不同面積比射流混藥器的混藥特性試驗
2016-03-23 04:34:18盛云輝邱白晶陳加棟
農(nóng)機(jī)化研究 2016年4期
盛云輝,邱白晶,陳加棟
(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
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不同面積比射流混藥器的混藥特性試驗
盛云輝,邱白晶,陳加棟
(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
摘要：建立射流混藥器模型函數(shù)特性方程，理論分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的射流混藥器混藥狀態(tài)下的壓力比h與混藥比q的函數(shù)關(guān)系，對面積比m∈(0.86,12.76)內(nèi)25種面積比的射流混藥器在工作壓力范圍0.4～1.2MPa內(nèi)5個工作壓力水平下進(jìn)行在線混藥特性試驗，分析不同面積比射流混藥器的壓力比與混藥比的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：射流混藥器的h-q特性曲線斜率只與面積比m有關(guān)，與工作壓力無關(guān)；不同面積比的射流混藥器的壓力比h和混藥比q都呈線性遞減，小面積比的射流混藥器具有小混藥比及高壓力比的特點。定壓力比h=0.35時，只有面積比m<4.34的射流混藥器處于混藥工作狀態(tài)(q>0)，其他面積比的射流混藥器均處于回流狀態(tài)(q<0)。面積比m對射流混藥器的混藥區(qū)間hj影響顯著，面積比m從1.34增大到4.13，混藥區(qū)間hj從0.68衰減到0.35，降幅48.5%。以最大混藥比q>0.1、混藥區(qū)間hj>0.35為設(shè)計需求，射流混藥器的面積比m范圍為1.73～4.13。
關(guān)鍵詞：射流混藥器；面積比；混藥區(qū)間；流速系數(shù)
0引言
在線混藥技術(shù)[1-2]實現(xiàn)農(nóng)藥和水分開儲存，農(nóng)藥和水能實時在線混合，具有高效、環(huán)保、安全的優(yōu)點，是植保機(jī)械的發(fā)展趨勢，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-4]。射流混藥器是利用管道系統(tǒng)內(nèi)部的水力完成農(nóng)藥和水的在線混合的在線混藥裝置，是整個在線混藥噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一[5]。
何培杰[6-7]等對射流混藥器的混合管進(jìn)行了數(shù)值計算，得出了徑向速度和軸向速度在混合管內(nèi)的分布規(guī)律，并試驗研究3種面積比下的射流混藥器結(jié)構(gòu)和性能間的內(nèi)在關(guān)系。邱白晶、徐溪超等[8-9]通過流體動力學(xué)CFD數(shù)值模擬的方法研究了面積比、嘴管距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流混藥器流動性能的影響和面積比對混藥均勻性影響。周良富[10]等通過CFD數(shù)值計算結(jié)合試驗來確定射流混藥器最佳面積比及最佳嘴管距范圍。Flloben等[11]和Vondricka[12]等分別將射流混藥裝置應(yīng)用于在線混藥噴霧系統(tǒng)中對混藥濃度進(jìn)行試驗研究。邱白晶等[13]將射流混藥器應(yīng)用于在線混藥噴霧系統(tǒng)中，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的射流混藥器的工作狀態(tài)及混藥均勻性。以上主要通過流體動力學(xué)數(shù)值計算和試驗方法來研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流混藥器的流動性能影響和射流混藥器在噴霧系統(tǒng)中的混合的效果。但現(xiàn)實中未了解射流混藥器的運行特性就進(jìn)行在線混藥噴霧，往往使射流混藥器處于失效的回流狀態(tài)[13-14]，工作流體流進(jìn)藥箱,藥液未進(jìn)混藥器，射流混藥器未起到在線混藥作用；而用壓力比、混藥比、面積比建立模型函數(shù)來描述不同結(jié)構(gòu)參數(shù)射流混藥器混藥狀態(tài)下混藥特性，并研究面積比對混藥區(qū)間影響的研究尚未見報道。
