年 月 第 卷 第 期 張瓊 典型智能水肥一體機(jī)射流式吸肥器 性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 張瓊 王墻林 胡貴榮 劉暢 張力杰 李云開 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院 新疆石河子 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程 學(xué)院 北京 農(nóng)業(yè)水資源高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 收稿日期 修回日期 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間 網(wǎng)絡(luò)出版地址 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目 第一作者簡介 張瓊 女 四川中江人 碩士研究生 主要從事智慧灌溉技術(shù) 系統(tǒng)與智能控制研究 通信作者簡介 李云開 男 湖南芷江人 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事精量高效滴灌裝備設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究 摘要 吸肥器結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)對(duì)智能水肥一體機(jī)工作性能影響顯著 針對(duì)常見吸肥器吸肥量小 壓損大等問題 選用 種 型射流式吸肥器 種組合型射流式吸肥器及 種文丘里吸肥器 采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法 測定了不同進(jìn)口壓力和進(jìn)出口壓差條件下吸肥器的吸肥性 能 對(duì)性能較好的吸肥結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 通過正交和極差分析研究了喉部噴嘴面積比 漸縮段 角度 漸闊段角度 喉嘴距對(duì)其吸肥性能的影響 結(jié)果表明 相同工況下 型吸肥器的綜合性 能優(yōu)于組合型吸肥器也優(yōu)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 工作范圍 最大吸肥效率分別提升 和 臨界壓差降低 其中 型射流式吸肥器表現(xiàn)最好 射流式吸肥器的吸肥效率隨喉部噴嘴面積比和喉嘴距增大而呈先增大后減小的趨勢 隨著漸縮 段角度和漸闊段角度增大而逐漸減小 型射流式吸肥器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為喉部噴嘴面 積比 漸闊段角度 漸縮段角度 喉嘴距 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后射流式吸肥器吸肥流量和吸 肥效率分別提高了 和 關(guān)鍵詞 射流式吸肥器 文丘里吸肥器 吸肥性能 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 正交設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 文章編號(hào) 張瓊 王墻林 胡貴榮 等 典型智能水肥一體機(jī)射流式吸肥器性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第 期張瓊 等 典型智能水肥一體機(jī)射流式吸肥器性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 隨著水肥一體化技術(shù)的推廣 水肥一體機(jī)因其 智能化程度高等特點(diǎn)而逐步被廣泛應(yīng)用 水肥一體 機(jī)的吸肥方式通常被分為吸肥泵吸肥和吸肥器吸 肥 種類型 吸肥器因其結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 無需 外加動(dòng)力 且造價(jià)成本低而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉 系統(tǒng) 但不同結(jié)構(gòu)吸肥器的工作性能差異很大 因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究對(duì)進(jìn)一步提升水肥一體機(jī) 的工作性能有重要意義 根據(jù)流體在吸肥器內(nèi)部的流動(dòng)性能特點(diǎn) 可將 吸肥器分為文丘里吸肥器和射流式吸肥器 射流式 吸肥器的工作原理與文丘里吸肥器相近 有壓流體 從進(jìn)口端進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部 