不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)文丘里施肥器性能影響的研究

謝冬輝，吳文勇，王振華，廖人寬

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

基于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展的需求，研制高性能文丘里施肥器已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的主要研究目標(biāo)。早期的研究主要集中在水力學(xué)性能測(cè)試、運(yùn)行模式等實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用方面[1-6]。當(dāng)前對(duì)文丘里施肥器的研究主要集中在內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)分析方面，推演出了入口流量，吸肥量，進(jìn)、出口壓力之間相互作用的經(jīng)驗(yàn)公式[7,8]，分析并獲得了施肥器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的最佳組合方式[9,10]。在數(shù)值模擬方面，建立比較多的文丘里施肥器模型并對(duì)其流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-15]，但模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果之間有一定誤差。在施肥控制方面也有一定的研究[16-18]。然而，文丘里施肥器喉管部的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，喉管內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)肥液耦合影響的研究很少見，僅集中在水肥分布、能量轉(zhuǎn)化和選配方法的研究[19-22]?，F(xiàn)階段，對(duì)文丘里施肥器的改進(jìn)主要集中在喉管進(jìn)出口直徑方面[23-25]，但現(xiàn)有的研究沒有對(duì)喉管流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納分類，喉管進(jìn)出口直徑之比對(duì)吸肥性能的影響尚處在數(shù)值模擬階段，沒有得到充足的試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，對(duì)喉管結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行歸納總結(jié)，并通過試驗(yàn)來分析不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)文丘里施肥器工作性能的影響，進(jìn)而獲取一種最佳的喉管結(jié)構(gòu)，為文丘里施肥器在喉管方面的改進(jìn)提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用了14種不同流道結(jié)構(gòu)的文丘里施肥器，產(chǎn)品型號(hào)如表1所示。如圖1所示，通過工業(yè)CT斷層掃描測(cè)量?jī)x(型號(hào)：TomoScope HV)得知文丘里施肥器喉管與吸肥口之間的內(nèi)腔體結(jié)構(gòu)有顯著差異，可歸納為3種：圓柱形結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱C型)，錐形結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱T型)，橢圓形結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱E型)。表1中的ATP型號(hào)屬于C型文丘里施肥器，有10種流道結(jié)構(gòu)；GF型號(hào)屬于T型文丘里施肥器，各有2種流道結(jié)構(gòu)； BT 、RT型號(hào)屬于E型文丘里施肥器，各有1種流道結(jié)構(gòu)。

表1 文丘里施肥器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

運(yùn)用Mimics15.0軟件對(duì)掃描圖片進(jìn)行處理，可獲得試驗(yàn)所用文丘里施肥器內(nèi)部流道的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。并引用無量綱參數(shù)λ：喉管出口直徑與進(jìn)口直徑之比。

圖2 文丘里施肥器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

如圖3所示，本次試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要包括：變頻水泵，PVC供水管路，渦輪流量計(jì)(型號(hào)為L(zhǎng)WGY-10，量程為0.2～1.2 m3/h，精度為0.01 L/h)，電磁閥，壓力傳感器(型號(hào)為MPM489，量程為0～1 MPa，精度±0.5%)。其中，文丘里施肥器肥吸肥口距肥液面的高度為50 cm。對(duì)于不同尺寸的文丘里施肥器，可通過加裝變徑和活接頭的方法來安裝，而連接壓力傳感器的三通要根據(jù)施肥器的尺寸來更換，且壓力傳感器與進(jìn)水口的距離應(yīng)小于10 cm。圖3測(cè)試軟件為微灌多功能測(cè)試軟件系統(tǒng)V1.0，軟件設(shè)置的壓力梯度為：0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35和0.4 MPa，每個(gè)梯度運(yùn)行10 min，計(jì)算機(jī)軟件會(huì)自動(dòng)記錄系統(tǒng)穩(wěn)定后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)：文丘里施肥器進(jìn)口壓力P1，文丘里施肥器出口壓力P2，進(jìn)口流量Q1，出口流量Q2。若測(cè)量喉管部的壓力，可將吸肥管撤出并裝上壓力傳感器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中，出口閥門處于全開模式。

1-變頻器；2-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；3-潛水泵；4-肥液桶；5-電磁閥；6-渦輪流量計(jì)Ⅰ；7-活接頭Ⅰ；8-壓力傳感器Ⅰ；9-文丘里施肥器；10-吸肥管；11-壓力傳感器Ⅱ；12-活接頭Ⅱ；13-渦輪流量計(jì)Ⅱ；14-出口閥門圖3 文丘里施肥器試驗(yàn)裝置示意圖

由表1可知，喉管進(jìn)出口直徑比值λ有7種。為了增加結(jié)果分析的可信性，根據(jù)通量守恒定律，以入口流量作為主因數(shù)，通過公式(1)計(jì)算文丘里施肥器的吸肥性能。

(1)

式中：η為吸肥效率，MPa；q為吸肥量，Q2-Q1，L/h；ΔP為文丘里施肥器進(jìn)出口壓差，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 喉管結(jié)構(gòu)對(duì)吸肥效率和吸肥量的影響

