射流泵式噴霧混藥裝置基本性能方程的確定

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100 )

0 引 言

近年來(lái)，由于全球氣候變暖，病蟲(chóng)害的存活率提高，農(nóng)林作物受到病蟲(chóng)害的威脅也越來(lái)越嚴(yán)重。目前，在病蟲(chóng)害防治方面主要采用化學(xué)農(nóng)藥防治技術(shù)。我國(guó)常見(jiàn)的施藥技術(shù)主要是采用人工預(yù)混式噴霧裝置。這種混藥裝置需要操作人員把農(nóng)藥和水按比例裝入大藥箱，手動(dòng)攪拌進(jìn)行混合。這種混藥裝置存在著很多弊端。如：操作者直接接觸農(nóng)藥、混藥藥箱的處理等問(wèn)題[1]。射流泵式噴霧混藥裝置是利用高速流體為工作動(dòng)力來(lái)傳遞能量的一種流體機(jī)械混合反應(yīng)設(shè)備。這種混藥裝置克服了傳統(tǒng)預(yù)混式裝置的不安全性、隨意性以及農(nóng)藥殘留等問(wèn)題，它在使用時(shí)能達(dá)到藥水分離，避免了使用者和農(nóng)藥的直接接觸，具有裝置成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在噴霧混藥技術(shù)改革中被廣泛關(guān)注。

1 射流泵式藥混裝置的工作原理

射流泵式噴霧混藥裝置主要由噴嘴、混合管(又稱喉管)、吸入室、擴(kuò)散段組成。如圖1所示。當(dāng)高壓泵給水流加壓通過(guò)噴嘴1射出時(shí)，連續(xù)帶走吸入室2內(nèi)的空氣，此時(shí)吸入室內(nèi)便形成不同程度的真空，被抽送的藥液在壓差的作用下，經(jīng)吸管進(jìn)入吸入室內(nèi)，農(nóng)藥和水在混合管3中進(jìn)行動(dòng)量傳遞和交換，使速度和壓力漸趨一致，然后通過(guò)擴(kuò)散管4將混合藥液的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能后流出，實(shí)現(xiàn)了藥液的抽吸和在線混合。

圖1 射流泵式噴霧裝置工作原理簡(jiǎn)圖

2 射流泵式噴霧混藥裝置基本性能方程的確定

在射流泵式混藥裝置中，能量的損失主要發(fā)生在混合管內(nèi)，為了便于分析，假設(shè)在混合管的流體是兩股共軸流體。如圖2是混合段速度場(chǎng)示意圖[2]。

圖2 混合管入口和出口斷面上的速度場(chǎng)示意圖

2.1 射流泵的主要參數(shù)

2.1.1 面積比m

(1)

式中:A2、d2為混合管入口截面積和直徑；An1、dnz為噴嘴出口截面積和直徑。

2.1.2 密度比ρs0

(2)

式中:ρs、ρ0分別代表被吸藥液的密度和工作體的密度。

2.1.3 壓力比h

(3)

2.1.4 流量比q

(4)

式中:Qs、Q0分別代表射流泵吸入藥液和工作流體的體積流量。

2.2 射流泵式藥混裝置的性能方程的確定

2.2.1 根據(jù)流體力學(xué)基本原理運(yùn)用連續(xù)方程求出被抽吸藥液在混合管進(jìn)口處的速度Vs1和混合液在混合管出口處速度V2

根據(jù)圖2混合管的進(jìn)出口斷面的速度場(chǎng)示意圖，在混合管進(jìn)口斷面上，速度場(chǎng)沿半徑方向具有較大的不均勻性，假設(shè)1-1斷面上流體由兩股共軸流體組成：質(zhì)量為M0及較大平均速度V01，過(guò)流斷面積為An1的工作流體；質(zhì)量為Ms及較大平均速度Vs1，過(guò)流斷面積為Anz的周?chē)黧w[3]。則有：

As1=A2-An1

(5)