隨著內(nèi)部流道腔體截面縮 小 流體流速增大 流體在噴嘴處高速流出 并在噴 嘴與喉管之間形成負(fù)壓區(qū)域 在大氣壓力作用下 肥液被吸入到吸肥器結(jié)構(gòu)內(nèi)部 受限于文丘里 原理 吸肥器的吸肥性能會(huì)隨著進(jìn)出口壓力增大而 逐漸提高 提高的幅度逐漸減小 當(dāng)喉部出現(xiàn)極限 空化時(shí) 吸肥流量將不隨著進(jìn)出口壓差的增大而變 化 而是趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的吸肥流量 這將導(dǎo)致 持續(xù)增大進(jìn)口壓力不會(huì)帶來更高的吸肥效率 進(jìn)而 造成額外的能量消耗 眾多科研工作者對(duì)如何解決 這個(gè)難題開展了大量研究 例如李歡等 通過優(yōu)化 吸肥器喉部直徑和進(jìn)口直徑的收縮比 得到收縮比 為 的情況下吸肥器壓強(qiáng)損失小 王永濤等 通 過并聯(lián)四文丘里管施肥器 旁路吸肥 模式 提高極 限吸肥量 以上 王振華等 將非對(duì)稱文丘里 吸肥器擴(kuò)散段設(shè)置為弧形結(jié)構(gòu) 通過減小旋渦區(qū)面 積及強(qiáng)度 降低了吸肥器能量耗散 相較于文丘里吸肥器 研究表明射流式吸肥性 能好 工作范圍廣以及混合程度高 但關(guān)于射流 式吸肥器性能檢測與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究不多 例如汪 小珊等 對(duì) 系列射流式吸肥器的性能進(jìn)行了 預(yù)測研究 推導(dǎo)了射流式吸肥器開始吸肥和吸肥效 率最高時(shí)進(jìn)出口壓差與進(jìn)口壓力的關(guān)系公式 參考 與射流式吸肥器結(jié)構(gòu)相似的大型射流泵的相關(guān)研 究 表明噴嘴 喉部等對(duì)吸肥器性能影響較大 少量 學(xué)者對(duì)射流式吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究 例如 等 通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算確定了擴(kuò)散角度 喉管截面積與噴嘴出口截面積的面積比等對(duì)射流 式吸肥器效率的影響較大 龍新平等 和俞曉峰 等 研究了喉管長度對(duì)射流泵吸肥性能的影響 并 通過數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 總體而言 以上研究大多針對(duì)少量結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn) 行吸肥性能預(yù)測及部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化 鮮有針對(duì)多種射 流式吸肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)選及多參數(shù)組合條件下結(jié) 構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究 隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 的發(fā)展 等 分析軟件被廣 泛應(yīng)用從不同結(jié)構(gòu) 不同參數(shù)的多種方案中尋求最 優(yōu)設(shè)計(jì) 袁寄望等 探索性地采用 方法分析了 射流式吸肥器異徑喉部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸肥性能的影 響 劉永華等 利用 數(shù)值模擬分析得到了文丘 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)第 卷 里吸肥器的最優(yōu)參數(shù)組合 大幅提升了吸肥器的吸 肥流量 張建闊等 通過 模擬分析了雙吸肥口 文丘里吸肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)組合 在較低的工作進(jìn)口壓 力下 獲得同等或更高的吸肥性能 因此 文中選用 國內(nèi)常見的 種 型射流式吸肥器 種組合型 射流式吸肥器及 種文丘里吸肥器 篩選適宜的吸 肥器結(jié)構(gòu)類型 并在此基礎(chǔ)上 運(yùn)用 分析喉管 截面積與噴嘴出口截面積的面積比 漸闊段角度 漸縮段角度 喉嘴距對(duì)吸肥器的性能影響 并從單 因素試驗(yàn)及多因素正交試驗(yàn)方案中篩選經(jīng)過優(yōu)選 后的吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案 為智能式水肥一體機(jī)吸 