基于ANSYS的文丘里施肥器水力特性研究

張超 梁忠偉 劉曉初

摘 要：為了系統(tǒng)的分析文丘里施肥器的水力特性，在現(xiàn)有的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，利用 ANSYS軟件對其展開相應(yīng)數(shù)值仿真。較為詳細(xì)的分析文丘里施肥器在其管徑發(fā)生改變時的壓強(qiáng)以及流速變化規(guī)律，為水肥一體化灌溉選擇較為合適的文丘里施肥器，提供一定的數(shù)值參考價值。研究表明通過使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，可以為實際灌溉時選擇正確型號的文丘里施肥器提供具有可靠性的建議。

關(guān)鍵詞：文丘里施肥器；水力特性；ANSYS；數(shù)值仿真

中圖分類號：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430001

引言

文丘里施肥器是一種結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，適用范圍廣并且價格便宜的一種施肥器，可以直接利用液態(tài)肥，能夠做到定位和均勻施肥，因此廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，如水肥一體化噴灌中使用，可以提高施肥的效率以及施肥的均勻度。隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉的方式逐步向高效節(jié)水的精確灌溉轉(zhuǎn)變。目前大多數(shù)的研究還是集中在分析文丘里吸肥器在高壓-高流量的情況下，模型參數(shù)的變化對其吸肥性能的影響，而關(guān)于文丘里吸肥器在低壓-低流量時其喉道部位的水力特性研究與分析很少見。本文將利用 ANSYS仿真軟件，在相關(guān)的模擬及實驗研究的基礎(chǔ)上[1]，結(jié)合理論經(jīng)驗推導(dǎo)，對文丘里施肥器展開低壓-低流量時的數(shù)值研究，系統(tǒng)分析影響文丘里管在低壓-低流量時其工作效率的因素，從而為滴灌等低壓工程選擇合適的文丘里管作為施肥器，為其設(shè)計提供實質(zhì)性的建議與指導(dǎo)。

1 文丘里施肥器原理

文丘里施肥器又可以稱為文丘里吸肥器，它是根據(jù)文丘里效應(yīng)研制開發(fā)的一種施肥裝置，由于其喉部位置出有作為施肥用的豎管，因此在實際使用中會產(chǎn)生較大的壓力損失，一般多將其與主管道并聯(lián)[2]，在使用時只需將主管道的控制閥關(guān)小，使控制閥前后產(chǎn)生壓力差，就能讓主管道里的水流通過安裝有文丘里管施肥器的支管，利用水流通過文丘里施肥器喉部水流速度加快產(chǎn)生的真空吸力[3]，將事先配比混合好的肥料從施肥桶中均勻緩慢的吸入管道中，從而進(jìn)行高效的施肥。

目前大多數(shù)文丘里施肥器雖喉部位置存在施肥用的豎管，但其內(nèi)部其它結(jié)構(gòu)與經(jīng)典文丘里管較為類似，因此采用式（1）可粗略計算出其入口處界面的壓力和最小界面處壓力的壓力差，之后使用伯努利定理，利用式（2）可初步計算求出其流量，從而快速確定選擇合適的文丘里施肥器的型號。

2 文丘里施肥器性能仿真

2.1 建模及其參數(shù)

模型建模：為了盡可能保證仿真的準(zhǔn)確性，因此本次仿真事先使用AMESim軟件對文丘里施肥器所應(yīng)用的滴灌管網(wǎng)進(jìn)行整體建模，對所設(shè)計的滴灌管網(wǎng)進(jìn)行了流量分析，通過對整體管網(wǎng)模型進(jìn)行簡化，確定了一個等效出口，等效出口的目的是保證原管網(wǎng)系統(tǒng)入口處的流量與壓力大致保持相同的前提下的，整個滴灌管網(wǎng)系統(tǒng)的滴頭總出水量與此單一出口的出水量保持基本一致，由于沒有過多其余參數(shù)的影響，通過使用等效出口，可以極大的提高以ANSYS仿真軟件工作時的效率，在確定好各部位參數(shù)，使用軟件進(jìn)行三維幾何建模及網(wǎng)格劃分[4-5]。文丘里施肥器等效出口模型以及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

前處理及后處理結(jié)果分析：使用ANSYS仿真軟件中的CFX流體模塊，本次仿真試驗的使用的時定流量設(shè)置，因此在模擬不同的入口直徑的文丘里施肥器時[6]，需提前計算出各直徑入口的對應(yīng)流速，之后將出口和豎管的壓力都設(shè)置為0Pa。設(shè)置好其余相關(guān)參數(shù)，使用CFX-Post處理模塊，進(jìn)行模型仿真，得到各個部位的壓強(qiáng)、流速等相關(guān)數(shù)值。

