基于微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)與設(shè)備分析

張育斌，魏正英，朱新國(guó)，馮培存，徐 璟

（1.寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315175；2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；3.寧波市水利局，浙江 寧波 315100）

隨著水肥一體化技術(shù)的逐漸推廣，增氧灌溉是近年灌溉領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，是一種新型高效的節(jié)水技術(shù)，利用這一技術(shù)可以緩解作物根區(qū)缺氧環(huán)境，提高土壤中的氧氣含量，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，提高根系活力[1-2]。同時(shí)，該技術(shù)可增加根際土壤微生物的種群與活性，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)礦化和養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)根系吸收水分養(yǎng)分的能力，提高水肥利用效率，明顯改善作物品質(zhì)和產(chǎn)量，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)節(jié)水的目的[3-6]。而微氣泡由于尺寸較小，在表面張力的影響下，微納米氣泡發(fā)生自增壓效應(yīng)，促進(jìn)氣泡內(nèi)部氣體溶解在液相中，可提高氣液界面的傳質(zhì)效率[7-9]。

目前用于增氧灌溉的設(shè)備存在氣泡在水中溶解度較低、植物根系可利用吸收的氣體量較小的不足。此外，用于增氧灌溉微氣泡釋放器末端均是注入儲(chǔ)水箱，存在占地面積大、氣泡衰減多、設(shè)備安裝不便攜的缺點(diǎn)，而現(xiàn)有的微氣泡釋放器無(wú)法與現(xiàn)有微灌系統(tǒng)進(jìn)行集成。本文主要設(shè)計(jì)一種可直接集成安裝在微灌管路上的微氣泡釋放器及開(kāi)發(fā)與其配套的微氣泡增氧灌溉設(shè)備，并對(duì)其開(kāi)展相應(yīng)的工藝試驗(yàn)與應(yīng)用。

1 微納米氣泡發(fā)生理論

本文選用優(yōu)勢(shì)明顯的溶氣釋氣法來(lái)進(jìn)行微納米氣泡的制備，溶氣釋氣法是在高壓下將空氣溶解在水中形成高濃度溶氣水，再突然釋放壓力，溶解在水中氣體就會(huì)以微小氣泡的形式析出。常見(jiàn)系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1，水泵提供一定的壓力將水氣混合物首先在溶氣罐中混合溶解，之后高濃度的溶氣水經(jīng)過(guò)釋放器得以釋壓。釋放器的結(jié)構(gòu)專利國(guó)外居多，有單孔節(jié)流閥門型、孔片式釋放器、孔盒式釋放器等[10-11]，當(dāng)微氣泡在存在于水中時(shí)，其滿足Kelvin公式[12]：

式中：P為蒸氣壓（Pa），也就是微氣泡釋放前溶氣水的壓力；P0為正常蒸氣壓（Pa），也就是溶氣水釋放后的壓力；M為空氣的摩爾質(zhì)量（kg · mol-1）；ρ為氣體密度（kg · m-3）；R為摩爾常數(shù)（J · mol-1· K-1） ；r為微氣泡大?。╩）；γ為液體表面張力（N · m-1）。

圖1 溶氣釋氣法原理圖

經(jīng)過(guò)釋放器的空氣被分散成小顆粒溶解在水中，其實(shí)質(zhì)是氣泡中氧元素向液相中傳質(zhì)的過(guò)程。氧分子通過(guò)水氣雙膜溶解在水體中，氣溶解速率可以利用雙膜公式來(lái)表示[13]：

由式（2）可看出，氧分子進(jìn)入水體的速率可以作為評(píng)價(jià)釋放器性能的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，其宏觀可以通過(guò)水體中溶氧濃度的變化速率來(lái)體現(xiàn)，速率越快，說(shuō)明氣液傳質(zhì)效率越高。此外，氣泡的尺寸越小，氣泡與液體的接觸面積也就越大，可以有效增強(qiáng)傳質(zhì)效率。由公式（3）可看出，在釋氣過(guò)程中，增大液體的絮亂程度，也就是增強(qiáng)釋放器內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度，可提高KL的值，進(jìn)而提升氧氣進(jìn)入水體中溶解速率。

