肥储存筒和混合肥液出口管道，开启总电源和水泵按钮，启动施肥机。在启动电源和水泵之后三个吸肥通道上安装的电磁阀需均处于开启状态、手动阀调至全开状态，待三通道浮子均稳定后读取数据，并记录流量数据，重复测量4次，取其平均值作为最大吸肥量最终结果。

4.3 试验结果与分析

依据上述测试试验，将4次重复测量记录的最大吸肥量读数均值与仿真分析所得数据进行对比[20]。建立表3。

试验中，所设计的混肥系统运行稳定，各通道均能完成对单元素液肥均匀稳定吸取及水肥混合液连续稳定输出的预期试验目标。通过对比分析表3中试验与仿真数据，中吸肥通道最大吸肥量较左、右吸肥通道最大吸肥量略低，但吸肥效果仍然保持在较好的水平上。

表3 吸肥通道最大吸肥量数据对比统计表Tab.3 Fertilizer channel maximum fat absorption data comparison statistics

通过试验，在对所设计混肥系统各通道最大吸肥量的基础之上，为后续水肥一体化施肥机各通道实现自动定量定比吸肥奠定了基础[21]。

5 结 论

(1)通过仿真分析，获得了三通道旁路吸肥式自动施肥机混肥系统的可视化图像及流场参数，且仿真结果表明，单通道吸肥流量与注水口流量之比最低为0.114。

(2)通过仿真分析，对比仿真分析中射流泵速度及压强切面图，其变化规律符合“伯努利效应”中流体速度与压强的关系，同时验证了射流泵的工作原理。

(3)试验中，该混肥系统能够连续稳定的实现对单元素液肥的吸取及水肥混合液的输出。试验所得数据与仿真数据吻合程度较高，达到验证此研究可行性的目的。

(4)本文设计了基于射流泵并联的三通道混肥系统模型，可同时满足对N、P、K三种单元素液肥的吸取混合，为水肥一体化自动施肥机各通道实现定量定比施肥的设计与优化提供参考依据。

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