典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化.pdf

年 月 第 卷 第 期 张琼 典型智能水肥一体机射流式吸肥器 性能测试与结构优化 张琼 王墙林 胡贵荣 刘畅 张力杰 李云开 石河子大学水利建筑工程学院 新疆石河子 中国农业大学水利与土木工程 学院 北京 农业水资源高效利用全国重点实验室 北京 收稿日期 修回日期 网络出版时间 网络出版地址 基金项目 国家自然科学重点基金资助项目 第一作者简介 张琼 女 四川中江人 硕士研究生 主要从事智慧灌溉技术 系统与智能控制研究 通信作者简介 李云开 男 湖南芷江人 教授 博士生导师 主要从事精量高效滴灌装备设计及应用研究 摘要 吸肥器结构形式及参数对智能水肥一体机工作性能影响显著 针对常见吸肥器吸肥量小 压损大等问题 选用 种 型射流式吸肥器 种组合型射流式吸肥器及 种文丘里吸肥器 采用试验与数值模拟相结合的方法 测定了不同进口压力和进出口压差条件下吸肥器的吸肥性 能 对性能较好的吸肥结构进行结构优化 通过正交和极差分析研究了喉部喷嘴面积比 渐缩段 角度 渐阔段角度 喉嘴距对其吸肥性能的影响 结果表明 相同工况下 型吸肥器的综合性 能优于组合型吸肥器也优于文丘里吸肥器 且射流式吸肥器相比文丘里吸肥器的最大吸肥流 量 工作范围 最大吸肥效率分别提升 和 临界压差降低 其中 型射流式吸肥器表现最好 射流式吸肥器的吸肥效率随喉部喷嘴面积比和喉嘴距增大而呈先增大后减小的趋势 随着渐缩 段角度和渐阔段角度增大而逐渐减小 型射流式吸肥器最优结构参数组合为喉部喷嘴面 积比 渐阔段角度 渐缩段角度 喉嘴距 结构优化后射流式吸肥器吸肥流量和吸 肥效率分别提高了 和 关键词 射流式吸肥器 文丘里吸肥器 吸肥性能 结构优化 正交设计 中图分类号 文献标志码 文章编号 张琼 王墙林 胡贵荣 等 典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化 排灌机械工程学报 第 期张琼 等 典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化 随着水肥一体化技术的推广 水肥一体机因其 智能化程度高等特点而逐步被广泛应用 水肥一体 机的吸肥方式通常被分为吸肥泵吸肥和吸肥器吸 肥 种类型 吸肥器因其结构简单 使用方便 无需 外加动力 且造价成本低而被广泛应用于农业灌溉 系统 但不同结构吸肥器的工作性能差异很大 因此进行结构优化研究对进一步提升水肥一体机 的工作性能有重要意义 根据流体在吸肥器内部的流动性能特点 可将 吸肥器分为文丘里吸肥器和射流式吸肥器 射流式 吸肥器的工作原理与文丘里吸肥器相近 有压流体 从进口端进入结构内部 随着内部流道腔体截面缩 小 流体流速增大 流体在喷嘴处高速流出 并在喷 嘴与喉管之间形成负压区域 在大气压力作用下 肥液被吸入到吸肥器结构内部 受限于文丘里 原理 吸肥器的吸肥性能会随着进出口压力增大而 逐渐提高 提高的幅度逐渐减小 当喉部出现极限 空化时 吸肥流量将不随着进出口压差的增大而变 化 而是趋于一个相对稳定的吸肥流量 这将导致 持续增大进口压力不会带来更高的吸肥效率 进而 造成额外的能量消耗 众多科研工作者对如何解决 这个难题开展了大量研究 例如李欢等 通过优化 