對(duì)被抽吸的藥液運(yùn)用連續(xù)方程有：

VsAs=Vs1-As1

(6)

式中:Vs、As為藥液管中的平均流速和斷面面積。

則

(7)

(8)

則混合管出口的速度V2為

(9)

2.2.2 對(duì)噴嘴0-0斷面和1-1斷面應(yīng)用伯努利方程：

(10)

則(10)整理為

(11)

式中：ξ1為噴嘴處的阻力系數(shù)。

2.2.3 在吸藥入口S-S斷面和吸藥出口1-1斷面應(yīng)用伯努利方程

(12)

式中：λs為吸藥管內(nèi)的沿程阻力系數(shù)；ξ2為混合管進(jìn)口的阻力系數(shù)；Z為藥液面到混藥裝置軸線的垂直距離。

則方程(12)整理為

(13)

2.2.4 對(duì)混合管進(jìn)口口1-1斷面和混合管出口2-2斷面列動(dòng)量方程

(P1-P2)A2-τfπd2L2=

McV2-(Mc-Ms)v01

(14)

式中：P1、P2為混合液在1-1斷面和2-2斷面的壓強(qiáng)；d2、L2分別為混合管直徑和長(zhǎng)度；λc為混合管內(nèi)的沿程阻力系數(shù);τf為壁面的切應(yīng)力。

(15)

則(14)變?yōu)?/p>

整理得：

P1-P2=

(16)

2.2.5 在擴(kuò)散管進(jìn)口2-2斷面與擴(kuò)散管出口C-C斷面應(yīng)用伯努利方程

(17)

式中：pc、vc為混合液在C-C斷面處的壓強(qiáng)和速度；ξ3為混合管出口的阻力系數(shù)。

則(17)整理為：

P2-Pc=

(18)

將(11)和(13)聯(lián)立得:

(19)

聯(lián)立(16)和(18)整理

(20)

聯(lián)立(13)和(20)整理得：

(21)

(21)與(19)相除得出的即為射流泵藥混裝置的基本性能方程

(22)

在研究射流泵的性能方程時(shí)通常近似認(rèn)為被吸藥液出口的壓強(qiáng)近似等于混合管入口的壓強(qiáng)即P1=Ps1。則射流泵藥混裝置的基本性能方程確定為:

(23)

3 結(jié) 語(yǔ)

由公式(23)知射流泵混藥裝置的壓力比h與面積比m、流量比q、密度比ρs0以及阻力系數(shù)ξ1、ξ2、ξ3、λs、λc有關(guān)。通常由于混藥裝置所抽吸藥液的密度已知，因此ρs0是確定的。其余5個(gè)阻力系數(shù)ξ1、ξ2、ξ3、λs、λc的具體值與射流泵混藥裝置的6個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。即射流泵混藥裝置的壓力比h與面積比m[4]、噴嘴和混合管入口的距離L1[5](簡(jiǎn)稱喉-嘴距)、混合管長(zhǎng)度L2[6]、射流噴嘴收縮角α、混合管進(jìn)口角β、擴(kuò)散管擴(kuò)散角γ有關(guān)[4]。具體參數(shù)的選擇可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析來(lái)確定最佳參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周良富,傅錫敏.射流式噴霧混藥裝置關(guān)鍵技術(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)研究,2009,5(3):15-17.

[2] 何培杰,吳春篤,陳翠英,等.植保機(jī)械用射流裝置的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,5(3):44-46.

[3] 高傳昌.脈沖液體射流泵技術(shù)理論與試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2009:47-51.

[4] 邱白晶,徐溪超,鄧 斌,等.射流混藥裝置面積比對(duì)混藥均勻性的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,10(10):95-97.

[5] 王 淼,黃興法,李光永.文丘里施肥器性能數(shù)值模擬研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,7(70):29-30.

[6] 龍新平,鄢恒飛,張松艷,等.喉管長(zhǎng)度對(duì)環(huán)形射流泵性能影響的數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,5(3):199-201.