2.1.1 喉管進(jìn)出口直徑對(duì)吸肥效率的影響

利用公式(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出施肥器入口流量Q1與吸肥效率η之間的關(guān)系，并建立回歸方程見圖4和表2。表2各方程均為指數(shù)函數(shù)，且底數(shù)相同，現(xiàn)將其指數(shù)定義為下降系數(shù)，這樣便可通過下降系數(shù)的大小來宏觀地反映出吸肥效率的下降速率。圖4各曲線的總體變化趨勢(shì)是隨著入口流量的增加，吸肥效率呈遞減趨勢(shì)，且隨著喉管進(jìn)口直徑的增大，吸肥效率的遞減趨勢(shì)變緩；喉管進(jìn)口直徑越小，隨著流量的增加，其吸肥效率下降越迅速。

圖4 C型喉管進(jìn)出口直徑對(duì)吸肥效率的影響

型號(hào)回歸模型R2λ下降系數(shù)ATP3-3η=12．39e-0．0042Q10．9921．000．0042ATP3-4η=7．39e-0．0032Q10．9961．330．0032ATP3-5η=5．11e-0．0026Q10．9341．670．0026ATP3-6η=4．97e-0．0026Q10．9712．000．0026ATP4-4η=10．62e-0．0026Q10．9811．000．0026ATP4-5η=8．96e-0．0022Q10．9871．250．0023ATP4-6η=8．11e-0．0．0022Q10．9961．500．0023ATP5-5η=3．78e-0．0012Q10．9731．000．0012ATP5-6η=10．3e-0．0017Q10．9111．200．0017ATP6-6η=15．19e-0．0015Q10．9661．000．0015

對(duì)于喉管進(jìn)口直徑為3 mm的ATP型文丘里施肥器，通過試驗(yàn)觀察，當(dāng)入口流量為300 L/h時(shí)，施肥器已經(jīng)開始吸肥，但吸肥量很小，此時(shí)可以認(rèn)定其最佳工作區(qū)間的下限值為700 L/h；當(dāng)入口流量大于700 L/h時(shí)，吸肥量不再顯著明顯增大，所以可以認(rèn)定其最佳工作區(qū)間的上限值為700 L/h。通過設(shè)置不同的壓力梯度，讓入口流量分別穩(wěn)定在400、500、600、700 L/h，來分析在不同入口流量下的吸肥效率與λ的關(guān)系，并建立擬合方程，見圖5。由圖5可以看出，在入口流量一定時(shí)，隨著λ的增加，吸肥效率呈現(xiàn)先增加后遞減的趨勢(shì)。文丘里施肥器入口流量在工作中可根據(jù)實(shí)際需要而做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，而喉管結(jié)構(gòu)不能輕易改變，當(dāng)λ一定時(shí)，η隨著入口流量的增加而增加。圖5各方程均為一元二次方程，為獲得施肥器在最佳工作范圍內(nèi)λ的最優(yōu)值，將圖中的4個(gè)擬合曲線相加，此時(shí)可視為在相同的入口流量條件下η隨λ增大的變化曲線，方程為：η=-2.142λ2+5.568λ+2.065。最后計(jì)算出當(dāng)λ=1.27時(shí)吸肥效率最大。根據(jù)流體力學(xué)的相似性原理[26]，此結(jié)論可適用于對(duì)喉管進(jìn)口直徑為4、5、6 mm的ATP型文丘里施肥器的分析。

2.1.2 不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)吸肥量的影響

若想對(duì)比不同喉管性能的優(yōu)劣，需要排除收縮段和擴(kuò)張段的影響，唯一的辦法是保證各自的入口流量相同，而且只能將吸肥量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(吸肥效率公式中有壓差值，不能作為評(píng)價(jià)的參考)，因?yàn)楹砉苌淞魉俣仁怯绊懳柿康闹苯涌煽匾蛩亍Ｔ谌肟诹髁肯嗤?，λ也相同的情況下，喉管射流速度也是相同的，所以此時(shí)對(duì)比吸肥量和喉管負(fù)壓，可選出最優(yōu)的喉管結(jié)構(gòu)。以入口流量作為統(tǒng)一變量來分析吸肥量的變化趨勢(shì)，見圖6。由圖6可知，當(dāng)λ=1時(shí)，隨著入口流量的增大，C型和T型的吸肥量增加趨勢(shì)最顯著，T型的最大值為180 L，C型的最大值為162 L，E型最大值為64 L，可以看出此時(shí)T型喉管的吸肥性能最優(yōu)；當(dāng)λ=1.33時(shí)，C型和T型的吸肥量的變化趨勢(shì)有所變緩，但最大值分別穩(wěn)定在250和184 L，E型的最大值最后穩(wěn)定100 L。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可以看出，在工作區(qū)間內(nèi)，λ的增大對(duì)吸肥量有一定的影響；在相同的入口流量下，T型喉管的吸肥量最大。綜上所述，T型喉管可有效地提高吸肥量。

