張建闊，李加念

(昆明理工大學 現(xiàn)代農業(yè)工程學院，昆明 650500)

0 引言

水和肥是農作物生長的重要影響因素，而灌溉施肥質量的好壞直接影響農作物生長的優(yōu)劣。目前,我國農業(yè)生產中水肥的利用率較為低下，不僅增加了生產成本投入，還對農業(yè)水土環(huán)境造成污染。水肥一體化灌溉施肥技術既能實現(xiàn)水肥資源的集約利用，又能最大限度地降低肥液過多利用對環(huán)境產生的污染，這在很多發(fā)達國家已經成為一種標準化方式。低壓滴灌技術是一種能量優(yōu)化的水肥一體化灌溉技術，不僅具備常壓滴灌施肥技術的優(yōu)點，還可以降低灌溉系統(tǒng)的建設成本和運行成本，是未來滴灌技術發(fā)展的一個重要方向[1]。滴灌施肥質量的優(yōu)劣在很大程度取決于施肥裝置的好壞，目前國內外常用的施肥裝置有水力驅動注入式[2]、機械驅動注入式[3]、壓差式[4]及文丘里吸入式等[5-7]等，而文丘里施肥器因其結構簡單、成本低和無需外部動力等優(yōu)點，被作為一種常用灌溉施肥裝置在我國廣泛應用。由于在實際應用中所需進口壓力較高、壓力損失較大等問題，導致文丘里施肥器在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中使用具有很大的局限性。鑒于此現(xiàn)狀，很有必要研究在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中對施肥器吸肥效率的影響。相關文獻表明，結構參數的優(yōu)劣文丘里施肥器吸肥性能具有較大的影響。為了適應低壓灌溉施肥系統(tǒng)，關鍵是文丘里施肥器進口壓力進行有效地降低，從而保持較高地文丘里施肥器吸肥效率。近些年來，關于文丘里施肥器的研究主要集中在基于CFD的數值模擬分析方法[8-10]、理論分析與試驗測試驗證方法[11-14]，以及分析吸肥性能與文丘里施肥器結構參數之間的關系上，并在此基礎上對結構參數進行優(yōu)化[15-19]等方面，都取得了較好的結果。但是，目前的研究對于在低壓灌溉施肥系統(tǒng)中的文丘里施肥器的試驗研究鮮有涉及。為此，本文基于本團隊成員通過CFD模擬技術已經設計好的一款文丘里施肥器，在低壓灌溉系統(tǒng)中，進行吸肥性能試驗分析，以期得到進口壓力與吸肥性能的關系，為低壓文丘里施肥器的研究提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

由于文丘里施肥器進行施肥的工作原理是通過進出口壓差，使得流經喉部水流產生負壓，肥液通過吸肥口壓入文丘里施肥器進行灌溉施肥，其灌溉濃度的主要因素取決于文丘里管進出口壓差的大小。本試驗選用某種固定結構的文丘里施肥器，如圖1所示。文丘里施肥器主要由進口直管段、出口直管段、收縮段、擴散段及喉部5部分組成。其主要結構參數分別為：a=b=25 mm，A=a1=8 mm，B=C=20 mm，λ=0.32，α=25°，β=7°，吸肥口角度γ=135°。其中，α為收縮段的收縮角，無量綱；λ為喉管直徑a1與進口直徑a的比值；β為擴散段的擴散角；b為出口直徑；B為進口直管段長度；C為出口直管段長度。

圖1 文丘里施肥器結構圖

1.2 試驗裝置

本試驗在昆明理工大學現(xiàn)代農業(yè)工程學院樓梯間內進行，試驗裝置如圖2所示。文丘里施肥器進口水源由蓄水箱提供，肥液由肥液桶提供，在本試驗過程中由常溫清水代替，水和肥混合后流入水肥混合桶內。整個裝置采用串聯(lián)方式安裝文丘里施肥器，裝置連接管道均采用PVC管，主管道管徑均均為32 mm，且在進出口處分別安裝LWGY-20的流量變送器，兩只流量變送器的精度均為±0.5%，用以檢測主管道進出口流量，進而計算文丘里施肥器的吸肥流量。文丘里施肥器進出口端分別安裝壓力變送器(量程0.6 MPa，0.5級),用以控制文丘里施肥器的進出口壓力。

圖2 文丘里施肥器試驗裝置圖

1.3 試驗方法

本論文的目的是研究低壓灌溉系統(tǒng)中文丘里施肥器的吸肥性能，出口設置為自流狀態(tài)，即出口壓力設置為0；改變文丘里施肥器進口壓力是通過調節(jié)進口閥門的開度大小實現(xiàn)。試驗過程中，進口壓力設計了0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1MPa共 10個水平，出口壓力始終保持為0，記錄下每個進口壓力條件下通過文丘里施肥器的進口流量、出口流量，并對其數據進行計算。在試驗過程中，對肥液桶進行實時補水，使得文丘里施肥器喉部的吸肥口與肥液桶液面高度差始終保持在500mm。所有試驗數據在試驗進出口壓力穩(wěn)定3 min后讀取，每組試驗重復進行5次并取其均值作為結果，試驗介質采用常溫清水。