吸肥器喉部直径和进口直径的收缩比 得到收缩比 为 的情况下吸肥器压强损失小 王永涛等 通 过并联四文丘里管施肥器 旁路吸肥 模式 提高极 限吸肥量 以上 王振华等 将非对称文丘里 吸肥器扩散段设置为弧形结构 通过减小旋涡区面 积及强度 降低了吸肥器能量耗散 相较于文丘里吸肥器 研究表明射流式吸肥性 能好 工作范围广以及混合程度高 但关于射流 式吸肥器性能检测与结构优化的研究不多 例如汪 小珊等 对 系列射流式吸肥器的性能进行了 预测研究 推导了射流式吸肥器开始吸肥和吸肥效 率最高时进出口压差与进口压力的关系公式 参考 与射流式吸肥器结构相似的大型射流泵的相关研 究 表明喷嘴 喉部等对吸肥器性能影响较大 少量 学者对射流式吸肥器结构优化进行研究 例如 等 通过试验和数值计算确定了扩散角度 喉管截面积与喷嘴出口截面积的面积比等对射流 式吸肥器效率的影响较大 龙新平等 和俞晓峰 等 研究了喉管长度对射流泵吸肥性能的影响 并 通过数值模拟对其进行结构优化 总体而言 以上研究大多针对少量结构参数进 行吸肥性能预测及部分结构优化 鲜有针对多种射 流式吸肥器进行结构优选及多参数组合条件下结 构参数优化研究 随着计算流体动力学 的发展 等 分析软件被广 泛应用从不同结构 不同参数的多种方案中寻求最 优设计 袁寄望等 探索性地采用 方法分析了 射流式吸肥器异径喉部结构参数对吸肥性能的影 响 刘永华等 利用 数值模拟分析得到了文丘 排灌机械工程学报第 卷 里吸肥器的最优参数组合 大幅提升了吸肥器的吸 肥流量 张建阔等 通过 模拟分析了双吸肥口 文丘里吸肥器结构参数组合 在较低的工作进口压 力下 获得同等或更高的吸肥性能 因此 文中选用 国内常见的 种 型射流式吸肥器 种组合型 射流式吸肥器及 种文丘里吸肥器 筛选适宜的吸 肥器结构类型 并在此基础上 运用 分析喉管 截面积与喷嘴出口截面积的面积比 渐阔段角度 渐缩段角度 喉嘴距对吸肥器的性能影响 并从单 因素试验及多因素正交试验方案中筛选经过优选 后的吸肥器结构优化方案 为智能式水肥一体机吸 肥结构优化设计提供理论参考 材料与方法 试验材料 试验选取常见的 种 型射流式吸肥器 种组合型射流式吸肥器和 种传统文丘里吸肥器 吸肥器结构如图 所示 进行结构优选试验 并以 试验结构为基础 优选出最佳结构形式的吸肥器做 后续研究 图 吸肥器结构示意图 型射流式吸肥器编号为 和 组合型射流式吸肥器编号为 和 文丘里吸肥器编号为 吸肥器长度分别为 其中 为进口直 径 为渐缩段角度 为喷嘴口直径 为渐缩段 长度 为扩散段长度 为内部喷嘴与喉管的间距 即喉嘴距 为喉管直径 为渐阔段角度 为出 口直径 通过测量得到试验样件结构尺寸见表 表 吸肥器结构尺寸表 序号 编号 试验方法 试验设置 吸肥性能测试试验在中国农业大学北京通州 实验站连栋温室内自行搭建的性能测试平台上进 行 试验用水为地下水 整个系统采用循环供水设 计 吸肥器性能测试平台如图 所示 利用供电箱为 平台各设备供电 当需要较小流量 压力时 可通过 内置变频器调频降低供压泵转速 以实现平台低功 耗运行 供肥圆桶桶内肥液用地下水代替 通过 管与供水箱连接 利用两者的水面压差实现对 供肥圆桶循环补水 图 吸肥性能测试平台 吸肥结构的进口压力设置为 梯 度为 在该范围内测试不同结构类型的吸 肥器性能 通过调节吸肥器进出口阀门开度可实现 