微灌系统文丘里施肥器吸肥性能试验

为了研究微灌系统文丘里施肥器吸肥性能与结构参数的关系,对4种组合式喉管规格的某文丘里施肥器分别在0.10,0.15,0.20,0.25和0.30 MPa进口压力下进行了吸肥性能试验.研究结果表明,文丘里施肥器临界压差和最大压差与进口压力呈线性正相关关系,进口流量随着进口压力或进出口压差的升高而呈增大趋势;当出口与进口压力之比低于0.4时,随着喉管直径的减小、收缩角和扩散角的增大,吸肥流量与出口流量之比逐渐上升;而当压力比高于0.4时,吸肥流量与出口流量之比则呈相反的变化趋势.建立了吸肥性能与喉管几何尺寸及工作参数之间关系的回归模型,可为文丘里施肥器的设计和运行提供技术依据.     

不同喉管结构对文丘里施肥器性能影响的研究

文丘里施肥器是常见的施肥装置,其结构流道改进成为提高施肥性能的关键因素。测试分析了圆柱形(C)、锥形(T)、椭圆形(E)等3种文丘里施肥器喉管结构、14种样品的水力学性能,结果表明:随着入口流量的增加,吸肥效率呈递减趋势;随着喉管进口直径的增大,吸肥效率的递减趋势变缓;喉管进口直径越小,随着流量的增加,其吸肥效率下降越迅速。在入口流量一定时,随着λ的增加,喉管吸肥效率呈现先增加后递减的趋势。最后计算出当λ=1.27时喉管的吸肥效率最大。在相同的入口流量下,T型喉管的吸肥能力要优于C型和E型喉管,但能量损失很大。     

文丘里施肥器结构参数优化对吸肥性能的影响

为了降低文丘里施肥器进出口压差和提高吸肥效率,选取文丘里施肥器的7个关键参数,采用正交设计方法构造了18种结构参数方案.应用CFD技术模拟分析了每种方案的吸肥性能,以吸肥效率为评价指标提出了最优结构参数方案,并加工成样品,与优化前产品进行了吸肥性能试验对比.结果表明:进口压力不变时,文丘里施肥器吸肥流量随着进出口压差的增大而增大;当吸肥流量相同时,进口压力越大,则所需的压差越大.优化后的吸肥流量较优化前平均提高了114.6%,最大吸肥流量平均提高了31.5%.不同的进口压力下,文丘里施肥器开始吸肥时临界压力比几乎是定值,优化前后平均值分别为0.46和0.61,表明结构优化后文丘里施肥器的工作压力范围得到了拓宽,验证了结构优化设计和数值模拟的可靠性.     

喉部结构对文丘里施肥器性能影响的数值研究

采用CFD数值模拟方法研究吸肥口角度和喉管长径比两个主要参数对文丘里施肥器吸肥性能的影响,利用Fluent软件,针对吸肥口角度(75°、90°、105°、120°和135°)和喉管长径比(1.5、2.0和2.5)的15种组合方案,仿真分析了其对吸肥性能的影响结果表明:当吸肥口角度为135°且喉管长径比为1.5时,其肥液浓度和吸肥效率分别比吸肥口角度为75°且喉管长径比为2.5时提高了110%和90%;两个参数对吸肥性能均有显著影响,其中吸肥口角度对吸肥性能的影响明显大于喉管长径比。     

基于CFD的文丘里施肥器收缩与扩散段结构优化

为了研发新型文丘里施肥器,提高其吸肥性能,使之适应不同工况的进出口压差,讨论了相同喉管进出口直径之比λ的条件下,得到最佳收缩段与扩散段的结构组合方案。本文采用solidworks2016、CFD软件,对14种不同模型进行建模并计算分析。研究不同组合形式结构的吸肥量q、肥液比δ、肥液浓度γ、吸肥效率η,4个指标以及流场压力、速度、湍动能、流线分布,综合评价吸肥性能的优越性。结果表明:①压差与吸肥量呈现幂函数的关系,压差越大吸肥量越大,但是增大的趋势越来越缓慢,压差与吸肥效率呈现指数函数的关系,压差越大,吸肥效率越小,减少的趋势越来越平缓;②喇叭口收缩段与流线型扩散段结构方案对比同系列产品,吸肥量最大提高80%,肥液浓度随压差变化最稳定,对不同工况适应性最强;③在相同的工况下,喇叭口收缩段与流线型扩散段结构方案,在喉管附近产生的真空度最大、压力最小、速度最大,产生旋涡区所对应的中心截面上平均湍动能最小,最有利于吸肥;综合吸肥性能与流场分析,最优的组合形式为喇叭口收缩段与流线型扩散段。     

微灌用文丘里施肥器综合性能试验研究

基于文丘里施肥器综合工作性能指标测试研究,以期获得文丘里施肥器结构优化设计建议.研究选用规格为DN 20的6种不同材质的国内外文丘里施肥器,基于不同进口压力和进出口压差条件,系统针对文丘里施肥器在压力能耗、吸肥效率以及振动与空化等综合性能指标开展了测试研究.结果表明:文丘里施肥器吸肥临界压差与进口压力存在显著的线性正相关;相同进口压力下,国内文丘里施肥器最大吸肥量普遍明显低于国外同类产品,且振动与空化现象受压差变化敏感性较强;同一模具下,收缩率较小材质的施肥器制造偏差小,吸肥性能好, UPVC可作为生产施肥器的优选原料之一;此外,文丘里施肥器存在与其内部结构相对应的吸肥量上限,压差增大后导致振动与空化现象的加强是抑制文丘里施肥器吸肥能力进一步提升的重要原因.     