文丘里施肥器吸肥性能主要采用進口流量比M、吸肥效率η和肥液濃度θ這3個指標進行衡量，即

(1)

(2)

(3)

其中，q為吸肥流量；Q為進口流量(m3/h)；P1、P2和P3分別為文丘里施肥器進口壓力、出口壓力及吸肥口壓力(MPa)；M為文丘里施肥器進口流量比(%)；η為文丘里施肥器吸肥效率(%)；θ為文丘里施肥器出口水肥混合后的肥液濃度，能直觀反映文丘里施肥器性能的優(yōu)劣(%)。

2 結果與分析

2.1 進口流量比與進口壓力的關系

文丘里施肥器進口壓力在0～0.1MPa下的進口流量比試驗結果如圖3所示。

圖3 進口流量比與進口壓力的關系

文丘里施肥器進口壓力在0.006MPa時，達到臨界條件；當進口壓力在0.006～0.05MPa范圍內變化時，進口流量比隨進口壓力的增加呈一定比例增大，進口流量比從0快速增加到11.17%；當進口壓力在0.05～0.1 MPa范圍內增加時，進口流量比增加趨于平緩，進口流量比從11.17%增至12.23%。試驗結果表明：在出口為自流狀態(tài)時，進口流量比隨著進口壓力的增加而增大；當進口壓力增加到一定值后，文丘里施肥器工作性能達到最優(yōu)狀態(tài)；隨著進口壓力的繼續(xù)增加，進口流量比不再隨著進口壓力的增加而增大，進口流量比數值趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 吸肥流量與進口壓力的關系

文丘里施肥器進口壓力與吸肥管的吸肥流量關系如圖4所示。在出口壓力一定的情況下，其吸肥流量隨著進口壓力的增加而增大；當進口壓力增加到一定值后繼續(xù)增加，文丘里施肥器吸肥流量增加逐漸趨于平緩。試驗結果表明：文丘里施肥器進口壓力在0.006～0.07MPa范圍內，其吸肥流量從0快速增加至0.245m3/h；當進口壓力繼續(xù)增加時，其吸肥流量增加較為緩慢；進口壓力從0.07MPa增加至0.1MPa時，進口流量從0.245m3/h增加到0.281m3/h。結果分析可知：當文丘里施肥器進口壓力為0.07MPa時，其吸肥流量達到最佳。

圖4 吸肥流量與進口壓力的關系

2.3 肥液濃度與進口壓力的關系

文丘里施肥器施肥濃度與進口壓力的關系如圖5所示。文丘里施肥器肥液濃度隨進口壓力的增加而增大；當文丘里施肥器進口壓力增大到一定值后，隨著進口壓力的增加，肥液濃度增大緩慢，并穩(wěn)定于一固定值。試驗結果表明：當出口為自流狀態(tài)、文丘里施肥器進口壓力在0.006～0.05MPa范圍內增加時，肥液濃度從0快速增加至10.04%；進口壓力繼續(xù)增大至0.1MPa時，肥液濃度從10.04%增加到10.89%。與現(xiàn)有的文丘里施肥器的吸肥性能相比，其達到臨界吸肥進口壓力可以降低至0.03MPa；但該施肥器吸肥濃度很小，當進口壓力增加至0.1MPa時，肥液濃度才能達到最大值為10%[6]。本試驗基于CFD模擬技術優(yōu)化得出的文丘里施肥器，并對其進行實測得出，該施肥器吸肥臨界進口壓力為0.006MPa、施肥器進口壓力為0.05MPa時，肥液濃度的最大值可達到10.04%，該濃度能滿足在實際灌溉施肥情況下的施肥濃度要求[20]。

圖5 肥液濃度與進口壓力的關系

2.4 吸肥效率與進口壓力的關系

吸肥效率與進口壓力的關系如圖6所示。當進口壓力在0.01～0.05MPa之間增大時，文丘里施肥器實測吸肥效率從2.89%快速單調遞減至1.117%；當進口壓力逐漸增加至0.1MPa時，實測吸肥效率平緩地從1.117%單調遞減至0.61%。文丘里施肥器吸肥效率與肥液濃度的試驗實測結果分析表明：當文丘里施肥器出口為自流狀態(tài)、進口壓力為0.05MPa時，其吸肥性可以達到實際灌溉需求。

圖6 吸肥效率與進口壓力的關系

3 結論

基于CFD模擬技術結構優(yōu)化后的文丘里施肥器進口壓力為0.05MPa時，進口流量比達到11.17%，肥液濃度達到10.04%，且吸肥效率為1.117%；當進口壓力為0.07MPa時，吸肥流量為0.245m3/h。

文丘里施肥器在灌溉施肥過程中灌溉施肥濃度是評價文丘里施肥器性能優(yōu)劣的主要考慮因素，通過對試驗肥液濃度分析表明：該結構文丘里施肥器出口為自流狀態(tài)、進口壓力在0.05 MPa時，其吸肥性能達到最佳，且施肥濃度達到10.04%，能夠滿足實際的灌溉施肥要求。