本文建立射流混藥器特性方程來描述不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的射流混藥器混藥狀態(tài)下壓力比與混藥比間函數(shù)關(guān)系，理論和試驗研究面積比對射流混藥器壓力比與混藥比變化規(guī)律的影響。同時，定義混藥狀態(tài)下最大壓力比hj為射流混藥器混藥區(qū)間，分析面積比對射流混藥器混藥區(qū)間的影響。
1射流混藥器
1.1結(jié)構(gòu)
射流混藥器是射流泵技術(shù)在植保機(jī)械上的運用，利用湍射流絮動擴(kuò)散作用實現(xiàn)藥液的抽吸及在線混合[6，6-16]。以射流混藥器和噴桿噴霧機(jī)為設(shè)備基礎(chǔ)搭建的在線混藥噴霧系統(tǒng)如圖1所示。在噴霧系統(tǒng)中，射流混藥器的混藥量與工作狀態(tài)主要受混藥器進(jìn)、出口壓力影響，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的混藥器受影響程度差異明顯[9,14]。射流混藥器主要由射流嘴、吸藥管、吸藥室、混藥管及擴(kuò)散管等部件構(gòu)成，如圖2所示。
1.水箱 2.調(diào)壓閥T1 3.壓力表P1、P2 4.真空表PS
1.射流嘴 2.吸藥管 3.吸藥室 4.混藥管 5.擴(kuò)散管
本文用無量參數(shù)壓力比、混藥比、面積比，來描述不同結(jié)構(gòu)參數(shù)射流混藥器在不同工作參數(shù)下混藥特性[6-18]，建立射流混藥器混藥狀態(tài)下三者的模型函數(shù)：射流混藥器特性方程。
1.2射流混藥器結(jié)構(gòu)參數(shù)
試驗所用射流混藥器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文研究不同面積比m射流混藥器混藥特性。依式(3)面積比定義可知：面積比的改變是通過不同尺寸規(guī)格的射流嘴與混藥管的配合實現(xiàn)。故將射流嘴出口直徑和混藥管直徑作為可變參數(shù)，試驗中可變，取值如表1所示。射流混藥器其它結(jié)構(gòu)參數(shù)在其優(yōu)化值范圍內(nèi)取值[8-10，17-18]，作為固定參數(shù)，試驗時固定不變。射流混藥器選用有機(jī)玻璃材料制作，加工時保證射流嘴與混藥管的同軸度。
表1 可變參數(shù)及面積比取值
固定參數(shù)取值：射流嘴收斂角θ=14°,混藥管入口角度β=60°,擴(kuò)散口角度δ=9°；射流嘴進(jìn)口直徑d0=11mm,吸藥管直徑ds=4mm;嘴管距L1=3.5mm,混藥管長度L2=36mm,擴(kuò)散管長度L3=35mm。
2模型函數(shù)—射流混藥器特性方程
2.1模型參數(shù)
壓力比為
(1)
混藥比為
(2)
其中，Q0、Qs、Qc為混藥器進(jìn)口工作流體的體積流量、混藥量、混藥器出口混合液的體積流量(m3/s)。
面積比為
(3)
其中，AΙ、AⅡ為射流嘴出口和混藥管截面積(m2)；dΙ、dⅡ為射流嘴出口和混藥管直徑(m)。
2.2射流混藥器特性方程
運用湍流射流和流體力學(xué)基本原理，按以下步驟推導(dǎo)出模型函數(shù)射流混藥器的特性方程[18-20]。假設(shè)工作液體和被抽吸藥液在射流嘴出口截面I-I與藥管進(jìn)口截面Ⅱ-Ⅱ間不發(fā)生混合，沒有能量損失。工作液體和被抽吸藥液在混藥管的進(jìn)口截面Ⅱ-Ⅱ上流速和壓力均勻分布，即工作流體在截面I-I和截面Ⅱ-Ⅱ上流速、壓力相等[19]。工作流體在截面Ⅱ-Ⅱ上過流截面面積為A0Ⅱ，藥液在截面Ⅱ-Ⅱ上過流截面面積為AsⅡ，則有AⅡ=A0Ⅱ+AsⅡ，AΙ=A0Ⅱ。
1)由流體運動連續(xù)性方程結(jié)合混藥比及面積比定義求射流混藥器內(nèi)各個部件進(jìn)、出口流體流速[6]。