圖6 不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)吸肥量的影響

2.2 喉管對(duì)施肥器進(jìn)出口壓力和喉部負(fù)壓的影響

2.2.1 喉管直徑對(duì)進(jìn)出口壓差的影響

為了增加結(jié)果分析的可信性，根據(jù)通量守恒定律，以入口流量作為主因數(shù)來分析試驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，ATP施肥器的各型號(hào)之間只在喉管進(jìn)出口直徑方面有差異性，所以在相同入口流量下，收縮段和擴(kuò)張段對(duì)施肥器進(jìn)出口壓力差的影響力是相同的，突出了喉管對(duì)施肥器進(jìn)出口壓力差的單一影響。圖7給出了不同喉管進(jìn)口直徑對(duì)施肥器進(jìn)出口壓力差的影響。圖7(a)總體變化趨勢(shì)是隨著入口流量的增加，壓差呈增加趨勢(shì)，且隨著喉管進(jìn)口直徑的增大，壓差增加趨勢(shì)變緩。無論喉管直徑是多少，隨著入口流量的不斷增大，施肥器兩端的壓力差會(huì)逐步接近入口壓力；喉管直徑越小，壓力差對(duì)入口流量的變化越敏感。圖7(b)表示的是喉管進(jìn)口直徑為3 mm的ATP型文丘里施肥器在不同入口流量下的進(jìn)出口壓差與λ的關(guān)系曲線。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來調(diào)控入口流量的大小，以5個(gè)流量梯度來收集數(shù)據(jù)，分析后得出結(jié)論：在喉管進(jìn)口直徑不變時(shí)，進(jìn)出口壓力差與λ沒有關(guān)聯(lián)性；當(dāng)喉管入口流量逐漸增大時(shí)，文丘里施肥器兩端的壓力差逐漸增大；在相同的入口流量下，隨著λ的增大，文丘里施肥器的進(jìn)出口壓差會(huì)有很小的波動(dòng)，是因?yàn)閮上嗔?喉管水柱與肥液)相互作用而產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象，但其對(duì)壓差的影響很小，可忽略不計(jì)。根據(jù)流體力學(xué)的相似性原理，此結(jié)論可適用于對(duì)喉管進(jìn)口直徑為4、5、6 mm的ATP型文丘里施肥器的分析。

圖7 喉管進(jìn)出口直徑對(duì)施肥器進(jìn)出口壓差的影響

2.2.2 不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)喉部負(fù)壓的影響

喉管負(fù)壓的直接影響因素是喉管部射流速度，考慮到C、T、E型文丘里施肥器具有不同的流道結(jié)構(gòu)，本次試驗(yàn)中這3種型號(hào)喉管的進(jìn)出口直徑是相同的，以入口流量作為統(tǒng)一變量(此時(shí)喉管部射流速度是相同的，入口流量一定時(shí)，收縮段、擴(kuò)張段對(duì)喉管負(fù)壓無影響)來分析不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)喉部壓力的影響，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖8。由圖8(a)可以看出，隨著入口流量的增大，喉管負(fù)壓逐漸達(dá)到最大值并保持不變。C型和T型在喉管負(fù)壓降到最低值的過程中，其曲線基本吻合，但T型喉管的負(fù)壓值最小(-0.092 MPa)。在相同的入口流量下，E型喉管負(fù)壓值的遞減速率較緩慢，且最后負(fù)壓值穩(wěn)定在-0.08 MPa。結(jié)合圖8(a)看圖8(b)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)λ由1增大為1.33時(shí)，這3種喉管部的最小負(fù)壓值都有所增加，但此時(shí)T型喉管的最小負(fù)壓值(-0.09 MPa)依然比C型和E型的小。本文在喉部負(fù)壓值增減趨勢(shì)方面的結(jié)論與文獻(xiàn)[24]的研究結(jié)論是相同的，與之相比，本文最大的不同是比較了不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)喉部負(fù)壓的影響，且得出結(jié)論：T型喉管的吸肥能力優(yōu)于C型和E型喉管。

圖8 不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)喉管部壓力的影響

3 結(jié) 語

通過不同喉管結(jié)構(gòu)對(duì)文丘里施肥器性能影響的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

(1)隨著入口流量的增加，吸肥效率呈遞減趨勢(shì)，且隨著喉管進(jìn)口直徑的增大，吸肥效率的遞減趨勢(shì)變緩；喉管進(jìn)口直徑越小，隨著流量的增加，其吸肥效率下降越迅速。在入口流量一定時(shí)，隨著λ的增加，吸肥效率呈現(xiàn)先增加后遞減的趨勢(shì)。最后計(jì)算出當(dāng)λ=1.27時(shí)喉管的吸肥效率最大。

(2)在相同的入口流量下，與C型和E型相比較而言，T型喉管的吸肥效量最大。

(3)隨著入口流量的增大，喉管負(fù)壓逐漸達(dá)到極值并保持不變，T型喉管的負(fù)壓值最小，即T型喉管提高吸肥量的能力最強(qiáng)。

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