2 釋放器數(shù)值模擬計(jì)算與分析

本文主要利用FLUENT軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的釋放器進(jìn)行仿真計(jì)算，利用壓力場(chǎng)分布云圖以及湍流強(qiáng)度云圖以及釋放器的流量大小作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)釋放器性能展開(kāi)評(píng)價(jià)對(duì)比。設(shè)計(jì)的釋放器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，溶氣水從入口進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)喉部孔后進(jìn)入湍流腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)劇烈翻滾、碰撞、擠壓、摩擦后從錐形出口排出。

圖2 釋放器基本結(jié)構(gòu)圖

2.1 喉部尺寸對(duì)釋放器性能的影響

釋放器喉部孔直徑的大小會(huì)顯著影響釋放器的流量大小，釋放器喉部直徑b分別取1，2，3，4，5 mm五個(gè)值，結(jié)構(gòu)其他參數(shù)節(jié)流孔入口d= 6 mm、出口長(zhǎng)度c= 30 mm、錐形出口角度β= 8°以及出口個(gè)數(shù)n= 2。入口壓力為0.3 MPa，出口壓力為0.0 MPa。圖3為經(jīng)過(guò)計(jì)算得到模型中間截面上的壓力場(chǎng)分布云圖，圖4為該截面湍流強(qiáng)度分布云圖。

從圖3可以看出，溶氣水在未通過(guò)喉部孔之前，處于高壓狀態(tài)，經(jīng)過(guò)喉部孔之后，壓力得到驟降，并且隨著喉部孔尺寸的增大，負(fù)壓區(qū)域不斷增大，但在喉部尺寸為2 mm時(shí)，負(fù)壓值達(dá)到最大，在大于2 mm時(shí)，隨著喉部尺寸的增大，負(fù)壓值明顯減小。從圖4可以看出，喉部尺寸為3 mm時(shí)，喉部位置的湍流強(qiáng)度達(dá)到最大，湍流強(qiáng)度的變化梯度也相對(duì)較大。綜合考慮，可以確定喉部尺寸3 mm較為合適，此時(shí)釋放器流量為1.05 m3/h。

圖3 不同喉部直徑下壓力場(chǎng)分布云圖

圖4 不同喉部直徑下湍流強(qiáng)度分布云圖

2.2 不同湍流腔厚度對(duì)釋放器性能的影響

釋放器的湍流腔厚度a分別取1，2，3，4，5 mm五個(gè)值，結(jié)構(gòu)其他參數(shù)：節(jié)流孔入口d= 6 mm、出口長(zhǎng)度c= 30 mm、喉部直徑b= 3 mm、錐形出口角度β= 8°以及出口個(gè)數(shù)n= 2。入口壓力為0.3 MPa，出口壓力為0.0 MPa。圖5為模型中間截面壓力場(chǎng)分布云圖，圖6為該截面湍流強(qiáng)度分布云圖。

由圖5可以看出，在不同的湍流腔厚度下，負(fù)壓值的變化是很明顯的，當(dāng)湍流腔厚度為2 mm時(shí)，負(fù)壓值最大，便于生成尺寸較小的氣泡。整體而言，湍流腔厚度對(duì)負(fù)壓區(qū)域大小的影響不是很明顯。從圖6可知，隨著湍流腔厚度的增加，湍流腔內(nèi)的湍流強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，喉部處的湍流強(qiáng)度在厚度為2 mm時(shí)達(dá)到最大值，且湍流強(qiáng)度的梯度變化相對(duì)較大。綜合以上2方面的考慮，可以確定湍流腔厚度為2 mm時(shí)最優(yōu)。

圖5 不同湍流腔厚度下壓力場(chǎng)分布云圖

圖6 不同湍流腔厚度下湍流強(qiáng)度分布云圖

2.3 不同出口處角度對(duì)釋放器性能的影響

釋放器的錐形出口角度β分別取2°，4°，6°，8°，10°五個(gè)值，結(jié)構(gòu)其他參數(shù)：入口d= 6 mm、出口長(zhǎng)度c= 30 mm、喉部直徑b= 3 mm、湍流腔厚度a= 2 mm以及出口個(gè)數(shù)n= 2。入口壓力為0.3 MPa，出口壓力為0.0 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到模型中間截面上的壓力場(chǎng)分布云圖以及該截面上湍流強(qiáng)度分布云圖見(jiàn)圖7和圖8。