肥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考 材料與方法 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)選取常見的 種 型射流式吸肥器 種組合型射流式吸肥器和 種傳統(tǒng)文丘里吸肥器 吸肥器結(jié)構(gòu)如圖 所示 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)選試驗(yàn) 并以 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) 優(yōu)選出最佳結(jié)構(gòu)形式的吸肥器做 后續(xù)研究 圖 吸肥器結(jié)構(gòu)示意圖 型射流式吸肥器編號(hào)為 和 組合型射流式吸肥器編號(hào)為 和 文丘里吸肥器編號(hào)為 吸肥器長度分別為 其中 為進(jìn)口直 徑 為漸縮段角度 為噴嘴口直徑 為漸縮段 長度 為擴(kuò)散段長度 為內(nèi)部噴嘴與喉管的間距 即喉嘴距 為喉管直徑 為漸闊段角度 為出 口直徑 通過測量得到試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)尺寸見表 表 吸肥器結(jié)構(gòu)尺寸表 序號(hào) 編號(hào) 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)設(shè)置 吸肥性能測試試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京通州 實(shí)驗(yàn)站連棟溫室內(nèi)自行搭建的性能測試平臺(tái)上進(jìn) 行 試驗(yàn)用水為地下水 整個(gè)系統(tǒng)采用循環(huán)供水設(shè) 計(jì) 吸肥器性能測試平臺(tái)如圖 所示 利用供電箱為 平臺(tái)各設(shè)備供電 當(dāng)需要較小流量 壓力時(shí) 可通過 內(nèi)置變頻器調(diào)頻降低供壓泵轉(zhuǎn)速 以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)低功 耗運(yùn)行 供肥圓桶桶內(nèi)肥液用地下水代替 通過 管與供水箱連接 利用兩者的水面壓差實(shí)現(xiàn)對(duì) 供肥圓桶循環(huán)補(bǔ)水 圖 吸肥性能測試平臺(tái) 吸肥結(jié)構(gòu)的進(jìn)口壓力設(shè)置為 梯 度為 在該范圍內(nèi)測試不同結(jié)構(gòu)類型的吸 肥器性能 通過調(diào)節(jié)吸肥器進(jìn)出口閥門開度可實(shí)現(xiàn) 進(jìn)口壓力調(diào)節(jié) 平臺(tái)啟動(dòng)時(shí) 調(diào)節(jié)變頻器頻率以改變加壓泵工 況 防止憋泵 啟動(dòng)時(shí)將所有閥門完全開啟 待系統(tǒng) 平穩(wěn)運(yùn)行 供水水箱與供肥圓桶液面持平時(shí) 開始 調(diào)節(jié)吸肥器進(jìn)口端閥門 以改變吸肥器運(yùn)行工況 調(diào) 第 期張瓊 等 典型智能水肥一體機(jī)射流式吸肥器性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 節(jié)出口端閥門開度 并記錄每一開度下出口端壓力 表與流量計(jì)讀數(shù) 每次記錄數(shù)據(jù)都需待供水水箱與 供肥圓桶液面穩(wěn)定后進(jìn)行 讀取吸肥器進(jìn)出口兩端 穩(wěn)定的壓力 流量值以及吸肥口端的真空負(fù)壓值 每組試驗(yàn)重復(fù) 次并取其平均值 試驗(yàn)測試指標(biāo) 吸肥器性能指標(biāo)主要通過吸肥流量 吸肥臨 界壓差 及吸肥效率 進(jìn)行衡量 其中 可采用 試驗(yàn)直接測得 指某進(jìn)口壓力條件下 吸肥器 剛好吸肥時(shí)的進(jìn)口 出口壓差 僅當(dāng)壓差大于臨界 壓差時(shí)才能吸肥 其過流能力可以通過 體現(xiàn) 臨界壓差越小 吸肥器的阻力損失越小 其正常工 作范圍更廣 反映吸肥器綜合吸肥性能 計(jì)算 公式為 式中 為進(jìn)水口流量 和 分別為吸 肥器進(jìn)水口 出水口和吸肥口壓力 為吸肥 器進(jìn)口流量比 反映吸肥器的吸肥能力 為吸肥器 總壓比 反映吸肥器能量損失的大小 同時(shí) 最大吸肥流量 也是評(píng)估吸肥器性能 的重要指標(biāo)之一 是指在進(jìn)口壓力 恒定時(shí) 通過調(diào)節(jié)出口壓力 至最小值時(shí) 吸肥器能夠?qū)崿F(xiàn) 的最大吸肥流量 與吸肥器的結(jié)構(gòu)和進(jìn)口壓力密切 相關(guān) 數(shù)值模擬分析 