水肥一体化施肥机吸肥器结构优化及试验.pdf

水肥一体化施肥机吸肥器结构优化及试验 李继学 李家春 贵州大学机械工程学院 贵阳 摘 要 为探究水肥一体化施肥机吸肥器结构对吸肥量的影响及吸肥通道吸肥量差值较大的问题 运用Solidw Wo ks设计并联 条 条 条射流泵的吸肥器模型 并利用Flo FD对 种吸肥器的吸肥量进行分析 综合对比 数值模拟结果可知 吸肥器的最优结构为并联 条射流泵 此外 通过改变主管道长度和射流泵间距对吸肥器 结构进行优化并分析每条射流泵吸肥量 结果表明 吸肥器结构优化后 每条射流泵的吸肥量趋于相同且吸肥量 高于优化前 样机试验表明 每条射流泵的吸肥量差值较小 试验得到的吸肥量数据与数值模拟数据的误差在 合理范围内 样机长时间运行具有很好的稳定性 可满足实际的农业灌溉施肥要求 关键词 数值模拟 吸肥量 吸肥器 水肥一体化施肥机 中图分类号 S224 4 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2021 03 0015 09 0 引言 水肥一体化技术是一种通过压力管道输送水肥溶 液 集灌溉和施肥于一体的现代农业技术 具有施肥 精准 高效及环境污染小等优点 该技术现已引 进国内并推广使用 但因水肥一体化技术在国内尚处 在发展期 市场上的施肥机的种类各异 吸肥设备也 没有统一的规格 不同施肥机的吸肥量 水力特性及 吸肥器结构也存在差异 因施肥机吸肥的核心部 件多为文丘里式 文中选择SSQ 射流泵作为吸肥 部件 射流泵在实际使用过程中吸入腔内产生能量 交换和高速的流体冲击 流体进出口的压差会在吸入 腔内产生高频的噪音及剧烈的震动 6 过大的压差 产生的震动会使射流泵产生裂纹以至破碎 此外 农 作物对于肥料和水的需求量都有一定的标准 施肥机 设备对于灌溉送肥所提供的水压及流量也有相应要 求 所以 对于施肥机工作时的吸肥量及吸肥设备的 水力特性研究尤为必要 1 工作原理与结构设计 收稿日期 基金项目 贵州省科技厅项目 黔科合平台人才 6 号 黔科合 成果 号 黔科合重大专项字 6 号 黔科 合支撑 6 贵阳国家高新区人才特区建设专项项 目 黔高新 6 作者简介 李继学 男 山东济宁人 硕士研究生 m il 6 qq com 通讯作者 李家春 男 贵州毕节人 教授 博士生导师 m il qq com 1 1 工作原理 射流泵主要由喷嘴 吸入室 喉管和扩散管等组 成 如图 所示 射流泵是利用射流紊动扩散作用 来传递能量和质量的流体机械混合反应设备 射 流泵吸肥原理 具有一定压力的水流通过锥形的喷嘴 时 水流速度发生快速改变并在腔内产生一种负 压 在外界大气压作用下肥料溶液被吸入到射流泵 内 然后 离心泵将水肥混合液沿着压力管道输送至 田地 从而实现水肥混合灌溉 进水端 吸入室 吸入口 喷嘴 喉管 6 扩散段 出水端 图 射流泵结构示意图 Fig St uctu l di g m of et pump 1 2 结构设计 试验选用的射流泵及管件通过SolidWo ks构建 年 月 农机化研究 第 期 射流泵模型如图 所示 同时 对并联 条 条 条 射流泵的吸肥器展开研究 吸肥器模型如图 所示 图 射流泵三维模型 Fig T ee dimension l model of et pump 单射流泵 b 双射流泵 c 三射流泵 图 吸肥器图 Fig Fe tilize bso be di g m 2 数学模型构建 2 1 吸肥器主要参数 射流泵用作吸肥器使用时 以流量比q 压力比h 吸肥效率 的数值大小来表示其性能强弱 流量比 即 q QsQ n 式中 Qs 吸入口流量 m s Qn 工作流体流量 m s 效率 即 q h h 式中 q 流量比 h 压力比 吸肥条件 射流泵作为吸肥器吸肥时符合伯 努利方程和连续性方程 即 伯努利方程为 v g p Z C 连续性方程为 v A C 若不计吸入管路的各种损失 吸入量可以通过式 和式 导出计算公式 即 Q g h p 式中 v 流速 m s g 重力加速度 m s p 压力 m Z 势能 m 流体比重 m A 过流截面积 m Q 吸入流量 m s 吸管截面积 m h 吸水高度 m p 喉管压力 m C C 常数 根据上述公式 吸入射流泵内的流量随着喉管处 的真空度的变化随之变化 