非对称结构文丘里施肥器数值模拟

基于有关学者提出的非对称结构(偏心向上)文丘里施肥器结构参数和室内试验测试数据,采用CFD数值模拟方法,研究分析了非对称结构与对称结构文丘里施肥器在吸肥量、内部流体运动及空化等性能指标上存在差异的内在原因.结果表明:模拟结果与室内测试结果吻合,即相同吸肥量条件下,非对称结构文丘里施肥器较对称结构表现出明显降低能耗的优势,可减少25%~35%的压力损失;对称结构文丘里施肥器喉部负压呈环状分布于喉管四周,非对称结构施肥器负压则呈半环状,位于喉管下部,因而相应空化区域较小,同等压差损失下有利于提高吸肥量;非对称文丘里施肥器收缩段与扩散段在喉管上部流线过渡平滑,多方向速度碰撞少,能量损耗相对小,在扩散段产生的回旋区较小.     

文丘里施肥器的空化特性试验研究

为了研究文丘里施肥器在压差较大的情况下产生的临界空化对微灌系统灌水器的工作压力影响,试验选取并研究了DN25型文丘里施肥器在吸肥过程中发生的空化现象,测试了7个不同进口压力水平下文丘里施肥器的吸肥流量随进出口压差变化的规律,同时采用动态应变仪测得了对应工况下施肥器喉部和扩散段外侧的应变数据,比较分析了应变数据的标准差与吸肥流量之间的关系,以及文丘里施肥器发生空化时内部流动特性变化规律.试验结果表明,当进口压力在0.20 MPa以下时,文丘里施肥器内部未发生空化;当进口压力在0.20 MPa以上时,吸肥流量增大至某稳定值时所对应的临界最大压差与进口压力呈线性关系,此时文丘里施肥器内部发生临界空化.当进口压力超过临界最大压差时,应变标准差随进出口压差变化的趋势曲线呈M型,且M型曲线的3个特征拐点对应的进出口压差均与其进口压力呈线性关系.     

文丘里施肥器吸肥性能试验研究

通过对文丘里施肥器吸肥性能测试,分析其吸肥流量与喉部负压、进出口压力和进口流量间的关系.结果表明:在吸肥初期阶段,吸肥流量随进口压力和进口流量的增大而增大,当吸肥流量达到最大值后,吸肥流量基本稳定,不受进口压力和进口流量增大变化的影响;吸肥浓度随进口压力和流量的增大先增大后减小,在喉部负压降低到最低点时,吸肥浓度达到最大,试验用文丘里施肥器的最大吸肥浓度约12％～13％.因此,灌溉系统中选择文丘里施肥器时,应考虑其吸肥性能,确定合理的进口压力和进口流量,以达到精确施肥的效果.     

文丘里施肥器空化过程高速摄像分析

针对文丘里施肥器运行中喉部负压越低,吸肥流量越大,但负压过低易出现空化,严重时会磨损内部流道表面,最终影响吸肥流量和微灌系统的施肥均匀性这一问题,采用高速摄像技术拍摄1.5"文丘里施肥器工作过程的内部流动,分析空化与进口压力和进出口压差的关系,以及空化对吸肥性能的影响.结果表明:空化首先发生在文丘里施肥器的收缩段和喉部连接处.随着进出口压差的增大,空化程度逐渐加剧,空泡由喉部延伸至扩散段,同时吸肥流量的增长速度逐渐降低,直至压差增大至某值发生临界空化后,吸肥流量不再增大.喉部吸肥流量增大会对工作流体产生冲击,引起扩散段内的空泡向上方聚集,产生非均匀分布,此外扩散段后半段出现明显回流现象,引起空泡周期性脱落.     

文丘里施肥器空化特性数值模拟

采用数值模拟的方法对结构优化后的文丘里施肥器进行空化特性研究,探讨了空化影响施肥器性能的原因,揭示了施肥器内部流动耗能机理.研究结果表明:随着施肥器进出口压差不断增大,吸肥口负压值不断降低,吸肥流量不断增大,当吸肥口负压降低到最低值时,吸肥口负压值保持不变,吸肥流量将保持恒定,此后随着施肥器进出口压差不断增大,首先在喉部与扩散段连接处产生空化,并沿扩散段壁面向下游不断扩大增厚.通过比较不同压差条件下,施肥器不同截面的能量特征发现,未发生空化时,随着压差增大,喉部能量损失也增大,约占施肥器总损失的1/2左右;空化发生时,随着压差增大,喉部能量损失保持不变,而扩散段能量损失不断增大,这是由于空化的发展使扩散段流态恶化,空化区域外部及尾部产生大范围的涡,消耗较多能量,大量的无效能量损失使得施肥器吸肥效率急剧下降.     