為縮短試驗(yàn)周期 試驗(yàn)采用 軟件進(jìn)行單 因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn) 采用 建立 模型 如圖 所示 采用 進(jìn)行網(wǎng)格劃分 如圖 所 示 利用 進(jìn)行仿真模擬 數(shù)值求解設(shè)置 采用 湍流模型 計(jì)算中的工作流體和吸 入流體為水 密度為 黏度為 求解方法采用 算法 離散格式 中的壓力項(xiàng)選用標(biāo)準(zhǔn)格式 擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差 分格式 對(duì)流項(xiàng)應(yīng)用二階迎風(fēng)格式 收斂精度為 邊界條件為總壓力進(jìn)口 靜壓吸入口和靜壓出 口 壁面為無滑移壁面 通過實(shí)測數(shù)據(jù)得到 型射流器結(jié)構(gòu)最優(yōu) 故以 型射流器為例 為驗(yàn)證數(shù)值模擬精度 以進(jìn)口壓力 為例 對(duì)比了 型射流 式吸肥器數(shù)值模擬與實(shí)測的吸肥流量 流速沿水流 方向先增大后減小 各壓力工況下的模擬吸肥流量 與實(shí)測吸肥流量的最大誤差為 小于 見表 表中 為誤差 因此可認(rèn)為計(jì)算模 型較為合理 在后續(xù)的數(shù)值仿真試驗(yàn)中仍采用以 上試驗(yàn)設(shè)置以保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性 圖 數(shù)值仿真模型示意圖 表 吸肥流量模擬值與實(shí)測值誤差百分比 實(shí)測值模擬值 為進(jìn)一步提升優(yōu)選出的吸肥器的吸肥性能 探 究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流式吸肥器吸肥性能的影響 設(shè)置 單因素試驗(yàn) 見表 和正交試驗(yàn) 見表 分析喉部 截面積與噴嘴出口截面積的面積比 漸闊段角度 漸縮段角度 喉嘴距對(duì)其吸肥性能的影響 利用單 因素試驗(yàn)確定參數(shù)范圍 通過正交試驗(yàn)得到最優(yōu)結(jié) 構(gòu)參數(shù) 表 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)組 注 分別代表喉嘴距 面積比 漸縮段角度 漸闊段角 度 對(duì)吸肥性能影響的試驗(yàn) 單因素試驗(yàn)中面積比取值為 梯度為 漸 闊段角度取值為 梯度為 漸縮段角度取值 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)第 卷 為 梯度為 喉嘴距取值為 梯度為 正交試驗(yàn)采用四因素三水平的標(biāo) 準(zhǔn)正交試驗(yàn) 利用 創(chuàng)建一個(gè) 型正交矩陣 進(jìn)行試驗(yàn) 表 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 水平 因素 試驗(yàn)結(jié)果與分析 典型結(jié)構(gòu)射流式吸肥器吸肥特征與性能 吸肥流量差異 種吸肥器的吸肥流量 隨進(jìn)出口壓差 變化曲線分布如圖 所示 由圖可知 在相同壓力 下 種吸肥器的 均隨 增大而增大 且增大 幅度漸小 最后趨于平穩(wěn)或緩慢下降 其原因是 當(dāng)進(jìn)口壓力 不變時(shí) 隨著 增大 喉部負(fù)壓 增大 吸肥流量提升 直至達(dá)到空化臨界壓差 此 時(shí)喉部負(fù)壓將保持相對(duì)穩(wěn)定 吸肥流量相對(duì)穩(wěn) 定 當(dāng) 繼續(xù)增大時(shí) 吸肥器喉部之間發(fā)生較為 明顯的空化現(xiàn)象 產(chǎn)生氣泡并伴隨著振動(dòng) 從而 產(chǎn)生額外的水頭損失 這抑制了其吸肥性能的持 續(xù)性增大 選擇表現(xiàn)較好的 為 工況 吸肥器 趨于平穩(wěn)的吸肥流量 由大到小按吸肥器編號(hào)排序 為 且呈現(xiàn) 的情況 工作范圍大小排序與吸肥流量 排序相似 型吸肥器的工作范圍比 型吸肥 器高 且 和 型吸肥器的 臨界吸肥壓差相近 都為 左右 其中 型吸肥器相比其他吸肥器表現(xiàn)最好 表明其臨界 吸肥時(shí)水頭損失最小 且對(duì)壓力的適應(yīng)性更強(qiáng) 更 適用于壓力變化情況復(fù)雜的工作場景 圖 吸肥流量 隨進(jìn)出口壓差 變化 最大吸肥流量差異 種吸肥器最大吸肥流量 變化情況如圖 所示 在進(jìn)口壓力 較小時(shí) 種吸肥器的 均隨 增大而增大 此時(shí)吸肥器的吸肥性能并未完全發(fā) 揮 當(dāng) 時(shí) 均達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的 