进口压力调节 平台启动时 调节变频器频率以改变加压泵工 况 防止憋泵 启动时将所有阀门完全开启 待系统 平稳运行 供水水箱与供肥圆桶液面持平时 开始 调节吸肥器进口端阀门 以改变吸肥器运行工况 调 第 期张琼 等 典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化 节出口端阀门开度 并记录每一开度下出口端压力 表与流量计读数 每次记录数据都需待供水水箱与 供肥圆桶液面稳定后进行 读取吸肥器进出口两端 稳定的压力 流量值以及吸肥口端的真空负压值 每组试验重复 次并取其平均值 试验测试指标 吸肥器性能指标主要通过吸肥流量 吸肥临 界压差 及吸肥效率 进行衡量 其中 可采用 试验直接测得 指某进口压力条件下 吸肥器 刚好吸肥时的进口 出口压差 仅当压差大于临界 压差时才能吸肥 其过流能力可以通过 体现 临界压差越小 吸肥器的阻力损失越小 其正常工 作范围更广 反映吸肥器综合吸肥性能 计算 公式为 式中 为进水口流量 和 分别为吸 肥器进水口 出水口和吸肥口压力 为吸肥 器进口流量比 反映吸肥器的吸肥能力 为吸肥器 总压比 反映吸肥器能量损失的大小 同时 最大吸肥流量 也是评估吸肥器性能 的重要指标之一 是指在进口压力 恒定时 通过调节出口压力 至最小值时 吸肥器能够实现 的最大吸肥流量 与吸肥器的结构和进口压力密切 相关 数值模拟分析 为缩短试验周期 试验采用 软件进行单 因素试验及正交试验 采用 建立 模型 如图 所示 采用 进行网格划分 如图 所 示 利用 进行仿真模拟 数值求解设置 采用 湍流模型 计算中的工作流体和吸 入流体为水 密度为 黏度为 求解方法采用 算法 离散格式 中的压力项选用标准格式 扩散项采用二阶中心差 分格式 对流项应用二阶迎风格式 收敛精度为 边界条件为总压力进口 静压吸入口和静压出 口 壁面为无滑移壁面 通过实测数据得到 型射流器结构最优 故以 型射流器为例 为验证数值模拟精度 以进口压力 为例 对比了 型射流 式吸肥器数值模拟与实测的吸肥流量 流速沿水流 方向先增大后减小 各压力工况下的模拟吸肥流量 与实测吸肥流量的最大误差为 小于 见表 表中 为误差 因此可认为计算模 型较为合理 在后续的数值仿真试验中仍采用以 上试验设置以保证试验准确性 图 数值仿真模型示意图 表 吸肥流量模拟值与实测值误差百分比 实测值模拟值 为进一步提升优选出的吸肥器的吸肥性能 探 究结构参数对射流式吸肥器吸肥性能的影响 设置 单因素试验 见表 和正交试验 见表 分析喉部 截面积与喷嘴出口截面积的面积比 渐阔段角度 渐缩段角度 喉嘴距对其吸肥性能的影响 利用单 因素试验确定参数范围 通过正交试验得到最优结 构参数 表 单因素试验设计 试验组 注 分别代表喉嘴距 面积比 渐缩段角度 渐阔段角 度 对吸肥性能影响的试验 单因素试验中面积比取值为 梯度为 渐 阔段角度取值为 梯度为 渐缩段角度取值 排灌机械工程学报第 卷 为 梯度为 喉嘴距取值为 梯度为 正交试验采用四因素三水平的标 准正交试验 利用 创建一个 型正交矩阵 进行试验 表 正交试验设计 水平 因素 试验结果与分析 典型结构射流式吸肥器吸肥特征与性能 吸肥流量差异 种吸肥器的吸肥流量 随进出口压差 变化曲线分布如图 所示 由图可知 在相同压力 下 种吸肥器的 均随 