v0Ι=v0Ⅱ=Q0/AΙ
(4)
(5)
(6)
其中，v0Ι、v0Ⅱ為工作流體在射流嘴出口的流速及工作流體在混藥管進(jìn)口截面Ⅱ-Ⅱ處的流速(m/s)；vsⅡ為藥液在截面Ⅱ-Ⅱ處的流速(m/s)；vⅢ為混合液在截面Ⅲ-Ⅲ處的流速(m/s)；As為吸藥口截面積(m2)。
2)在混藥管內(nèi)由于工作流體與藥液兩股液體發(fā)生在線混合，在混藥管入口段其內(nèi)部速度場沿混藥管半徑方向有較大不均勻性，如圖3所示。用帶流速系數(shù)修正的動量方程來表示混藥管混合液體能量變化[18]。
圖3 混藥管
對混藥管進(jìn)口截面Ⅱ-Ⅱ和混藥管出口截面Ⅲ-Ⅲ，列動量量方程為
φ2(Q0v0Ⅱρ0+QsvsⅡρs)-ρ(Q0+Qs)vⅢ
=(PⅡ-PⅢ)AⅡ
(7)
其中，PⅡ、PⅢ為截面Ⅱ-Ⅱ與截面Ⅲ-Ⅲ的壓力。
本研究忽略液體流動體積變化且認(rèn)為藥液和工作流體密度相等，即ρ0=ρs=ρc。
3)在射流嘴、吸藥管—吸藥室及擴(kuò)散管內(nèi)沒有發(fā)生兩股液體混合，流速沿半徑方向均勻分布，但液體的流動截面存在漸縮，轉(zhuǎn)折和漸擴(kuò)如圖4和圖5所示。射流混藥器工作時這些部件內(nèi)液體能量變化用帶流速系數(shù)修正的伯努利方程來表示[19]。
在射流嘴進(jìn)口截面0-0和混藥管進(jìn)口截面Ⅱ-Ⅱ處，對工作流體列伯努利方程為
(8)
在吸藥口截面s-s和混藥管進(jìn)口截面Ⅱ-Ⅱ處，對被吸藥液列伯努利方程為
(9)
圖4 射流嘴、吸藥管-吸藥室
圖5 擴(kuò)散管
在混藥管出口截面Ⅲ-Ⅲ和擴(kuò)散管出口截面c-c處，對混合液列努利方程為
(10)
其中,φ1為射流嘴流速系數(shù)，φ2為混藥管流速系數(shù)；φ3為擴(kuò)散管流速系數(shù)；φ4為混藥管入口流速系數(shù)。
在動量方程和伯努利方程中，帶入相應(yīng)的射流混藥器各個部件的進(jìn)出口截面的流速，結(jié)合壓力比、混藥比的定義，得模型函數(shù)射流混藥器特性方程[18]為
=f(q,m,φ)
(11)
2.3模型函數(shù)h-q特性曲線
模型函數(shù)射流混藥器特性方程是壓力比、混藥比、面積比和4個流速系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，反映出射流混藥器結(jié)構(gòu)參數(shù)對混藥器混藥特性影響。圖6為假設(shè)面積比m=2、4個流速系數(shù)均為0.9的h-q特性曲線。由圖6可知：壓力比h和混藥比q呈遞減關(guān)系，射流混藥器混藥狀態(tài)下工況點均落在曲線第I象限的BC區(qū)間上，而回流狀態(tài)下的工況點均落在第Ⅱ象限；混藥比q=0的工況點為射流混藥器混藥與回流狀態(tài)的臨界點。設(shè)此點壓力比為hj，即壓力比h
圖6 h-q特性曲線
3試驗設(shè)計
測試不同工作壓力下、不同面積比射流混藥器的混藥特性，研究面積比對射流混藥器混藥狀態(tài)下壓力比與混藥比變化趨勢及混藥區(qū)間的影響。在如圖1(b)的在線混藥噴霧系統(tǒng)中，對面積比m∈(0.86,12.76)內(nèi)25種不同面積比射流混器進(jìn)行混藥特性試驗。為消除因噴頭流量特性對射流混藥器造成負(fù)載效應(yīng)，無法試驗出混藥器完整的混藥特性[13]，故試驗是在系統(tǒng)未接噴頭下進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)噴霧管路中節(jié)流調(diào)壓閥T2，改變管路阻力，來實現(xiàn)射流混藥器的運行工況的改變。
3.1試驗工況設(shè)計
根據(jù)式(1)、式(2)可知：壓力比為射流混藥器進(jìn)口和吸藥口的總壓差與射流混藥器進(jìn)口出口和吸藥口的總壓差比值。計算壓力比需知混藥器進(jìn)口、出口及吸藥口的壓力和流速；混藥比為混藥量與工作流體流量的比值。由流體運動的連續(xù)性可知：混藥量為混藥器出口流量與進(jìn)口工作流體流量差，測量出射流混藥器進(jìn)、出口體積流量，混藥比便確定；再結(jié)合混藥器進(jìn)、出口截面積，換算出混藥器進(jìn)、出口流速。由流體力學(xué)原理及射流混藥器的工作原理可知：射流混藥器工作流體流量及混藥量主要受射流混藥器進(jìn)、出口壓力影響[13-14]，故設(shè)定射流混藥器進(jìn)口工作壓力和出口混合液壓力為輸入主變量，改變混藥器進(jìn)、出口壓力來改變混藥器的運行工況，將工作流體流量、混藥器出口流量及吸藥口壓力作為輸出檢測量。