只有当h P 时 即射 流泵内的压力小于大气压时 射流泵内才会有流体被 吸入进而达到吸肥的效果 2 2 数值计算设置 2 2 1 模型选择 根据流体在射流泵内的流动特性 认为流体在整 个泵内是湍流流动 湍流模型选取R Gk 模 型 2 2 2 网格划分 由于计算射流泵为水平进水偏向进口的结构形 式 其腔内为锥形喷嘴 且有斜面等复杂结构 为提高 数值计算的精确性 在网格的划分上利用非结构化网 格进行计算 在结构变化大的位置 射流泵的喷嘴 拐 角和斜面 进行网格加密处理 2 2 3 边界条件 吸肥管道的进口设定为压力 P 吸肥管道 的出口实际连接的是离心泵的进口端 边界条件设定 6 年 月 农机化研究 第 期 为出口体积流量 m s 射流泵吸肥依靠其内 部产生的负压 并借助外界大气压将肥液吸入射流泵 内 故射流泵的吸肥口边界条件设定为外界大气压为 P 3 仿真分析及结果 3 1 吸肥量的仿真分析 利用Flo FD流体仿真分析软件 利用有限体积法 对吸肥器进行流体仿真 模拟分析中吸肥器进口条 件设定为静压 P 进口设定体积流量 m s 吸肥口设定位环境压力 P 现进行 种吸肥 器的吸肥时流体分析 静压 b 流体迹线图 图 单射流泵流体分析图 Fig Single et pump fluid n lysis di g m 单射流泵流体仿真结果如图 所示 由图 可 知 流体在进入射流泵时因喉管的口径缩小 流体的 速度逐渐升高 压强也随之降低 压强达到最小值并 形成负压约 P 射流泵进出口压差为 P 该条件下的吸肥器有一定的吸肥能力且吸肥量较大 其吸入的流体体积流量为 双射流泵流体仿真结果如图 所示 由图 可 知 压力云图显示在射流泵喷嘴下部产生一定的负压 P 此时射流泵进出口的压力差为 P 且 产生负压的位置与单射流泵产负压的位置相同数值 不同 并联双射流泵吸肥器可以达到一定的吸肥效 果 其吸入的流体体积流量分别为 静压图 b 流体迹线图 图 双射流泵流体分析图 Fig Flow n lysis di g m of double et pump 三射流泵流体仿真结果如图6所示 由图6知 压力云图表明在喷嘴下部产生负压 条射流泵产生 的压强分别为 6 P 进出口的压差 为 P 并联三射流泵吸肥器具有吸肥的能力 其 吸入流体体积流量分别为 静压图 b 流体迹线图 图6 三射流泵流体分析图 Fig 6 Fluid n lysis di g m of et pump 依据上述计算分析结果 考虑到水肥一体化施肥 机要求为实现多种肥液的均匀混合并施用于农业灌 溉 并联 条和 条射流泵的吸肥器虽然能够提供较 年 月 农机化研究 第 期 高的吸肥量 但吸肥过于单一 不能同时施加氮 磷 钾 种必需的农业肥料 此外 射流泵内的压力过 大 在吸肥运行的过程中会因为过大的压力和高频震 动 致使射流泵出现裂纹甚至炸裂 综上分析 选择 并联 条射流泵作为吸肥器 并做进一步的分析 3 2 吸肥量差异分析 对上述吸肥器结构进行多组流体分析 将 条射 流泵的吸肥量数据整理绘制 如图 所示 由图 可 以明确得出 条吸肥管道的吸肥量存在明显的差异 图 吸肥管道吸肥量 Fig Fe tilize bso ption c p city of fe tilize bso ption pipeline 对于造成上述吸肥器 条射流泵吸肥量结果不同 的原因 分析如图 所示 图 吸肥器流量分析图 Fig Flow n lysis c t of fe tilize bso be 图 中 三通管道在分流时 根据质量守恒定律 可以得出 Q Q Q Q 6 v A v Aa v Ab v Ac 建立 断面和 断面的能量方程为 Z p a v g Z p a v g hl 建立 断面和 断面的能量方程为 Z p a v g Z p a v g hl 建立 断面和 断面的能量方程为 Z p a v g Z p a v g hl 式中 Q 流体总流量 m s Q Q Q 流入每条射流泵流量 m s Aa Ab Ac a b c管口截面积 m Z Z Z Z 选定的 断面上任一点 相对于选定基准面的高程 Z Z Z Z p p p p 断面同一选定点的压强 m 流体比重 m v v v v 断面的平均流速 m s 断面的动能修正系数 hl hl