值 當(dāng) 持續(xù)增大時(shí) 吸肥器性能趨于相對(duì)穩(wěn)定 此 時(shí)能充分發(fā)揮吸肥器的吸肥性能 種吸肥器的 依次為 型吸肥器的 相比 型 型吸肥器 分別提升了 和 其中 型具有最高的 說明在同等 條件 下 型射流式吸肥器的吸肥性能最佳 第 期張瓊 等 典型智能水肥一體機(jī)射流式吸肥器性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 圖 最大吸肥流量 隨進(jìn)口壓力 變化 吸肥效率差異 吸肥器的吸肥效率 隨進(jìn)口壓力 變化曲線 如由圖 所示 從圖中可知 在 時(shí) 種 吸肥器的 均隨 增大而增大 在 之間達(dá)到峰值之后 趨于平穩(wěn)或緩慢減小 在 時(shí) 大幅減小 在 后 的減小幅度變緩 表明吸肥器內(nèi)部存在空化 導(dǎo)致 吸肥流量難以進(jìn)一步提升 壓力損失進(jìn)一步增大 達(dá)到該種結(jié)構(gòu)的極限吸肥工況 當(dāng) 時(shí) 和 型吸肥器的 相近 當(dāng) 時(shí) 型 型吸肥器達(dá)到最大 當(dāng) 時(shí) 型吸肥器才達(dá)到最大 型吸肥器的最大 依次為 且 型射流式吸肥器的最大 明顯高于 其他類型吸肥器結(jié)構(gòu) 提升了 相 比 型吸肥器提升了 圖 吸肥效率 隨進(jìn)口壓力 變化 吸肥臨界壓差差異 采用線性回歸模型對(duì)吸肥臨界壓差 和進(jìn) 口壓力 進(jìn)行分析 種吸肥器的 隨 變化 關(guān)系如圖 所示 從圖中可知 吸肥器 與 呈 線性正相關(guān)趨勢 隨著 增大 也隨之增大 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 型吸肥器阻力損失大 工作運(yùn)行范圍小 型吸肥器在全 條件下 其 最小 表明其在相同 條件下會(huì)產(chǎn)生較小 的阻力損失 和 型吸肥器在同等 條件下 接近 根據(jù)所測數(shù)據(jù) 建立了 與 之間的線性 回歸模型 對(duì)于 回歸線性方程 線性斜率系數(shù) 可視為吸肥器啟動(dòng)損失系數(shù) 線性斜率系數(shù)越大 吸 肥啟動(dòng)壓差越大 說明吸肥啟動(dòng)需要損失的能耗越 大 其中 型啟動(dòng)損失系數(shù)最大 壓力損失最大 圖 吸肥臨界壓差 隨進(jìn)口壓力 變化 射流式吸肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選 吸肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)控制閾值 單因素影響下 吸肥流量 與吸肥效率 的關(guān) 系如圖 所示 圖 單因素分析下吸肥流量 與吸肥效率 的 關(guān)系 從圖 中可知 隨著喉嘴距 和面積比 增 大 射流式吸肥器的 和 均呈現(xiàn)先增大后減小的 趨勢 當(dāng) 為 為 時(shí) 其吸肥流量和吸肥 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)第 卷 效率出現(xiàn)最大值 在試驗(yàn)中 隨著漸縮段角度 和漸 闊段角度 增大 射流式吸肥器的 和 呈持續(xù)下 降的趨勢 均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 且與 呈線性關(guān)系 隨 增大 和 的減小趨勢逐漸變緩 當(dāng) 為 為 時(shí) 其 和 最大 吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇 把正交試驗(yàn)得到的吸肥效率數(shù)據(jù)導(dǎo)入 進(jìn)行極差分析和顯著性分析 結(jié)果見表 表 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果 極差分析及顯著性分析 水平 因素 自由度 值 值 顯著性 注 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 從表 中可以看出 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì) 型吸 肥器吸肥流量影響的主次順序?yàn)槊娣e比 喉嘴距 漸縮段角度 漸闊段角度 且面積比對(duì)吸肥效率影響 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 喉嘴距 漸縮段長度 漸 闊段長度對(duì)吸肥效率影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 以最大吸肥效率為研究目標(biāo) 在正交試驗(yàn)中 