增大而增大 且增大 幅度渐小 最后趋于平稳或缓慢下降 其原因是 当进口压力 不变时 随着 增大 喉部负压 增大 吸肥流量提升 直至达到空化临界压差 此 时喉部负压将保持相对稳定 吸肥流量相对稳 定 当 继续增大时 吸肥器喉部之间发生较为 明显的空化现象 产生气泡并伴随着振动 从而 产生额外的水头损失 这抑制了其吸肥性能的持 续性增大 选择表现较好的 为 工况 吸肥器 趋于平稳的吸肥流量 由大到小按吸肥器编号排序 为 且呈现 的情况 工作范围大小排序与吸肥流量 排序相似 型吸肥器的工作范围比 型吸肥 器高 且 和 型吸肥器的 临界吸肥压差相近 都为 左右 其中 型吸肥器相比其他吸肥器表现最好 表明其临界 吸肥时水头损失最小 且对压力的适应性更强 更 适用于压力变化情况复杂的工作场景 图 吸肥流量 随进出口压差 变化 最大吸肥流量差异 种吸肥器最大吸肥流量 变化情况如图 所示 在进口压力 较小时 种吸肥器的 均随 增大而增大 此时吸肥器的吸肥性能并未完全发 挥 当 时 均达到一个相对稳定的 值 当 持续增大时 吸肥器性能趋于相对稳定 此 时能充分发挥吸肥器的吸肥性能 种吸肥器的 依次为 型吸肥器的 相比 型 型吸肥器 分别提升了 和 其中 型具有最高的 说明在同等 条件 下 型射流式吸肥器的吸肥性能最佳 第 期张琼 等 典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化 图 最大吸肥流量 随进口压力 变化 吸肥效率差异 吸肥器的吸肥效率 随进口压力 变化曲线 如由图 所示 从图中可知 在 时 种 吸肥器的 均随 增大而增大 在 之间达到峰值之后 趋于平稳或缓慢减小 在 时 大幅减小 在 后 的减小幅度变缓 表明吸肥器内部存在空化 导致 吸肥流量难以进一步提升 压力损失进一步增大 达到该种结构的极限吸肥工况 当 时 和 型吸肥器的 相近 当 时 型 型吸肥器达到最大 当 时 型吸肥器才达到最大 型吸肥器的最大 依次为 且 型射流式吸肥器的最大 明显高于 其他类型吸肥器结构 提升了 相 比 型吸肥器提升了 图 吸肥效率 随进口压力 变化 吸肥临界压差差异 采用线性回归模型对吸肥临界压差 和进 口压力 进行分析 种吸肥器的 随 变化 关系如图 所示 从图中可知 吸肥器 与 呈 线性正相关趋势 随着 增大 也随之增大 在 后 型吸肥器的 均大于其他吸 肥器 型吸肥器的 相比 型吸肥器降低 了 表明 型吸肥器阻力损失大 工作运行范围小 型吸肥器在全 条件下 其 最小 表明其在相同 条件下会产生较小 的阻力损失 和 型吸肥器在同等 条件下 接近 根据所测数据 建立了 与 之间的线性 回归模型 对于 回归线性方程 线性斜率系数 可视为吸肥器启动损失系数 线性斜率系数越大 吸 肥启动压差越大 说明吸肥启动需要损失的能耗越 大 其中 型启动损失系数最大 压力损失最大 图 吸肥临界压差 随进口压力 变化 射流式吸肥器结构参数优选 吸肥器结构参数控制阈值 单因素影响下 吸肥流量 与吸肥效率 的关 系如图 所示 图 单因素分析下吸肥流量 与吸肥效率 的 关系 从图 中可知 随着喉嘴距 和面积比 增 大 射流式吸肥器的 和 均呈现先增大后减小的 趋势 当 为 为 时 其吸肥流量和吸肥 排灌机械工程学报第 卷 效率出现最大值 在试验中 随着渐缩段角度 和渐 阔段角度 