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.     

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.     

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.     

文丘里施肥器能量转化关系

为了深入了解文丘里施肥器喉部负压的产生条件和变化过程,通过对进出口和喉部分别有测压设计的文丘里施肥器进行有压过流试验,研究了水流在不同特征断面处的能量转化关系.对于试验用文丘里施肥器,试验结果表明:当压力水流通过时,进口处的压能将转化成喉部处的动能,随着进口压能和流量的不断增大,喉部动能增大,喉部的压能完全消失,局部开始产生负压,负压达到最小值后,继续增大进口压力水头将不再引起喉部负压值的变化,但流速的增幅明显增大,喉部动能随流量的增加呈抛物线形趋势增大,产生的水头损失急剧增大;对于同一流量,喉部实际流速与理论流速的差异反映了喉部对应断面处的真空空间的大小;相对于自由出流,非自由出流条件下,喉部开始产生负压时对应的进口起点压力提高,流量相对较大,产生相同负压时的进口压力和流量明显高于自由出流条件.     

文丘里施肥器能量转化关系

为了深入了解文丘里施肥器喉部负压的产生条件和变化过程,通过对进出口和喉部分别有测压设计的文丘里施肥器进行有压过流试验,研究了水流在不同特征断面处的能量转化关系.对于试验用文丘里施肥器,试验结果表明:当压力水流通过时,进口处的压能将转化成喉部处的动能,随着进口压能和流量的不断增大,喉部动能增大,喉部的压能完全消失,局部开始产生负压,负压达到最小值后,继续增大进口压力水头将不再引起喉部负压值的变化,但流速的增幅明显增大,喉部动能随流量的增加呈抛物线形趋势增大,产生的水头损失急剧增大;对于同一流量,喉部实际流速与理论流速的差异反映了喉部对应断面处的真空空间的大小;相对于自由出流,非自由出流条件下,喉部开始产生负压时对应的进口起点压力提高,流量相对较大,产生相同负压时的进口压力和流量明显高于自由出流条件.     

复合式吸肥装置结构设计与性能试验

设计了一种新型复合式吸肥装置,并对其吸肥性能进行检测,与传统单文丘里管进行对比以验证其可行性。试验结果表明：在吸肥初始阶段,复合式吸肥装置喉部真空负压随进出口压力差的增大而降低,吸肥流量增大。吸肥流量随真空负压的绝对值增大呈线性增大趋势;当进出口压力差达到0.28MPa左右时,真空负压降到最低值而不再发生变化,与此同时吸肥流量达到最大值;与单文丘里管相比,复合式吸肥装置由于使用过程中压力损失及水头损失,其单管吸肥流量较单文丘里管吸肥流量略有减小,但由于吸肥管数的增加,吸肥量可成倍增加。因此,在复合式吸肥装置进口处调节进口压力变化,在0.02～0.28MPa的正确进出口压力差工作区间下控制复合式吸肥装置,可达到精确施肥的目的。     

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.     

水力驱动式比例施肥器性能影响因素试验研究

水力驱动式比例施肥器具有施肥精度高,运行稳定的优点,在滴灌系统中使用越来越普遍。为了达到设计要求的灌溉均匀度,滴灌系统毛管首部压力应不低于设计压力,在保持滴灌带首部压力不变的前提下,进行了水力驱动式比例施肥器的性能试验,分析了吸肥泵作用压差、施肥比例、吸肥比例对吸肥量及管道内肥液浓度的影响。结果表明:在设计流量范围内,施肥泵入口流量随作用压差的增大呈现先增后减的趋势,施肥比例对入口流量基本没有影响,在压差0.02~0.035 MPa时运行性能较稳定;同一压差下,吸肥比例的实测值与设定值的偏差随着吸肥比例的增加而增大,同一吸肥比例的条件下,施肥泵出口和汇入干管后肥液的质量百分浓度基本不随时间变化,随着施肥桶中的肥液浓度的增加而增加,反映出比例施肥泵均匀性高的特点。为了提高施肥精度,在运行时不要使用较大压差与较小施肥比例配合以及较小压差与较大施肥比例配合。     

