水肥一体化施肥机变量吸肥系统的设计与试验

田 莉，李家春，赵先锋，张 雷，王永涛，陈跃威

(1.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025；2.贵州省水利科学研究院，贵阳 550002；3.贵州东峰自动化科技有限公司，贵阳 550025)

0 引言

液体肥料是一类广泛应用于农业生产中的肥料，具有生产成本低、施加方便、作物易吸收及促进作物增产的效果[1]。农业生产中，发达国家的液体肥料已经普及到40%左右，如美、英、德、荷兰、墨西哥等国家均在农业生产中使用各种液体肥料[2]。在以色列，田间几乎百分百施用液体肥料。水肥一体化技术通过压力系统将N、P、K等类型单元素液体肥料进行定量定比水肥混合，通过灌溉管网进行作物灌溉，能够对灌溉水量和施肥量进行有效控制，提高水肥利用率[3]。水肥一体化是一种让肥料高效发挥作用的施肥方法，适用于所有作物，越来越多的种植户已认识到液体肥料灌溉比直接撒施颗粒肥效果好。

目前，我国在作物固态肥料的按需施用方面研究居多[4-5]。针对水肥一体化灌溉的发展趋势，本文对水肥一体化施肥机关键部件—吸肥系统进行结构设计，并对吸肥通道的变量吸肥展开研究，运用FloEFD对吸肥系统吸肥性能进行仿真分析，通过田间试验验证其可行性，为水肥一体化自动施肥机的研究提供了参考依据。

1 吸肥系统结构设计与工作原理

1.1 三通道吸肥系统结构

三通道吸肥系统在现有射流器的基础上进行结构设计，如图1所示。此装置主要由进水口、射流器吸肥口和水肥混合液出口3部分组成。射流器通过PVC变径三通、PVC管与进水口、水肥混合液出口相连，构造完整吸肥系统模式，布置的3个射流器可以实现同时对3种不同类型单元素液体肥料的吸取[6]。

射流器选用标准型号SSQ-200，参数均在国家标准范围内，进、出口内径为25mm，吸肥口内径为9mm。依据射流器的规格尺寸，选用PVC变径三通40mm×25mm。

吸肥系统工作运行时，施肥机在水泵动力作用下进水口有恒压水流入，水流流经射流器喷嘴渐缩段处，随横截面积的减小，水流压强增大，水流速度也随之增大。根据射流器的工作原理，吸入室产生的真空负压与外界气压形成压差，利用压强差将单元素液体肥料从与射流器吸肥口吸入吸肥系统，与水进行充分混合经水肥混合液出口排出。

1.2 射流器吸肥原理

射流器普遍应用于小型灌区灌溉中，具有操作方便、体积小、结构简单、造价低廉、无运动部件、无需有压容器存放药液及施肥浓度稳定等特点。通过对射流器的并联可实现比例施肥，得到了较广泛的应用。射流器主要由喷嘴、吸入室、喉管及扩散管等组成射流器型号SSQ-200,如图2所示。

1.吸入室 2.喷嘴 3.喉管 4.扩散管

射流器工作原理：当具有一定压力的水流由喷嘴处以一定速度喷出时，此过程中水流流经的管径减小，水流流速增大，将压力能转为动能，使吸入室压力降低产生真空，低压流体在吸入室被吸入[7]；两股流体在喉管处充分混合，并进行分子扩散和能量交换，速度达到均衡状态；混合流体达到扩散管处，水流流速降低压力增大，流体以一定压力输出。

射流器吸取肥液的流量q为[8]

(1)

式中A—射流器吸肥口截面积(Pa)；

h—施肥罐液面到射流器的垂直距离，在上时取负，在下时取正；

p2—射流器喷嘴处压强(Pa)；

γ—液体肥料的密度。

根据伯努利方程，p2可表示为

(2)