hl 断面 断面 断面 间流体能量损失 m g 重力加速度 m s 该吸肥器由 条射流泵并联组成 每条射流泵间 距相同 因 个管段内都存在流体能量损失hl hl hl 故流进每条射流泵的流体流量不相同 提 供的能量也不相同 所以 条射流泵的吸肥能力存在 差异 即吸肥量不同 4 吸肥器结构优化 4 1 理论分析 能量损失计算公式用水头损失表达时 表达式为 hl hf hm 沿程水头损失为 hf ld v g 局部水头损失为 hm v g 年 月 农机化研究 第 期 断面和 断面间流体能量损失沿程水头损失为 hf l d v g 局部水头损失为 hm v g 断面和 断面间流体能量损失沿程水头损失为 hf l d v g 6 局部水头损失为 hm v g 断面和 断面间流体能量损失沿程水头损失为 hf l d v g 局部水头损失为 hm v g 式中 hf hf hf 断面 断面 断面 间沿层水头损失 m hm hm hm 断面 断面 断 面间局部水头损失 m 沿程阻力系数 局部阻力系数 l l l 单个三通管长度 l l l mm d 管道直径 mm v v v 断面的平均流度 m s g 重力加速度 m s 通过分析式 式 6 式 知 可以通过 改变l l l 长度 即改变单个三通管的长度 从 而缩短主管道长度和吸肥射流泵间距 以达到降低流 体能量损失的目的 使流入每条射流泵的流体流量和 流体能量趋于相同 从而使 条射流泵的吸肥量趋于 一致 4 2 结构优化 吸肥器部分尺寸如图 所示 吸肥器主管道由 个相同的T型三通组成 其部分参数为长La mm 内径Lc mm 射流泵间距Lb mm 三通T型出口 两侧长度L L L L L L6 6mm 选择该三通 作为分析研究的对象 通过改变L L L L L L6的 长度 减小管道长度La和吸肥射流泵间距Lb的值 利 用Flo FD软件分析不同条件下 号 号 号射流泵 的吸肥量 实验中三通长度每次缩减梯度 L 取 L mm L mm L mm L mm 图 吸肥器部分尺寸图 Fig P ti l dimension di g m of fe tilize bso be 4 3 流体分析 分别对不同结构的吸肥器进行流体分析 吸肥器 进口条件设定为静压 P 进口设定体积流量 m s 吸肥口设定位环境压力 P 4 3 1 同时缩短L2 L4 L6 保持基本模型中的其它结构参数不变 L L L6 按照 L L L L 梯度同时减小 缩短主管道 和 条射流泵之间的距离 在相同计算条件下 数值 模拟的结果如图 所示 L L L6缩短 mm 年 月 农机化研究 第 期 b L L L6缩短 mm c L L L6缩短 mm d L L L6缩短 mm 图 缩短L L L6 条射流泵吸肥量 Fig S o tens fe tilize bso ption of nd 6 et pumps 4 3 2 同时缩短L1 L3 L5 保持基本模型中的其它结构参数不变 L L L 按照 L L L L 梯度同时减小 缩短主管道 和 条射流泵之间的距离 在相同计算条件下 数值 模拟的结果如图 所示 4 3 3 同时缩短L1 L2 L3 L4 L5 L6 保持基本模型中的其它结构参数不变 L L L L L L6按照 L L L L 梯度同时减小 缩 短主管道和 条射流泵之间的距离 在相同计算条件 下 数值模拟的结果如图 所示 L L L 缩短 mm b L L L 缩短 mm c L L L 缩短 mm 年 月 农机化研究 第 期 d L L L 缩短 mm 图 缩短L L L 条射流泵吸肥量 Fig S o ten t e fe tilize bso ption of nd et pumps 4 3 4 仿真实验结果分析 对比上述仿真实验数据 由图 b 和图 c 两组数据中显示 仿真实验中相应吸肥器结构的每条 射流泵的吸肥量都趋于相同 L L L L L L6缩短 mm b L L L L L L6缩短 mm c L L L L L L6缩短 mm d L L L L L L6缩短 mm 图 缩短L L L L L L6 条射流泵吸肥量 Fig S o ten t e fe tilize bso ption of nd 6 et pumps 对比图 b 和图 c 