ATP文丘里施肥器喉管结构优化与流场计算

为了验证试验得到的最佳喉管进出口直径之比λ的准确性,并进一步研究所对应模型的优越性与相关参数变化规律,采用软件Solidworks以及CFD对8种不同模型进行建模并计算,得出喉管压差与出口雷诺数、吸肥量、最小压力的变化规律,以及在相同工况下,8种不同λ值对文丘里施肥器的流场特性影响.结果表明:计算得到的最佳λ值与试验得到的λ值误差为8.6%,进口流量与试验对比误差为10.0%左右;压差与出口雷诺数呈幂函数变化规律,与最小压力呈线性变化规律;计算得到了该系列施肥器产生负压的必要条件,当λ=1.27时,产生负压条件的压差为4.3 kPa;提出当1.00≤λ<1.27时,初始压差随λ增大而减小,当1.27≤λ<1.68时,初始压差随λ增大而增大,增大趋势逐渐变大,当1.68≤λ<2.00时,初始压差随λ增大而减小;λ=1.27时比其他7种型号吸肥性能好,可靠性高,是ATP3,4,5,6系列施肥器λ的最优值.     

活塞式比例施肥器性能对比试验

比例施肥器是一种先进的定比施肥装置。介绍了活塞式比例施肥器的内部结构及工作原理。目前国内对比例施肥器的研究主要集中在新结构设备的研制上且都存在使用寿命短,吸肥精度差的缺点,而对比例施肥器吸肥性能的研究只局限于国外产品上,因此对国内外两种施肥器的吸肥性能进行实验,结果表明:施肥器的进口流量都随进出口压差的增大而增大,但国内施肥器的比例精度明显低于国外施肥器,且在相同压差下,国内施肥器的进口流量也低于国外产品。在分析的基础上建立了施肥器的吸肥量模型,可用于吸肥量的估算。     

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。     

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。     

水动比例施肥器性能对比试验研究

水动比例施肥器作为精确施肥的代表性装置,在国内尚停留在理论研究及产品研制方面。由于国内产品性能的不稳定,国内的市场份额大部分被国外产品所占据。为了对比国内外水动比例施肥器在吸肥性能上的差异,通过试验综合对比了国内外3款水动比例施肥器的吸肥性能。结果表明:施肥器吸肥量受进口流量和压差的影响,相同压差下,国外施肥器进口流量更大,压力损耗更低,但过大的流量会对施肥器吸肥量产生不良影响;国内施肥器的施肥精度要低于国外施肥器;在大的吸肥量下,施肥器的工作效率较高。研究结果可为后续水动比例施肥器的进一步研制提供依据。     

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…     

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.     

水肥一体化灌溉施肥机吸肥器结构优化与性能试验

为了优化水肥一体化灌溉施肥机并提高其吸肥性能,在分析文丘里吸肥器工作原理基础上,依据经济流速流量对照表,综合考虑施肥装置及管路系统的沿程损失与局部损失,以吸肥流量为评价指标,应用CFD数值计算对影响系统吸肥性能的关键核心部件文丘里吸肥器的渐缩角α、渐扩角β、喉部直径d0进行单因素性能优化设计,获得了3个主要结构参数对其吸肥性能的影响规律;通过三因素三水平的正交试验方案,得出基于CFD数值计算的文丘里吸肥器最优结构参数组合,渐缩角α为20°、渐扩角β为8°、喉部直径d0为6 mm,且当吸肥管与文丘里主管道呈40°倾角时吸肥性能最优。模拟数据与水肥一体化灌溉施肥机运行数据表明,CFD数值优化后的文丘里吸肥器吸肥流量提高约38.6%,与模糊自动控制系统相配合的水肥一体化灌溉施肥机的吸肥流量总体提高约47.6%,节能效果显著。     

基于空化模型的文丘里施肥器内部流动分析

为了研究文丘里施肥器的水力性能和内部介质混合规律,以试验和数值模拟相结合的方法,基于混合模型和空化模型,利用Ansys Fluent商业软件对文丘里施肥器在不同工况下进行三维定常数值模拟,并设置对比试验。结果表明:考虑空化模型的数值模拟结果与试验结果基本相符,表明采用空化模型可以更好地预测文丘里施肥器的水力性能。另外,混合室和喉管是能量损失的主要发生区域,肥液和工作液体的混合主要发生在扩散段。