增氧灌溉管路曝氣裝置設(shè)計與實驗

徐璟　張育斌　馬二磊　馮培存

摘 要：針對灌溉系統(tǒng)的管路系統(tǒng)封閉環(huán)境與市場主流水體增氧設(shè)備集成度差的問題，本文設(shè)計增氧灌溉管路曝氣裝置核心件曝氣頭的基本結(jié)構(gòu)，運用CFD軟件進行仿真分析，并分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣頭對灌溉增氧性能的影響，優(yōu)化并確定了曝氣頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后根據(jù)設(shè)計研制了增氧灌溉管路曝氣裝置并與管路完成灌溉試驗。結(jié)果表明，該裝置具有增氧效率高、體積小，與灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)封閉對接，有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：曝氣頭;增氧灌溉;管路系統(tǒng);流體計算

中圖分類號：S22 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130018

灌溉增氧灌溉的方式主要有文丘里加氣增氧、機械式增氧、物理式增氧、化學(xué)式增氧以及微納米氣泡增氧這幾種方式。張敏等[1]、Bagatur等[2]利用特制的文丘里加氣設(shè)備對灌溉過程進行加氣處理。機械式增氧主要利用空氣泵、打氣筒等向土壤中加氣。張璇等[3]、Niu Wenquan等[4]利用空氣壓縮機為番茄通氣供氧;郭超等[5]采用普通打氣筒為盆栽植物供氣。物理式增氧主要通過改變土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)以及土壤類型等實現(xiàn)通氣處理[6]。孫周平等[7]、李勝利等[8]通過根系管通氣、土壤中加入巖石以及將作物培養(yǎng)在鋁塑網(wǎng)內(nèi)等方式進行通氣處理?；瘜W(xué)式增氧主要是利用化學(xué)試劑來制備富氧水。Bhattarai S P等[9]、程峰等[10]利用稀釋后的雙氧水試劑對水體進行增氧后開展灌溉。

目前，增氧運用效果優(yōu)勢明顯的是微納米氣泡增氧，釋放數(shù)百微米到數(shù)百納米之間的氣泡溶于水，具有氣泡粒徑較小，存在時間長、氧傳質(zhì)效率高以及表面吸附能力強等優(yōu)點[21]。但應(yīng)用的模式主要采用釋放氣泡溶于桶內(nèi)，再抽取溶氣水增壓注入管路內(nèi)實現(xiàn)管路增氧灌溉，存在管路接入困難，集成度差問題。

1 增氧灌溉管路曝氣發(fā)生原理

曝氣頭的結(jié)構(gòu)形式較多，常見的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心均是微孔節(jié)流式，當(dāng)溶氣水通過小孔時，由于截面積減小，水體流速會加快，壓強突然減小，甚至出現(xiàn)負壓，在微孔附近壓力變化非常激烈，促使氣泡析出。如圖1（b）和（d）所示，溶氣水在通過小孔之前，在壁面等的阻隔之下，會發(fā)生碰撞、翻轉(zhuǎn)回流等現(xiàn)象，水體的湍流程度會增強，有利于水中微氣泡的釋放。

2 曝氣頭基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

曝氣頭的性能因結(jié)構(gòu)不同而有較大差異，但都有一個共同特點，就是通過局部真空、振動、回流、擠壓、散射等多種行為，使得溶氣水在較大壓差下釋放，并使消能室具有盡可能高的速度梯度以及湍流強度。只要微觀流態(tài)控制的合理，就能得到較小尺寸的微氣泡，曝氣頭通常采用微孔或縫隙結(jié)構(gòu)來節(jié)流。本文設(shè)計的曝氣頭基本結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流場速度矢量圖如圖2所示。

3 曝氣頭流場數(shù)值模擬過程

3.1 計算模型

考慮曝氣頭內(nèi)部的流體處于湍流狀態(tài)，采用湍流模擬計算中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。利用Workbench Mesh模塊對曝氣頭內(nèi)部流場三維模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

考慮到數(shù)值模擬中網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果有著較大的影響，因此研究不同網(wǎng)格數(shù)量的仿真模型對計算結(jié)果的影響。調(diào)整最大網(wǎng)格尺寸，選取其中網(wǎng)格數(shù)量為50萬、90萬、120萬以及150萬的模型進行計算，分別得到a-a面中線b上節(jié)點的壓力值分布曲線如圖4～5所示。

由圖5中曲線可以看出，a-a截面中線b的壓力值隨位置坐標(biāo)先減小后增大，網(wǎng)格數(shù)量為120萬與150萬的模型計算結(jié)果較為相近，考慮計算機的性能和模型求解時間，因此將網(wǎng)格數(shù)量控制在120萬左右，此時一個模型的計算求解時間約為12h。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果初步驗證