式中p2—射流器喷嘴处压强(Pa)；

p1—射流器进口压强(Pa)；

∂1—射流器进水口处横截面积(m2)；

∂2—射流器喷嘴处横截面积(m2)；

γ′—水的密度(N/m3)；

O′—进水口流量(m3/s)。

将式(2)代入式(1)得

(3)

根据公式(3)可知：影响射流器液肥对吸入量的因素有水流量O′、进口压力p1、射流器进水口横截面积∂1、喷嘴横截面积∂2及吸肥口截面积A。

1.3 吸肥系统运行原理

施肥机旁路助肥系统试验原理如图3所示。

1.上主管道压力表 2.射流器 3.浮子流量计 4.单元素肥液罐 5.下主管道压力表 6.水肥混合液出口 7.加压泵

系统运行时，启动射流器吸肥工作的工作压差由加压泵提供，加压泵连接在吸肥系统上主管道入口处，达到为上端多孔管提供恒压水源的要求；有压水源流经射流器时，使吸入室的压力降低产生真空，完成吸肥过程。三射流器并联可实现同时对3种液体肥料的吸取，水肥混合液由下主管道出口输出，通过铺设的灌溉管网进行作物水肥一体化灌溉[9]。

2 基于FloEFD吸肥系统仿真分析

运用计算流体动力学软件FloEFD进行吸肥系统仿真分析，以进一步掌握内部流场情况。FloEFD是一款无缝集成在SolidWorks中功能齐全的通用CFD工具，还有无缝集成在Inventor、SolidEdge及其他主流MCAD系统的独立版本[10]。运用此软件对混肥系统注水口、吸肥口及水肥混合液出口进行边界条件设定后进行流体仿真分析，可以比较直观地模拟混肥系统中速度流向、速度及压强等参数的变化情况。

2.1 网格生成

为了加快模型流场分析的效率，在不影响准确性的前提下，将SolidWorks三维建模的吸肥系统简化后进行网格划分，计算区域选择整个系统结构[11]。坐标原点取在注水口断面圆心处，x轴为沿上主管道流动正方向，y轴为沿pvc管流动负方向，z轴为沿射流器吸肥口流动负方向。网格划分采用六面体网格，在管道分岔处进行局部网格加密，采用粘合性较好的四面体网格，总网格数443 309，网格划分如图4所示。

图4 吸肥系统网格划分

2.2 边界条件的设定

旁路助肥式吸肥系统中，设定三通道吸肥系统吸肥口边界条件均设定为大气环境压力101 325Pa；

注水口为该系统的动力源，压力设定从0.5MPa开始，以0.02MPa梯度增大或减小；水肥混合出口边界条件设定从0.1MPa开始，以0.02MPa梯度增大或减小[12]，共设置5组边界方案。

仿真分析边界方案参数设定如表1所示。

表1 仿真分析边界方案参数设定

2.3 仿真结果分析

运用FloEFD通过对三通道吸肥系统5种边界条件进行仿真对比分析，如表2所示。

取边界条件进口压力0.5MPa、出口压力0.1MPa为例进行展示。吸肥系统压强、速度流动迹线图如图5所示，射流器静压、速度切面图如图6所示。

由图5可以看出：三通道吸肥系统进口压力0.5MPa、吸肥口1个大气压、出口压力0.1MPa时，吸肥通道能够完成吸肥工作，且实现与注水口水源的混合及输出效果，满足设计要求。吸肥系统上主管道压强高于下主管道，从而使射流器进出口产生压差，符合射流器的吸肥工作原理，实现了三吸肥通道的吸肥设计要求。