模擬數(shù)值分析：整個文丘里施肥器其壓力最高的部位在入口處，當(dāng)流體流經(jīng)收縮段時，由于其是定流量，因此流體流速迅速加快，壓力開始明顯變小，在文丘里管的喉部形成了一個低壓分布帶，豎管位置也形成了一部分低壓區(qū)域，之后流體通過漸擴(kuò)段，隨著流速的逐步降低，其壓力也在逐步的回升（圖2、圖3）。通過進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)在文丘里管的入口處，由于流體處于一個發(fā)展階段，其壁面存在著一定的湍流動能，并且在其喉部及其豎管位置[7]，出現(xiàn)了多個湍流強(qiáng)度比較高的區(qū)域，而隨著流體逐漸經(jīng)過漸擴(kuò)段，其湍流強(qiáng)度及耗散率也隨之減小，通過對后面部分管道分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體在出漸擴(kuò)段一段距離之后，其湍流強(qiáng)度及耗散率基本為0（圖4、圖5）。

2.2 對照試驗

為了進(jìn)一步分析出文丘里吸肥器的水利性能，分別做了2組對照仿真試驗，在保持入口-出口直徑，豎管直徑及個角度不變的基礎(chǔ)上，只改變其喉部的直徑，觀察其水利性能的變化規(guī)律；保持喉管直徑，豎管直徑以及各角度不變的基礎(chǔ)上，改變其入口-出口直徑，觀察其水力性能的變化規(guī)律。

文丘里管，其處于定流量時，通過改變其喉部的直徑，其仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對表1初步分析，可以看出，隨著喉管的直徑逐漸變大，其入口處的壓力隨之變小，呈下降趨勢，喉部中心區(qū)域的壓力逐步變大，整個文丘里施肥器的最高流速呈V形變化先變小后變大，由于文丘里施肥器的最低壓力幾乎出現(xiàn)在拐角處，因此不對其進(jìn)行分析。

文丘里管，其處于定流量時，通過改變其入口-出口直徑，以10mm的喉部直徑為參照，其仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，隨著入口-出口的直徑逐步減小，其入口處的壓力基本不變，其余各個參數(shù)也基本保持不變。

3 結(jié)論

基于ANSYS的文丘里施肥器的水力特性數(shù)值模擬，可以清晰明了的看到其內(nèi)部的流場分布，通過直觀的觀測其工作時的壓力分布，速度分布等，為實際應(yīng)用中選擇一款合適的文丘里施肥器提供有力的參考，因此可以將ANSYS仿真軟件作為一款文丘里施肥器的設(shè)計開發(fā)工具，設(shè)計更加符合自身需求的施肥器。

通過保持文丘里施肥器的入口-出口直徑，豎管直徑以及各角度不變的條件下，僅僅改變其喉部的直徑，可以看出其入口的壓力隨著喉部直徑的逐漸變大，隨之變小，當(dāng)其喉部直徑從8mm逐漸變到12mm時，其入口處壓力呈曲線變化，先快速下降，到10mm時，其下降趨勢明顯降低，喉部直徑的變化會對文丘里施肥器的水力性能產(chǎn)生極大的影響。

數(shù)值模擬顯示，當(dāng)其喉部直徑在8～10mm之間時，其最低壓力-最高流速均出現(xiàn)在喉部位置，此時，文丘里施肥器產(chǎn)生一定的負(fù)壓具有吸肥功能，而當(dāng)喉部的直徑超過10mm時，其最低壓力-最高流速開始往施肥器的豎管位置處移動，這是由于等效出口的直徑低于喉部直徑而引起的，此時，文丘里施肥器會產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，故在選擇一款符合自己需求的文丘里施肥器時，應(yīng)先計算出整個系統(tǒng)的等效出口直徑為多少。

通過保持其喉部直徑及各角度不變的條件下，改變其入口-出口直徑，發(fā)現(xiàn)其入口的壓力基本無變化，文丘里施肥器中的最高流速以及最低壓力均無明顯變化，而隨著入口-出口的直徑逐步降低至20mm過程中，其湍流強(qiáng)度及能量耗散率也在逐步降低，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整入口-出口與喉部位置的直徑比，可以更好的控制水流通過文丘里管時的湍流度，更好的進(jìn)行施肥。

文丘里施肥器由于其工作過程中壓力損失比較大，因此在具體灌溉時，可以選擇不同的工作方式，當(dāng)整體的壓力比較高時，可以使用其進(jìn)行吸肥操作，而當(dāng)應(yīng)用于滴灌等低壓灌溉的時候，可以通過選擇合適的文丘里施肥器，通過肥料桶中液體肥料自身的重力，彌補(bǔ)一部分的壓力損失，因此，不論文丘里施肥器應(yīng)用于高壓灌溉還是低壓灌溉，由于其會產(chǎn)生較大的壓力損失，因此只適用于面積不大的灌區(qū)。

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