由圖7可知，隨著錐形出口角度的逐漸增大，負(fù)壓區(qū)域的面積逐漸減少，從負(fù)壓大小來(lái)看，角度4°和6°最佳。從圖8可看出，出口角度對(duì)于釋放器出口的湍流強(qiáng)度影響不是很明顯，其中出口角度為6°和8°時(shí)，喉部附近區(qū)域的湍流強(qiáng)度較大，且湍流強(qiáng)度梯度變化較大。綜合以上兩方面的考慮，確定最佳的出口角度大小為6°。

圖7 不同出口角度下壓力場(chǎng)分布云圖

圖8 不同出口角度下湍流強(qiáng)度分布云圖

2.4 不同出口個(gè)數(shù)對(duì)釋放器性能的影響

釋放器的出口個(gè)數(shù)分別取2，3，4，5個(gè)，保持每個(gè)釋放器喉部出口處最小截面的面積一致，且均為4.5。結(jié)構(gòu)其他參數(shù)：入口d= 6 mm、出口長(zhǎng)度c= 30 mm、喉部直徑b=3 mm、湍流腔厚度a= 2 mm以及出口角度β= 6°。確定入口壓力為0.3 MPa，出口壓力為0.0 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到模型中間截面上的壓力場(chǎng)分布云圖以及該截面上湍流強(qiáng)度分布云圖見(jiàn)圖9和圖10（說(shuō)明：因?yàn)檫x取的是中間坐標(biāo)軸截面，所以出口個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)截面上出口均為1個(gè)，偶數(shù)時(shí)為2個(gè)）。

由圖9可看出，隨著出口個(gè)數(shù)的增多，最大負(fù)壓值逐漸減少，在出口個(gè)數(shù)較多時(shí)，湍流腔內(nèi)的壓力變化明顯，但負(fù)壓形成不明顯。在喉部孔附近區(qū)域負(fù)壓分布來(lái)看，當(dāng)出口個(gè)數(shù)為2個(gè)時(shí)，負(fù)壓值最大。從圖10可看出，當(dāng)出口個(gè)數(shù)為2個(gè)時(shí)，喉部附近區(qū)域湍流強(qiáng)度最大，且湍流強(qiáng)度梯度最大。最終確定最佳的出口個(gè)數(shù)為2個(gè)。

圖9 不同出口個(gè)數(shù)下壓力場(chǎng)分布云圖

圖10 不同出口個(gè)數(shù)下湍流強(qiáng)度分布云圖

從單因素效應(yīng)曲線來(lái)看，為了使得釋放器的流量盡可能的增大，最佳的組合為湍流腔厚度為2 mm、出口角度為6°以及出口個(gè)數(shù)為4個(gè)。

綜合以上的分析可知，湍流腔厚度這一尺寸對(duì)釋放器的性能影響最為顯著，綜合考慮負(fù)壓狀況、湍流強(qiáng)度以及流量的大小，可以確定最佳的結(jié)構(gòu)尺寸組合為湍流腔厚度為2 mm、出口角度為6°以及出口個(gè)數(shù)為2個(gè)。

3 微納米氣泡增氧灌溉裝置研制與應(yīng)用

3.1 微納米氣泡發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

依據(jù)微氣泡生成原理，結(jié)合傳感器的使用條件，設(shè)計(jì)微氣泡發(fā)生裝置，主要包括2個(gè)部分，一是微氣泡發(fā)生模塊，二是溶氧水DO值檢測(cè)模塊。在微氣泡發(fā)生裝置中，主要包括自吸式氣液混合泵、尼克尼氣液分離罐、安裝在管路上的微氣泡釋放器以及溶解氧DO值檢測(cè)模塊，氣液混合泵在吸水的同時(shí)吸氣，氣體在泵葉片的高速旋轉(zhuǎn)下攪拌混合，在高壓作用下，使得氣體和液體混合相對(duì)充分。經(jīng)過(guò)泵的水氣混合物進(jìn)入尼克尼氣液分離罐，未能溶解的大顆粒氣泡會(huì)在分離罐中上升經(jīng)過(guò)排氣閥排出，進(jìn)而避免管路中形成氣窩而造成沖擊等不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過(guò)分離罐后的溶氣水通過(guò)釋放器時(shí)，經(jīng)過(guò)沖擊、震蕩、回流和渦流等多種行為后，壓力突然釋放掉，會(huì)析出大量的微小氣泡，經(jīng)過(guò)管路進(jìn)入儲(chǔ)水箱（見(jiàn)圖11）。