喉管长度对环形射流泵性能影响的数值模拟

基于有限体积法和Realizablek-ε紊流模型,应用Fluent软件对环形射流泵内部流场进行数值模拟,并对计算的可靠性进行验证.由射流泵内部流场可以看出,环形射流泵射流的扩展混合在喉管和扩散管中均存在.针对不同喉管长度下环形射流泵内部射流扩展和壁面压力分布情况,模拟分析了不同喉管长度对环形射流泵性能和效率的影响.结果表明,喉管长度对喉管内射流扩展、环形射流泵性能和效率均有一定影响.喉管越长,射流扩展混合程度越好,但过长的喉管会带来较大的摩阻损失.根据效率最高原则,环形射流泵喉管长度Lt应符合Lt/Dt=2.17-2.89,其中当喉管长度为喉管直径2.69倍时效率最高,可达到35.6%.     

基于数值模拟的CP型喷射泵喉管长度计算

采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,针对某一种CP型喷射泵的内部流场进行了数值模拟,模拟中考虑几种不同的喉管长度,对比分析了泵的性能和内部流场.结果表明：喉管长度对泵的性能、沿程压力和内部流场有重要影响.不考虑汽蚀因素影响,在2.5-6.0倍喉管直径范围内,喉管越长,喷射泵的最高效率也就越高,最高效率点随之右移.通过对效率、喉管出口断面的动能修正系数、动量修正系数及沿程压力变化曲线的分析,表明在3.7-4.5倍喉管直径范围内,该泵在设计工作点的性能最优.综合以上各因素,该CP型喷射泵最优喉管长度应为喉管直径的3.7-4.5倍.     

低压灌溉系统中文丘里施肥器吸肥性能试验分析

水肥一体化灌溉施肥技术是现代农业的一个重要标志,在一些发达国家已经作为一种标准作业方式进行运用。低压滴灌施肥技术作为一种能量优化的水肥一体化灌溉施肥技术,不仅具备常压滴灌施肥技术的优点,还可以降低灌溉施肥系统的成本,是未来滴灌发展的重要发展方向。为此,在基于CFD数值模拟方法得出满足低压灌溉系统的文丘里施肥器结构参数的基础上,以优化后的结构参数试制出一款文丘里施肥器样品,并在进口压力为0~0.1MPa的范围内进行试验。结果表明:进口流量比、吸肥流量和肥液浓度都是随着进口压力的增加而增大,且当进口压力为0.05MPa时,进口流量比达到最大,为11.17%;当进口压力为0.07MPa时,吸肥流量达到最大,为0.245m^3/h;当进口压力为0.0 5 MPa时,肥液浓度达到最大,为1 0.0 4%。该肥液浓度条件能满足实际灌溉要求,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,为低压灌溉的研究提供了参考。     

施肥机管路布置对文丘里施肥器吸肥性能的影响

为探究施肥机不同管路布置方式对文丘里施肥器在吸肥性能与通道数量等方面的影响,研究选用相同规格的5个文丘里施肥器,针对不同主管压力和2种管路布置方式进行了多通道吸肥室内试验.结果表明:旁路吸肥式与旁路助肥式相比,可同时支配高效吸肥的通道数量较多,最多可达到6个,且对灌溉系统主管压力范围要求更宽泛,可同时满足多种营养液的精准配比施肥;当吸肥通道数量小于3个时,旁路助肥式单通道吸肥量随主管压力的增大而减小,而旁路吸肥式单通道吸肥量随主管压力增大基本保持稳定值;相同通道数量下,旁路吸肥式管路布置下的总吸肥流量和注肥比例明显大于旁路助肥式管路,“3吸肥通道+旁路吸肥式管路”可推荐作为施肥机管路优化布置的首选方式.     

射流泵全特性工况的数值分析及试验研究

为了解射流泵在全特性工况下的性能和内部流场特性,采用数值分析和试验的方法对其进行研究.结果显示:在全特性工况范围内,射流泵数值模型的扩散管出口静压与流量比之间近似呈负线性关系,基于Realizable k-ε湍流模型预测的射流泵量纲一化性能曲线与试验结果基本一致,压力比和流量比之间也近似呈负线性关系;在正压正流状态下,数值分析与试验结果之间的压力比相对误差随着流量比的增大而增大,相对误差最大值约为0.26;在正压反流状态下,相对误差较小且较为稳定,最小值约为0.02;在最高效率工况附近,射流泵吸入室内部流场的速度矢量分布比较均匀,随着流量比减小,吸入室内流场会出现较为明显的局部涡旋;射流泵喉管进口截面的轴向流速分布不均匀度最大,喉管中间截面及其后续流动空间的轴向流速分布则较为均匀,在正压正流状态下,喉管内的流体混合过程主要发生在喉管中间截面之前的流动空间.