3.2工況實施
選定某一面積比射流混藥器接入如圖1(b)所示的在線混藥試驗噴霧系統(tǒng)進(jìn)行在線混藥試驗。通過柱塞泵調(diào)壓閥T1固定工作壓力P0為0.4MPa水平(精度等級0.4，Y-150型壓力表P1測得)，節(jié)流調(diào)壓閥T2處于全開狀態(tài)，此為射流混藥器運行的第1個工況點；再調(diào)節(jié)節(jié)流調(diào)壓閥T2以步長0.02MPa等間距遞增混藥器出口壓力Pc(精度等級0.4，Y-150型壓力表P2測得)，均勻變換射流混藥器運行的工況點，實現(xiàn)壓力比的改變，逐漸使射流混藥器由混藥狀態(tài)進(jìn)入回流狀態(tài)。同時，在每個工況點下監(jiān)測混藥器進(jìn)口流量Q0(精度等級1%，LWGY-10型渦輪流量計Q1測得)、出口流量Qc(精度等級1%，LWGY-10型渦輪流量計Q2測量)及吸藥口壓力Ps(精度等級0.4，Y-150型真空表測PS得)，再改變工作壓力水平，重復(fù)測量。試驗設(shè)計0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa這5個工作壓力水平，完成5個工作壓力下混藥特性試驗后，再改變混藥器的面積比，重復(fù)試驗。依次完成25種面積比射流混藥器的混藥特性試驗。最后，將試驗測量的壓力、流量數(shù)據(jù)按式(1)、式(2)換算成壓力比和混藥比，繪制出不同面積比射流混藥器的h-q特性曲線，并統(tǒng)計不同面積比射流混藥器的混藥區(qū)間hj。
試驗所用工作流體介質(zhì)為清水，模擬藥液為質(zhì)量濃度c1=0.1g/L的胭脂紅溶液(密度等同于清水介質(zhì))。試驗時，藥箱和射流混藥器處同一高度平面，在試驗過程中不斷向藥箱中加模擬藥液來維持液面高，以消除高度差對求解壓力比的影響。
4試驗結(jié)果與分析
4.1射流混藥器混藥特性分析
25種不同面積比射流混藥器在工作壓力0.4～ 1.2MPa范圍內(nèi)5個工作壓力水平下，進(jìn)行在線混藥特性試驗，繪制不同面積比射流混藥器的h-q特性曲線，如圖7所示。由圖7可知：不同面積比射流混藥器壓力比和流量比都呈現(xiàn)近似線性遞減，當(dāng)q>0時，射流混藥器處于混藥狀態(tài)，反之處于回流狀態(tài)；面積比越大，h-q特性曲線的斜率的絕對值越小，混藥比q=0時的回流壓力比越小，即混藥區(qū)間hj越小。5個工作壓力水平下，同面積比射流混藥器h-q特性曲線試驗點基本重合。考慮試驗誤差，可認(rèn)為不同工作壓力下同面積比的射流混藥器的特性曲線相同。這驗證了理論特性方程式(11)，特性方程只是壓力比、面積比、混藥比及射流混藥器各個部件的流速系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，與具體工作壓力無關(guān)。相同特性曲線意味著同面積比射流混藥器在不同工作壓力下混藥區(qū)間hj相同，如表2所示。試驗中發(fā)現(xiàn)：射流混藥器混藥在狀態(tài)下，存在壓力比遞增而混藥比不變工況點如圖7(a)、圖7(b)所示。工程中，將這種現(xiàn)象稱為汽蝕[6，21]。小面積比的射流混藥器或高工作壓力下運行的射流混藥器易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。
圖7 h-q特性曲線
4.2混藥比和壓力比定量分析
壓力比和混藥比是評價射流混藥器性能的重要參數(shù)。本文設(shè)定混藥比q=0.2和壓力比h=0.35分別來研究面積比對射流混藥器性能影響。