3.2.1 壓強指標(biāo)驗證曝氣頭內(nèi)部流場

由曝氣頭內(nèi)部流體壓力場分析可知，在曝氣頭喉部孔附近由于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，該結(jié)構(gòu)附近的壓力場梯度較大，負壓效應(yīng)最為明顯，由于壓力梯度較大使得測量難度劇增，因此本文選擇壓力檢測樣件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的A點作為壓強檢測點。利用3D打印快速成型工藝制作樣件，使用真空壓力表檢測A點處的壓強值，壓力表量程為-0.1～0MPa。選用兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣頭，開展實驗測量其A點附近的壓強值并與模擬計算得到壓強值進行對比，實驗結(jié)果如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，2個不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣頭在A點位置處壓力實測值與計算值的相對誤差分別為-8.68%和-9.17%，誤差絕對值均小于10%，可見，以壓力值作為驗證指標(biāo)時模型的計算結(jié)果較好，誤差在允許的范圍內(nèi)。

3.2.2 流量指標(biāo)驗證曝氣頭內(nèi)部流場

選取驗證指標(biāo)為曝氣頭出口的流量，搭建試驗臺，利用串聯(lián)管路來測量通過曝氣頭的流量，所用流量計為橢圓齒輪流量計，型號是CX-M12SS，量程為0.3～30L·min-1，精度為0.5%。采用3D打印成型工藝制作曝氣頭樣件，曝氣頭結(jié)構(gòu)參數(shù)d=6mm，c=30mm，進口壓力設(shè)定為300kPa，出口壓力為0，實驗與仿真結(jié)果如表2所示。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，計算得到的曝氣頭流量與實驗值的最大相對誤差為7.19%，相對誤差平均值為4.91%，由此可見，仿真結(jié)果的誤差在允許的范圍內(nèi)。為了使得曝氣頭的流量盡可能的增大，最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是湍流腔厚度為2mm、出口角度為6°以及出口個數(shù)為2個。

3.3 曝氣頭設(shè)計與3D打印

將計算得到的曝氣頭利用3D打印工藝進行快速成型制作，材料為光敏樹脂，成型的樣件如圖6所示。

4 增氧灌溉管路曝氣裝置試驗平臺與應(yīng)用

根據(jù)溶氣釋氣法制備微納米氣泡原理，結(jié)合傳感器的使用條件，設(shè)計了如圖7所示的微氣泡增氧試驗平臺原理圖，主要包括2個部分：微納米氣泡發(fā)生模塊、溶氧水DO（Dissolved Oxygen）值檢測模塊。

研制的增氧灌溉管路曝氣裝置作為水肥一體化智能設(shè)備中的增氧模塊，開展水肥一體化技術(shù)與裝備示范應(yīng)用，智能設(shè)備在寧波農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院東錢湖基地開展示范應(yīng)用，增氧效果明顯，設(shè)備應(yīng)用如圖8所示。

5 結(jié)論

在不同喉部孔直徑、湍流腔厚度、出口角度以及出口個數(shù)的條件下，研究其對曝氣頭內(nèi)部負壓區(qū)域、湍流強度區(qū)域以及流量大小的影響。在曝氣頭計算仿真基礎(chǔ)上，得到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，完成了微納米氣泡發(fā)生裝置試驗平臺搭建，研制增氧灌溉管路曝氣裝置。

將計算得到的曝氣頭利用3D打印進行成型，在智能水肥一體化技術(shù)基礎(chǔ)上，增加增氧灌溉管路曝氣裝置，完成了智能水肥氣灌溉設(shè)備示范應(yīng)用，該設(shè)備具有增氧效率高、體積小、曝氣頭可直接安裝設(shè)備，形成封閉的灌溉管路系統(tǒng)，在增氧灌溉領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]張敏.加氣灌溉條件下溫室甜瓜生長效應(yīng)的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[2]Bagatur T.Evaluation of Plant Growth with Aerated Irrigation Water Using Venturi Pipe Part[J].Arabian Journal for Science and Engineering，2014，39（4）：2525-2533.

[3]張璇，牛文全，甲宗霞.根際通氣量對盆栽番茄生長、蒸騰量及果實產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27（28）：286-290.

[4]Niu W， Guo Q， Zhou X， et al.Effect of Aeration and Soil Water Redistribution on the Air Permeability under Subsurface Drip Irrigation[J].Soil Science Society of America Journal，2012，76（3）：815.

[5]郭超，牛文全.根際通氣對盆栽玉米生長與根系活力的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，18（06）：1194-1198.

[6]王簾里，翟國亮.通氣對土壤肥力質(zhì)量影響的研究進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2016，32（05）：90-95.

[7]孫周平，郭志敏，王賀.根際通氣性對馬鈴薯光合生理指標(biāo)的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報，2008（03）：125-128.

[8]李勝利，齊子杰，王建輝，等.根際通氣環(huán)境對盆栽黃瓜生長的影響[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008（03）：280-282.

[9]Bhattarai S P， Midmore D J， Pendergast L. Yield， water-use efficiencies and root distribution of soybean， chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols[J]. Irrigation Science， 2008，26（5）：439-450.

[10]程峰，姚幫松，肖衛(wèi)華，等.不同增氧滴灌方式對香芹生長特性的影響[J].灌溉排水學(xué)報，2016，35（03）：91-94.

（責(zé)任編輯 李媛媛）

收稿日期：2020-11-18

基金項目：寧波市科技局計劃項目（項目編號：2017C10039）;中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項資金項目（項目編號：2019C10103）

作者簡介：徐璟（1979-），女，碩士，副教授。研究方向：智能控制和信息化等。