的仿真实验结果 图 c 实验中每条射流泵的吸肥量优于图 b 实验中 的每条射流泵的吸肥量 故选择图 c 实验中的吸 肥器结构作为新的吸肥器结构 现对比结构优化前 后吸肥器的吸肥量 如图 所示 吸肥器结构优化 后 每条射流泵的吸肥量都有显著提升 并且 条射 流泵吸肥量差值明显缩小 故选择主管道所有三通的 左侧同时缩短 mm作为吸肥器新结构 如图 所 示 5 样机试验 5 1 试验目的 比对实际的数据和理论分析数据的差值 若实际 数据和理论分析数据相差较大 则该理论分析不具有 现实意义 若试验数据和理论分析数据误差较小 则 该模型具有一定的实际意义 吸肥量和水力性能可以 年 月 农机化研究 第 期 作为选择施肥机的指标 图 优化前后吸肥量对比图 Fig Cont st c t of fe tilize upt ke fte optimiz tion 图 优化后的吸肥器结构 Fig Optimized st uctu e of fe tilize bso be 5 2 试验材料 根据上述流体分析的结果 选择新的吸肥器结 构 按照施肥机的灌溉方式及流体原理构建施肥机 如图 所示 施肥机采用 mm内径UP C管件 连接组成吸肥主管道 其它管道采用 mm等内径 的UP C管件组装 离心泵的规格选择 m扬程 kW 施肥机配套使用 6 的浮子流量 计用于监测流量 为了提高试验的更佳合理性 施肥 机配备 个量桶用于盛装液体肥料 如图 b 所示 该液肥桶通过 6mm内径软管分别与施肥机吸肥口相 连 为增加试测吸肥量的准确性 施肥机上搭载成套 控制系统通过相应的软件 实时记录施肥机吸入的流 量 5 3 试验结果与分析 样机试验进行 组 试验数据如表 所示 将试验 数据与数值模拟数据进行比对 如表 所示 水肥一体化施肥机 b 液体肥料桶 图 试验机器及设备 Fig Testing m c ines nd equipment 表 施肥机吸肥量试验值 T ble Test lue of fe tilize bso ption of fe tilize pplic to 试验次数 射流泵吸肥量 表 施肥机吸肥量试验值和理论值 T ble Test nd t eo etic l v lues of fe tilize upt ke by fe tilize pplic to s 射流泵 试验吸肥量 理论吸肥量 误差 6 6 对比试验数据和数值模拟数据可知 两者数据误 差在合理范围内 吸肥器具有较好的吸肥能力 条射 流泵吸肥量差值较小 能够满足实际的农业施肥要求 6 结论 利用Flo FD流体仿真分析软件 对并联 条 条 条射流泵构成的吸肥器进行流体仿真分析 对 比数值模拟计算结果可知 并联 条射流泵的吸肥器 年 月 农机化研究 第 期 具有较好的吸肥能力和稳定性 通过改变每个三通T型出口两段的长度来调 整吸肥主管道长度和射流泵间距组成不同结构的吸 肥器 利用Flo FD软件分析不同结构吸肥器中每条 射流泵的吸肥量 通过对比多组实验数据 选出 条 射流泵吸肥量差值较小的一组 确定其结构为主管道 所有三通的左侧同时缩短 mm作为吸肥器新结构 样机试验表明 实际的吸肥量与仿真实验得到 的吸肥量两者误差在合理范围内 施肥机在试验运行 过程中 条射流泵的吸肥量相对差值较小 射流泵内 因进出口的压力差产生的振动以及噪声较小 参考文献 赵洪志 水肥一体化技术优势浅析 J 现代农业 赵敬美 水肥一体化技术探析 J 农家参谋 吴勇 水肥一体化技术 J 农业知识 李恺 尹义蕾 侯永 中国设施园艺水肥一体化设备应用 现状及发展趋势 J 农业工程技术 6 Ozk n F Oztu k B yl et l xpe iment l investi g tions of i nd liquid in ection by ventu i tubes J W te nd nvi onment Jou n l 6 6 H J n C en C u et l ffect of st uctu l opti miz tion on pe fo m nce of entu i in ecto C P oceed ings of t e 6t HR Symposium on Hyd ulic c ine y nd Systems 陆宏圻 喷射技术理论及应用 