由图6可以看出：流体在射流器喷嘴处压力出现最小值，速度达到最大值，验证了伯努利方程，符合射流器吸肥工作原理。

表2 各通道仿真数值

“+”表示液体肥料或灌溉水进入吸肥系统；“-”表示液体肥料或灌溉水输出吸肥系统。

图5 吸肥系统压强、速度流动迹线图

图6 射流器静压、速度切面图

3 吸肥通道变量吸肥控制器设计

基于以上对吸肥系统最大吸肥量的仿真分析，在仿真数据的基础上对实现固定时间段内不同吸肥通道变量吸肥进行控制设计[13]。首先，在三射流器吸肥口进行吸肥通道的设计，吸肥通道上设置手动阀调节流量；浮子流量计对吸肥通道进行流量显示；采用电动阀实现对各通道的变量吸肥控制。为实现对电动阀的启闭控制，选用西门子PLC S7-200及STEP7- Micro/WIN对其编程，选用MCGS触摸屏与PLC进行通讯操作。控制部分如图7所示。

图7 控制器图

依据常闭型电动阀在断电时阀门处于关闭状态这一特性，通过脉冲分配的方式控制电动阀的启闭，完成各通道对不同类型单元素液肥的变量吸取。将整个施肥时间段依据实际需求等分成多个脉冲时间段，设整个施肥时间段长为T，电动阀的开启一次时间为t，电动阀关闭一次时间为t′，则(t+t′)组成电动阀1个启闭周期,得整个施肥时间段T内电动阀启动总次数为T/(t+t′)。

实际施肥时间段内，各通道吸肥量Q公式为

Q=q·t·n

(4)

式中Q—各通道吸肥量(m3)；

q—试验中浮子流量计显示各通道吸肥流量(m3/s)；

t—1个脉冲电动阀开启的时间(s)；

n—实际施肥时间段内，控制器对各通道电动阀的启动次数。

依据作物不同类型液体肥料的需肥量，通过对各通道电磁的启闭进行不同的脉冲分配，就可以实现对各通道的变量吸肥。不同脉冲分配如图8所示。

图8 不同脉冲分配图

4 性能试验

4.1 试验设计

根据三维模型各部件标准规格参数进行设备选型及施肥机样机搭建，进一步对吸肥系统进行性能试验。于2018年4月25日在贵州大学机械工程学院实验基地依托其基础条件，进行吸肥性能试验，如图9所示。试验中注水口压力0.5MPa，出口压力0.1MPa，吸肥口为大气压力。

图9 试验现场图

首先，对吸肥系统各通道最大吸肥量进行试验。试验时，在启动电源总开关和水泵之后，需控制三吸肥通道上安装的电动阀处于开启状态，手动阀调至全开状态，待三通道浮子均稳定后读数据。其次，运用PLC进行定量吸肥的程序设计，运用控制器控制电磁阀的不同开度，对各吸肥通道进行变量吸肥试验。

4.2 试验结果与分析

试验中记录各通道流量数据，重复测量4次，取平均值作为最大吸肥量最终结果[14]。试验数据如表3所示。

表3 吸肥通道吸肥量数据对比统计表

由表3可以看出：各通道吸肥量误差、吸肥系统三通道吸肥量实测数据与仿真数据施肥精度最高可达98.1%，各通道对单素液肥吸取精度较高。试验中，通过控制器控制电动阀不同开度，各通道达到对不同类型单元素液肥定量吸取的效果。

5 结论

1)应用SolidWorks设计了基于射流器并联的三通道旁路助肥式吸肥系统，并应用FloEFD进行吸肥系统流场分析，获得了三通道旁路助肥式自动施肥机吸肥系统的流场参数及可视化图像。

2)仿真分析结果表明：吸肥系统的吸肥量与进水口压力正相关，与出口压力负相关，且吸肥量随进出口压差的增大而增大。通过仿真分析，验证了射流器的吸肥工作原理。

3)针对注水口压力0.5MPa、出口压力0.1MPa、吸肥口为大气压力的边界条件进行吸肥性能试验。试验表明：三通道吸肥系统能够满足对3种不同类型单元素液肥肥料的吸取要求，吸肥精度可达98.1%，

4)试验中，以由西门子PLC S7-200、STEP7- Micro/WIN及MCGS触摸屏等组成的控制器系统，结合吸肥通道浮子流量计、手动阀及电动阀机械部件实现了各吸肥通道的变量吸肥。