增大 射流式吸肥器的 和 呈持续下 降的趋势 均呈负相关关系 且与 呈线性关系 随 增大 和 的减小趋势逐渐变缓 当 为 为 时 其 和 最大 吸肥器结构优化选择 把正交试验得到的吸肥效率数据导入 进行极差分析和显著性分析 结果见表 表 正交试验设计结果 极差分析及显著性分析 水平 因素 自由度 值 值 显著性 注 为差异具有统计学意义 为差异具有统计学意义 从表 中可以看出 各结构参数对 型吸 肥器吸肥流量影响的主次顺序为面积比 喉嘴距 渐缩段角度 渐阔段角度 且面积比对吸肥效率影响 具有统计学意义 喉嘴距 渐缩段长度 渐 阔段长度对吸肥效率影响具有统计学意义 以最大吸肥效率为研究目标 在正交试验中 其最佳结构参数组合分别是喉嘴距为第 水平 面 积比为第 水平 渐缩段角度为第 水平 渐阔段角 度为第 水平 即喉嘴距为 面积比为 渐 缩段角度为 渐阔段角度为 这与单因素分析 所得到的试验结果有所差异 其原因可能是各因素 之间存在相互影响的关系 因此 在结构设计中以 正交试验结果为准 型吸肥器为优化后的结构 型和 型吸肥器的吸肥流量 吸肥效率对比如 图 所示 当压差在 时 吸肥效率均 随压差增加而增大 且在压差较小时 优化后的吸 肥器结构与之前结构的吸肥效率接近 当压差大于 时 吸肥效率缓慢减小 且 型吸 肥器的吸肥效率远大于 型吸肥器 同时 吸 肥器的吸肥流量随着压差增加而增加 且在 后吸肥器达到最大吸肥流量 当压差小于 时 两者的吸肥流量相似 随着压差增大 吸肥 流量也逐渐加大 型吸肥器一直有较好的 表现 且在保持压力不变的情况下 其吸肥流量和 吸肥效率分别提升 和 这充分验证了结构优化的可行性 图 不同压差下 型与 型吸肥性 能对比 讨 论 不同结构类型射流式吸肥器性能差异成因 文中对比分析了 种射流式吸肥器和 种文丘 里吸肥器的吸肥流量 吸肥效率及吸肥临界压差 其中射流式吸肥器又分为 型吸肥器和组合型 吸肥器 试验表明 在相同工况下 型吸肥器的 吸肥性能明显大于组合型和文丘里吸肥器 且组合 型吸肥器吸肥性能大于文丘里吸肥器 图 为文丘 里型 型以及组合型吸肥器在典型吸肥工况下 的内部流线图 种吸肥器具有相同的进口流量 可 以看出 与文丘里吸肥器相比 射流式吸肥器喉部 环壁面均能吸肥 吸肥面积增加 故在相同喉部负 压下其吸肥流量将会增大 同时 射流式吸肥器额外 的吸肥腔体使得部分肥液的流向与喉部中的水流 流向呈钝角或直角 从而减少肥液进入喉部时带来 的流层碰撞强度 即局部水头损失减小 进一步提 升了其吸肥性能 在文丘里吸肥器中 其吸肥腔垂直 于喉管 当肥液与工作液体发生混合时 对水的流 速影响较大 喉管下部的流速明显减低 导致混合 第 期张琼 等 典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化 后的液体速度主要集中在扩散段的上部 使文丘里 吸肥器扩散段下部形成了低速回旋区 射流式吸 肥器在吸入肥液后 对工作液体的影响相对较小 且组合型射流式吸肥器的腔体为直角 导致其在吸 入肥液后腔体右下角区域也形成了低速回旋区 尽 管 种型号吸肥器在扩散段上部均发生了回流现 象 形成涡旋 但组合型吸肥器的涡旋明显大于 型吸肥器 故其能量损失相较于 型较大 因此 型吸肥器在实际运行过程中 具有较大优势 此 外 数据显示 型吸肥器在吸肥性能方面表现 