定混藥比q=0.2，射流混藥器壓力比h與面積比m呈反比關(guān)系，面積比m=2.21、3.39、4.34、6.92、8.85射流混藥器的壓力比h分別為0.45、0.37、0.33、0.22、0.18；而面積比m=1.34射流混藥器的最大混藥比為0.096無法達(dá)到設(shè)定的混藥比q=0.2的要求。試驗發(fā)現(xiàn)：面積比為1.032和0.857的射流混藥器一直處于混藥比q<0回流狀態(tài)，沒有工程價值。
定壓力比h=0.35，混藥比q隨面積比m先遞增后遞減，面積比達(dá)到某一值后混藥比q<0，表示壓力比h=0.35，該面積比的射流混藥器已進(jìn)入回流狀態(tài)。如面積比m為1.34、2.21、2.64、3.39、4.43的射流混藥器的混藥比分別為0.096、0.25、0.30、0.21、-0.05，面積比達(dá)到4.43后，混藥比q<0，射流混藥器處于回流狀態(tài)，即面積比m≥4.43的混藥器的混藥區(qū)間hj小于0.35。綜上所述，小面積比的射流混藥器具有高壓力比、低混藥比的特點，更符合工程應(yīng)用。
4.3面積比對混藥區(qū)hj間影響
混藥區(qū)間hj代表射流混藥器混藥狀態(tài)下壓力比范圍，射流混藥器混藥區(qū)間越寬，運用到在線混藥噴霧系統(tǒng)進(jìn)行噴霧作業(yè)時混藥性能越好,研究面積比對混藥區(qū)間影響具有工程意義。
由混藥特性分析知：同面積比的射流混藥器在不同工作壓力下混藥狀態(tài)特線曲線相同，有相同的混藥區(qū)間hj。由壓力比的定義可知：相同工作壓力，混藥區(qū)間越大回流發(fā)生時混藥器出口壓力越大；相同的混藥區(qū)hj，工作壓力越高則回流發(fā)生時混藥器出口壓力越大。不考慮管路壓力損失，混藥出口壓力等于在線混藥噴霧系統(tǒng)噴霧壓力，目前常用農(nóng)用噴頭正常噴霧的最低噴霧壓力為0.2MPa[13，15]。大面積比的射流混藥器由于混藥區(qū)間很小，高工作壓力下回流時混藥器出口壓力也可能達(dá)不到噴頭最低噴霧壓力，具體如表2所示。如面積比m=8.86的射流混藥器在1MPa工作壓力下混藥器出口壓力才達(dá)到最低噴霧壓力；而面積比m=12.76的射流混藥器，在1.2MPa工作壓力下，發(fā)生回流時出口壓力才0.19MPa，無法實現(xiàn)在線混藥噴霧。所以，運用到在線混藥噴霧系統(tǒng)中的射流混藥器，其面積應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。
表2 不同工作壓力下射流混藥器混藥區(qū)間及回流發(fā)生壓力
圖8 面積比對混藥區(qū)間影響曲線
(12)
混藥區(qū)間hj與面積比m呈非線性遞減，近似正態(tài)分布。面積比1.32的射流混藥器器混藥區(qū)間為0.68；當(dāng)面積比增大到4.13時，混藥區(qū)間降幅48.5%衰減到0.35；而面積比從4.13增大至8.86時，混藥區(qū)間只下降0.16，減小到0.19，但此時射流混藥器的混藥區(qū)間太小無法進(jìn)行在線混藥噴霧，沒有工程應(yīng)用價值。若以最大混藥比q>0.1、混藥區(qū)間hj>0.35為射流混藥器設(shè)計要求，參考圖7(d)和圖8，確定可應(yīng)用于實際在線混藥噴霧系統(tǒng)的射流混藥器的面積比m范圍為1.73～4.13。
5結(jié)論
1)射流混藥器h-q特性曲線中壓力比和混藥比呈近似線性遞減，特性曲線的斜率只與面積比有關(guān)，與具體工作壓力水平無關(guān)。
2)定混藥比q=0.2，射流混藥器壓力比h與面積比m呈反比關(guān)系；定壓力比h=0.35，混藥比q隨面積比m先遞增后遞減，面積比m>4.43的射流混藥器在壓力比h=0.35的工況點均處于回流狀態(tài);小面積比的射流混藥器具有小混藥比，高壓力比的特點。
3)射流混藥器的混藥區(qū)間hj隨面積比m呈近似正態(tài)分布。當(dāng)面積比從m從1.34增大到4.13，混藥區(qū)間hj從0.68衰減到0.35降幅48.5%，以最大混藥比q>0.1、混藥區(qū)間hj>0.35為設(shè)計要求，射流混藥器的面積比m范圍為1.73～4.13。
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Mixing Characteristic Experiment of Different Area Ratio of Jet-mixing Apparatus