其最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合分別是喉嘴距為第 水平 面 積比為第 水平 漸縮段角度為第 水平 漸闊段角 度為第 水平 即喉嘴距為 面積比為 漸 縮段角度為 漸闊段角度為 這與單因素分析 所得到的試驗(yàn)結(jié)果有所差異 其原因可能是各因素 之間存在相互影響的關(guān)系 因此 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以 正交試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn) 型吸肥器為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu) 型和 型吸肥器的吸肥流量 吸肥效率對(duì)比如 圖 所示 當(dāng)壓差在 時(shí) 吸肥效率均 隨壓差增加而增大 且在壓差較小時(shí) 優(yōu)化后的吸 肥器結(jié)構(gòu)與之前結(jié)構(gòu)的吸肥效率接近 當(dāng)壓差大于 時(shí) 吸肥效率緩慢減小 且 型吸 肥器的吸肥效率遠(yuǎn)大于 型吸肥器 同時(shí) 吸 肥器的吸肥流量隨著壓差增加而增加 且在 后吸肥器達(dá)到最大吸肥流量 當(dāng)壓差小于 時(shí) 兩者的吸肥流量相似 隨著壓差增大 吸肥 流量也逐漸加大 型吸肥器一直有較好的 表現(xiàn) 且在保持壓力不變的情況下 其吸肥流量和 吸肥效率分別提升 和 這充分驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性 圖 不同壓差下 型與 型吸肥性 能對(duì)比 討 論 不同結(jié)構(gòu)類型射流式吸肥器性能差異成因 文中對(duì)比分析了 種射流式吸肥器和 種文丘 里吸肥器的吸肥流量 吸肥效率及吸肥臨界壓差 其中射流式吸肥器又分為 型吸肥器和組合型 吸肥器 試驗(yàn)表明 在相同工況下 型吸肥器的 吸肥性能明顯大于組合型和文丘里吸肥器 且組合 型吸肥器吸肥性能大于文丘里吸肥器 圖 為文丘 里型 型以及組合型吸肥器在典型吸肥工況下 的內(nèi)部流線圖 種吸肥器具有相同的進(jìn)口流量 可 以看出 與文丘里吸肥器相比 射流式吸肥器喉部 環(huán)壁面均能吸肥 吸肥面積增加 故在相同喉部負(fù) 壓下其吸肥流量將會(huì)增大 同時(shí) 射流式吸肥器額外 的吸肥腔體使得部分肥液的流向與喉部中的水流 流向呈鈍角或直角 從而減少肥液進(jìn)入喉部時(shí)帶來 的流層碰撞強(qiáng)度 即局部水頭損失減小 進(jìn)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 當(dāng)肥液與工作液體發(fā)生混合時(shí) 對(duì)水的流 速影響較大 喉管下部的流速明顯減低 導(dǎo)致混合 第 期張瓊 等 典型智能水肥一體機(jī)射流式吸肥器性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 后的液體速度主要集中在擴(kuò)散段的上部 使文丘里 吸肥器擴(kuò)散段下部形成了低速回旋區(qū) 射流式吸 肥器在吸入肥液后 對(duì)工作液體的影響相對(duì)較小 且組合型射流式吸肥器的腔體為直角 導(dǎo)致其在吸 入肥液后腔體右下角區(qū)域也形成了低速回旋區(qū) 盡 管 種型號(hào)吸肥器在擴(kuò)散段上部均發(fā)生了回流現(xiàn) 象 形成渦旋 但組合型吸肥器的渦旋明顯大于 型吸肥器 故其能量損失相較于 型較大 因此 型吸肥器在實(shí)際運(yùn)行過程中 具有較大優(yōu)勢 此 外 數(shù)據(jù)顯示 型吸肥器在吸肥性能方面表現(xiàn) 最佳 其優(yōu)越性能歸因于吸肥器長度較長 漸縮段 和擴(kuò)散段長度設(shè)計(jì)合理 盡管 和 型吸肥器的面積比和進(jìn)出口尺寸保持一致 但在相同的工況條件下 隨著吸肥器長度增加 空 化現(xiàn)象相應(yīng)減少 水力損失也降低 進(jìn)一步提升了 吸肥性能 圖 吸肥器內(nèi)部流線圖 射流式吸肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案選擇 在研究中 對(duì) 型吸肥器進(jìn)行模擬分析 發(fā)現(xiàn)隨著喉嘴距和喉部噴嘴面積比增大 吸肥性能 得到一定程度提升 其原因是喉嘴距較小時(shí) 吸肥管 中的肥液與喉部中的高速射流的接觸面積相對(duì)較 小 實(shí)際吸肥面積也較小 當(dāng)喉嘴距較大時(shí) 喉部易 發(fā)生水流對(duì)沖 引起碰撞 將產(chǎn)生較大的水頭損失 削弱射流帶來的負(fù)壓增強(qiáng)效應(yīng) 喉部噴嘴面積比 較小時(shí) 噴嘴面積較大 能量轉(zhuǎn)換效率較低 由壓能 轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的效率變低 因此 其吸肥流量和吸肥 效率也相對(duì)較低 當(dāng)喉部噴嘴面積比較大時(shí) 其射 流現(xiàn)象明顯 喉部流速急劇增大 吸肥管中水流進(jìn) 入喉部與灌溉水混合的難度增大 抑制了其吸肥性 能的持續(xù)性提升 隨著漸縮段角度和漸闊段角度 增大 射流式吸肥器的吸肥流量和吸肥效率呈持續(xù)下 降的趨勢 其原因可能是較大的漸縮段角度和漸闊段 角度會(huì)導(dǎo)致漸縮段和擴(kuò)散段中的水流流向變化較大 多方向速度碰撞強(qiáng)烈 產(chǎn)生較大的局部水頭損失 因 此 在設(shè)計(jì)射流式吸肥器結(jié)構(gòu)時(shí) 可考慮上述因素 以 減低局部水頭損失 提升吸肥器的綜合性能 結(jié) 論 針對(duì) 型射流式吸肥器 組合型射流器及文 丘里吸肥器 通過對(duì)吸肥器進(jìn)行物理實(shí)測和 數(shù) 值模擬研究分析得到了以下結(jié)論 在相同工況下 射流式吸肥器相比文丘里吸 肥器的最大吸肥流量 工作范圍 最 大吸肥效率分別提升 臨界壓差降低 其中 型射流式吸肥器表現(xiàn)最好 對(duì) 型射流式吸肥器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分 析可得 隨著 和 增大 呈先增大后減小的趨 勢 隨著 和 增大 呈逐漸減小的趨勢 其最優(yōu) 結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為面積比 漸闊段角度 漸縮段角 度 喉嘴距 同等壓力工況下 相較于 型吸肥器 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的 其吸肥流量和吸肥效率分 別提升 參考文獻(xiàn) 李歡 高亮 張夢(mèng) 等 改進(jìn)型螺旋紋文丘里施肥器 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 王永濤 劉堅(jiān) 李家春 等 并聯(lián)四文丘里管施肥器 旁路吸肥 模式性能分析 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)第 卷 王振華 胡貴榮 劉寧寧 等 擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)對(duì)非對(duì)稱 文丘里施肥器旋渦特征及吸肥性能的影響 農(nóng)業(yè) 工程學(xué)報(bào) 俞曉峰 射流式施肥器水力特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 重慶 西南大學(xué) 汪小珊 嚴(yán)海軍 周凌九 等 系列射流施肥器 水力性能試驗(yàn)研究 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 龍新平 鄢恒飛 張松艷 等 喉管長度對(duì)環(huán)形射流 泵性能影響的數(shù)值模擬 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 俞曉峰 姚麗萍 陳濤 等 噴嘴長度對(duì)射流式施肥 器性能影響的數(shù)值研究 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 袁寄望 朱德蘭 高灑灑 等 基于數(shù)值模擬的射流 式吸肥器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化及性能試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) 劉永華 沈明霞 蔣小平 等 水肥一體化灌溉施肥 機(jī)吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 張建闊 李加念 吳昊 等 基于雙吸肥口的低壓文 丘里施肥器設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 潘中永 張帥 劉月偉 等 噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道在來 流含氣條件下的內(nèi)部流動(dòng)特性分析 江蘇大學(xué)學(xué) 報(bào) 自然科學(xué)版 韓啟彪 黃興法 劉洪祿 等 種文丘里施肥器吸 肥性能比較分析 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 王海濤 陳晏育 王建東 等 微灌用文丘里施肥器 綜合性能試驗(yàn)研究 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 責(zé)任編輯 張文濤