最佳 其优越性能归因于吸肥器长度较长 渐缩段 和扩散段长度设计合理 尽管 和 型吸肥器的面积比和进出口尺寸保持一致 但在相同的工况条件下 随着吸肥器长度增加 空 化现象相应减少 水力损失也降低 进一步提升了 吸肥性能 图 吸肥器内部流线图 射流式吸肥器结构参数优化方案选择 在研究中 对 型吸肥器进行模拟分析 发现随着喉嘴距和喉部喷嘴面积比增大 吸肥性能 得到一定程度提升 其原因是喉嘴距较小时 吸肥管 中的肥液与喉部中的高速射流的接触面积相对较 小 实际吸肥面积也较小 当喉嘴距较大时 喉部易 发生水流对冲 引起碰撞 将产生较大的水头损失 削弱射流带来的负压增强效应 喉部喷嘴面积比 较小时 喷嘴面积较大 能量转换效率较低 由压能 转换为动能的效率变低 因此 其吸肥流量和吸肥 效率也相对较低 当喉部喷嘴面积比较大时 其射 流现象明显 喉部流速急剧增大 吸肥管中水流进 入喉部与灌溉水混合的难度增大 抑制了其吸肥性 能的持续性提升 随着渐缩段角度和渐阔段角度 增大 射流式吸肥器的吸肥流量和吸肥效率呈持续下 降的趋势 其原因可能是较大的渐缩段角度和渐阔段 角度会导致渐缩段和扩散段中的水流流向变化较大 多方向速度碰撞强烈 产生较大的局部水头损失 因 此 在设计射流式吸肥器结构时 可考虑上述因素 以 减低局部水头损失 提升吸肥器的综合性能 结 论 针对 型射流式吸肥器 组合型射流器及文 丘里吸肥器 通过对吸肥器进行物理实测和 数 值模拟研究分析得到了以下结论 在相同工况下 射流式吸肥器相比文丘里吸 肥器的最大吸肥流量 工作范围 最 大吸肥效率分别提升 临界压差降低 其中 型射流式吸肥器表现最好 对 型射流式吸肥器结构进行模拟分 析可得 随着 和 增大 呈先增大后减小的趋 势 随着 和 增大 呈逐渐减小的趋势 其最优 结构参数组合为面积比 渐阔段角度 渐缩段角 度 喉嘴距 同等压力工况下 相较于 型吸肥器 结构优化后的 其吸肥流量和吸肥效率分 别提升 参考文献 李欢 高亮 张梦 等 改进型螺旋纹文丘里施肥器 的设计与实现 河北农业大学学报 王永涛 刘坚 李家春 等 并联四文丘里管施肥器 旁路吸肥 模式性能分析 排灌机械工程学报 排灌机械工程学报第 卷 王振华 胡贵荣 刘宁宁 等 扩散段结构对非对称 文丘里施肥器旋涡特征及吸肥性能的影响 农业 工程学报 俞晓峰 射流式施肥器水力特性研究及结构优化 重庆 西南大学 汪小珊 严海军 周凌九 等 系列射流施肥器 水力性能试验研究 农业工程学报 龙新平 鄢恒飞 张松艳 等 喉管长度对环形射流 泵性能影响的数值模拟 排灌机械工程学报 俞晓峰 姚丽萍 陈涛 等 喷嘴长度对射流式施肥 器性能影响的数值研究 中国农机化学报 袁寄望 朱德兰 高洒洒 等 基于数值模拟的射流 式吸肥器结构尺寸优化及性能试验 农业工程学 报 刘永华 沈明霞 蒋小平 等 水肥一体化灌溉施肥 机吸肥器结构优化与性能试验 农业机械学报 张建阔 李加念 吴昊 等 基于双吸肥口的低压文 丘里施肥器设计与试验 农业工程学报 潘中永 张帅 刘月伟 等 喷水推进器进水流道在来 流含气条件下的内部流动特性分析 江苏大学学 报 自然科学版 韩启彪 黄兴法 刘洪禄 等 种文丘里施肥器吸 肥性能比较分析 农业机械学报 王海涛 陈晏育 王建东 等 微灌用文丘里施肥器 综合性能试验研究 排灌机械工程学报 责任编辑 张文涛