并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式性能分析

为了了解文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式的性能,在其工作原理的基础上,设计了4个文丘里管并联的施肥器,其部分参数为L_a=105 mm,L_b=55 mm,四通T型出口两侧长度L₁~L₈=36 mm,文丘里管通道内径均为50 mm.在并联四文丘里管施肥器吸肥口为1个大气压力,营养液出口为0.10 MPa,进水端入口压力分别为0.15,0.25,0.35,0.45,0.55,0.65 MPa的边界条件下,运用FloEFD软件对施肥器吸肥量进行仿真分析,得到了各通道吸肥量与进出口压差呈正相关的工作特性.基于该分析结果,进一步在4个文丘里管并联施肥器的出口增设吸肥泵,构成四吸肥通道+旁路吸肥式管路施肥器(“旁路吸肥”模式),通过性能仿真表明:并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式,可提高吸肥量整体提高31.08%以上,方差降低74.12%,同时实现将营养液有压输出.进一步开展并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式吸肥量性能试验,得出实测平均吸肥量为693.25 L/h,与仿真分析数据平均相对误差仅为4%,验证了仿真分析结果.该研究为并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式整机的研制奠定了基础.     

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.     

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.     

文丘里施肥器改进设计和应用

1文丘里施肥器组成与工作原理文丘里施肥器通常由文丘里管和肥料罐组成,如图1。其工作原理是利用文丘管中管路过流面积突然变小,产生局部负压,将外部容器的肥液或药液通过微小管路吸入到管路中。文丘里管构造简单(如图2所示),造价低廉,使用简便。文丘里施肥器主要应用于小型微灌(如滴灌、微喷灌)系统的施肥。图1文丘里施肥器构成图1.进水口;2.负压区;3.出水口;4.吸肥口图2文丘里管结构简图2文丘里施肥器的工作特点文丘里施肥器的工作原理决定了其工作特点:吸肥量受灌溉系统的压力、流量影响较大。施肥器直接串联安装在主管上,系统压力损失较…     

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.     

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.     

6种文丘里施肥器吸肥性能比较分析

对北京地区微灌常用的6种文丘里施肥器进行了试验,在理论分析的基础上结合相关数据,建立了6种文丘里施肥器吸肥量、入口流量、临界流量和临界压差的回归模型并进行了比较分析.结果表明:进、出口压力直接影响了施肥器的吸肥量和入口流量,施肥器YR、RF对压力波动等不利工况较敏感,而AD系列和NF则更能适应波动的工作压力环境.NF和AD-1等临界压差小,工作区间大;而RF和YR工作区间小,只有临界压差达到进口压力1/2以后才可正常吸肥.文丘里施肥器的结构对其水力性能影响较大.     

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.     

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。     

Field evaluation of fertigation uniformity as affected by injector type and manufacturing variability of emitters

Fertigation with microirrigation systems is increasing in popularity. Uniformity of fertigation is important for many reasons. Field experiments were conducted to evaluate the effects of injector types and emitters on fertigation uniformity by simultaneously measuring the distributions of water application, solution concentration, and fertilizer applied within a subunit of microirrigation system. Three conventionally used injectors, a water-driven piston proportional pump, a venturi device, and a differential pressure tank, were evaluated with three different emitters. The results indicated that both manufacturing variability of emitters and injector types had a very significant effect on the uniformity of fertilizer applied, while the uniformity of water application was mainly dependent on emitter type. The uniformity of solution concentration was dependent on injection methods. Emitters having a higher manufacturer’s variation produced a more nonuniform distribution of water application and fertilizer applied. For a given emitter type, a differential pressure tank produced considerably higher coefficients of variation (Cv) for water application and fertilizer applied than a proportional pump or a venturi injector because a differential pressure tank released fertilizer in a decreasing rate with time. To obtain a uniform fertigation distribution, an injector that can inject fertilizers in a constant rate is recommended. The relationship between water application uniformity and fertigation uniformity for a microirrigation system was established for different injection methods. Cv for fertilizer applied was very close to water application Cv for a microirrigation system using a proportional pump or a venturi injector as an injection device. However, fertilizer Cv for a differential pressure tank was approximately double of the water application Cv. The injection method and injector performance should therefore be considered in the design of microirrigation systems.     

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.     

喉管直径对文丘里施肥器性能影响的数值模拟

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件对文丘里施肥器的内部流动进行了数值模拟,并对数值计算方法的正确性进行了验证.模拟分析了喉管进口直径为4,5,6 mm,以及出口直径与进口直径之比λ为1.0,1.1,1.2,1.3和1.4时15种结构方案的吸肥性能.结果表明：喉管直径对喉管及扩散段内流动特性、吸肥性能和效率均有一定影响,但出口直径与进口直径之比λ对文丘里施肥器性能的影响要明显甚于喉管进口直径.根据效率最高原则,喉管直径比应为1.2～1.3.建立了λ=1.2或1.3时文丘里施肥器吸肥效率与流量比之间的回归模型,并应用回归模型预测了吸肥效率最大值.喉管进口直径4 mm的文丘里施肥器当直径比为1.3时吸肥效率可达到15.5%,与直径比为1.0相比,前者的扩散段内部流动平顺、无漩涡出现,且相同横截面的平均湍动能值要小.该研究结果为文丘里施肥器的优化设计提供了一定的理论参考.     

文丘里施肥器系列的研制

详细介绍了文丘里施肥器的工作原理,并根据实际使用中的性能要求和有关计算公式设计了其结构和参数.以流量,浓度和进出口压力对比与浓度的关系作为检测参数,对施肥器进行了检测,并根据检测结果详细分析了施肥器的性能，通过检测结果发现,对于结构已经确定的文丘里施肥器来说,进出口压力比与浓度有一较固定的关系,使用方法和注意事项.最后得出结论认为,该系列施肥器具有以下特点:结构简单造价底,无运动部件,无需有压容器存放肥液,施肥浓度稳定,无需外加动力,使用方便,能满足大、中、小型灌溉系统的需要.