圖11 微納米氣泡發(fā)生裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖

3.2 仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)釋放器采用3D打印進(jìn)行快速成型工藝制作，材料為光敏樹(shù)脂，釋放器安裝在圖11所示的系統(tǒng)中，每次實(shí)驗(yàn)對(duì)20 L水進(jìn)行曝氣處理，設(shè)定釋放器入口壓力為0.3 MP，出口壓力為大氣壓，啟動(dòng)微型泵開(kāi)始對(duì)水體種DO值的檢測(cè)，啟動(dòng)氣液混合泵開(kāi)始曝氣，對(duì)其性能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將以上的利用傳感器配套的數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)水體曝氣過(guò)程中DO值進(jìn)行檢測(cè)記錄，不同釋放器曝氣試驗(yàn)溶氧曲線見(jiàn)圖12。

圖12 不同釋放器曝氣試驗(yàn)溶氧曲線圖

由圖12可知，水體中溶氧DO值先是快速增長(zhǎng)，之后達(dá)到穩(wěn)定后維持基本不變，由以可知，釋放器的f luent計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的。

停止曝氣之后，測(cè)量150 h以內(nèi)水體中溶氧值的變化，水體溶氧值衰減曲線見(jiàn)圖13。

圖13 停止曝氣150 h溶氧值衰減曲線圖

由圖13可看出，在停止曝氣約3 h之內(nèi)，溶氧濃度急速下降，之后下降趨勢(shì)逐漸變緩慢。在3 h之前，水體中氧濃度處于超飽和狀態(tài)，非常不穩(wěn)定，因此濃度下降速率較快，當(dāng)濃度逐漸下降至該溫度下的飽和值后處于穩(wěn)定狀態(tài)，在水體擾動(dòng)等作用下，溶解氧濃度逐漸下降，并且隨著濃度的降低，溶解氧濃度下降速率減緩，停止曝氣150 h（6 d后）水體溶氧值恢復(fù)至曝氣原始值。

3.3 微納米氣泡增氧灌溉裝置示范應(yīng)用

根據(jù)溶氣釋氣法微納米氣泡發(fā)生原理研制了微納米氣泡增氧灌溉設(shè)備（見(jiàn)圖14），主要部件有氣液混合泵、氣液分離罐、利用3D打印技術(shù)成型的釋放器以及溶氧傳感器。電路控制部分主要有空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器以及指示燈等，并在寧波市水肥灌溉示范基地開(kāi)展示范應(yīng)用（見(jiàn)圖15）。

圖14 微納米氣泡增氧灌溉設(shè)備主要部件實(shí)物圖

圖15 微納米氣泡增氧灌溉設(shè)備示范應(yīng)用圖

4 結(jié) 論

（1）在不同喉部孔直徑、湍流腔厚度、出口角度以及出口個(gè)數(shù)的條件下，研究其對(duì)釋放器內(nèi)部負(fù)壓區(qū)域、湍流強(qiáng)度區(qū)域以及流量大小的影響。在釋放器計(jì)算仿真基礎(chǔ)上，完成微納米氣泡發(fā)生裝置試驗(yàn)平臺(tái)搭建，利用釋放器性能排序?qū)Ψ抡嬗?jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確定釋放器最佳的工作壓差為0.3 MP。得到曝氣后水體中溶氧值衰減曲線，在3 h以內(nèi)衰減較快，之后下降平緩，約6 d后溶氧值恢復(fù)至曝氣前狀態(tài)。

（2）將計(jì)算得到的釋放器利用3D打印進(jìn)行成型，完成基于微納米氣泡的增氧灌溉裝置研制，該裝置具有增氧效率高、體積小、釋放器可直接安裝在灌溉管路上以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在增氧灌溉領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。