Sheng Yunhui, Qiu Baijing, Chen Jiadong
(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology/ Ministry of Education & Jiangsu Province,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract：The model function characteristic equation of Jet-mixing apparatus was established, As a function of pressure ratiohand mixed ratioqchanges of different structure parameters of jet-mixing apparatus under the mixing condition were discussed by theoretical analysis.25 different area ratio jet-mixing apparatus within the Area ratio m range from 0.86 to 12.76,were implemented online mixing characteristic test at operating pressure range 0.4～1.2MPa ,5 working pressure levels.The results showed that, the characteristic curve h-q trend related only affaced by the area ratiom,nothing to do with work pressure.Different jet-mixing apparatus pressure ratiohand mixed ratioqare linearly decreasing.when the pressure ratioh=0.35 only area ratio m<4.34,Jet-Mixing apparatus were in mixing condition, other in reflux condition. Area ratiom significantly affected the drug mixed rangehjof jet-mixing apparatus.Area ratiomincreases from 1.34 to 4.13, the mixed rangehjfrom 0.68 down to 0.35, a decline of 48.5%.Area ratio m in the range of 1.73 to 4.13,satisfied greatest mixed ratio q>0.1, mixed range hj>0.35,the design requirements of jet-mixing apparatus.
Key words：jet-mixing apparatus; area ratio; mixed range; flow rate coefficient
文章編號：1003-188X(2016)04-0134-07
中圖分類號：S481
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
作者簡介：盛云輝(1990-),男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，(E-mail) shengyunhui123@sina.com。通訊作者：邱白晶(1961-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士，(E-mail)qbj@ujs.edu.cn。
基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203025-04)
收稿日期：2015-05-18