武汉 武汉大学出版 社 6 吴波 液气射流泵性能研究与数值模拟 D 成都 西南 石油大学 H 欧特尔 德 普朗特流体流体基础 版 朱自 强 钱翼稷 李宗瑞 译 北京 科学出版社 陶文铨 数值传热学 版 西安 西安交通大学出版 社 k ot Smit T e eno m liz tion g oup t e exp nsion nd de iv tion of tu bulence models J Jou n l of Scientific Computing 6 王松林 王玉川 桂绍波 等 液体射流泵内部流动分 析 试验与三维数值模拟 J 排灌机械工程学报 6 6 6 张棣 董祥伟 李增亮 等 射流泵内流场数值计算的结 构化网格划分方法 J 石油矿场机械 6 欧鸣雄 贾卫东 邱白晶 等 射流泵全特性工况的数值 分析及试验研究 J 排灌机械工程学报 6 Structure Optimization and Experiment of Fertilizer Absorber of W ater fertilizer Integrated Fertilizer Applicator i Jixue i Ji c un College of ec nic l nginee ing Guiz ou Unive sity Guiy ng C in Abstract n o de to explo e t e effect of fe tilize nd fe tilize pplic to st uctu e on t e mount of fe tilize bso p tion Solidwo ks t ee dimension l softw e w s used to design t e model of one two nd t ee et pumps in p llel t e Flo FD fluid n lysis softw e w s used to bso b t e fe tilize ume ic l simul tion comp e ensive comp ison of nume ic l simul tion esults s ows t t t e optim l st uctu e of t e m nu e feede is t ee p llel et pumps n ddition t e st uctu e of t e m nu e feede is optimized by c nging t e lengt of t e m in pipe nd t e et pump sp cing nd n lyzing t e mount of fe tilize bso bed by e c et pump fte t e st uctu e of t e m nu e feede is optimized t e mount of fe tilize bso bed by e c et pump tends to be t e s me nd t e mount of fe tilize bso bed is ig e t n be fo e optimiz tion n t e p ototype test t e diffe ence in t e mount of fe tilize bso bed by e c et pump is sm ll T e m ximum e o of t e test d t of t e fe tilize bso ption nd t e nume ic l simul tion d t is wit in e son ble nge T e long te m ope tion s good st bility nd c n meet t e ctu l g icultu l i ig tion Fe tiliz tion equi ements Key words nume ic l simul tion fe tilize bso ption fe tilize bso bo w te fe tilize integ ted fe tilize pplic to 年 月 农机化研究 第 期