基于Fluent的智能水肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

　　摘要:以水肥一體機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)水肥一體機(jī)灌溉過程及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定了水肥一體機(jī)系統(tǒng)方案。利用Fluent軟件對(duì)水肥一體機(jī)中肥液混合管道以及管道中肥液的流速和湍流強(qiáng)度等特性進(jìn)行分析，確定所選用管道形式為一種4次折彎的主管道，可達(dá)到水肥在管道中自動(dòng)混合均勻的目的。仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著灌溉點(diǎn)距水源位置的增加，肥液湍流強(qiáng)度基本不變，肥液流速逐漸降低，導(dǎo)致遠(yuǎn)端灌溉位置的集水量相對(duì)較低。

　　關(guān)鍵詞:水肥一體機(jī);Fluent;水肥耦合液;湍流強(qiáng)度

　　0引言

　　在農(nóng)田灌溉過程中，灌溉過程與施肥過程獨(dú)立進(jìn)行，造成水肥不同步現(xiàn)象，肥料利用率低。另外，肥料在土壤中大量囤積，導(dǎo)致土壤中有機(jī)物質(zhì)分解、土壤板結(jié)變硬、存水性能降低，使作物生長過程中出現(xiàn)脫肥早衰[1]。水肥一體機(jī)能夠有效解決傳統(tǒng)灌溉過程中出現(xiàn)的各種問題，節(jié)省大量的水資源，且安裝使用方便，可在大面積農(nóng)田中使用[2]。

　　水肥一體機(jī)通常由水源、加壓系統(tǒng)、配水管網(wǎng)和噴灌裝置組成。筆者針對(duì)大面積農(nóng)田灌溉過程中使用的水肥一體機(jī)進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析，利用Fluent模塊對(duì)水肥一體機(jī)灌溉系統(tǒng)中的管道和灌溉口處的水流特性進(jìn)行分析，為水肥一體機(jī)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及使用過程提供理論依據(jù)。

　　1水肥一體機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

　　水肥一體機(jī)通過對(duì)管道內(nèi)的流體特性進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)供水和供肥，同時(shí)采用流體混合方式，對(duì)水肥進(jìn)行混合控制，并根據(jù)作物生長過程特性進(jìn)行水肥灌溉控制。水肥一體機(jī)主要包含水泵、肥泵、過濾裝置、流量計(jì)、壓力傳感器、控制裝置和管網(wǎng)[3-5]。

　　灌溉時(shí)，灌溉用水經(jīng)過水泵進(jìn)行加壓，進(jìn)入灌溉主管道，肥液罐中的肥料母液根據(jù)使用需求，在肥泵的加壓作用下，按照一定的流量進(jìn)入管道中，與水進(jìn)行混 合，形成水肥混合液;水肥混合液經(jīng)加壓后，在灌溉管網(wǎng)當(dāng)中進(jìn)行流動(dòng)至灌溉位置[6]，完成灌溉。因受到管網(wǎng)沿程壓力損失影響，需按照灌溉流量需求在不同的管網(wǎng)位置加裝加壓設(shè)備[7]。綜合考慮農(nóng)作物生長環(huán)境、水源以及作物生長實(shí)際需求，確定水肥一體機(jī)灌溉系統(tǒng)的工作技術(shù)參數(shù)。

　　2關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

　　進(jìn)行水肥一體機(jī)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮一體機(jī)設(shè)計(jì)工作參數(shù)及作物生長實(shí)際需求。灌水量是指單次灌溉的水量，與作物持水量、土壤特性以及灌溉面積等特性有關(guān)。假設(shè)當(dāng)前土壤容量γ=1.45g/cm2，灌溉濕潤深度h=40mm，計(jì)劃濕潤比p=1，作物生長田間持水率上限β1=0.9，作物生長田間持水率下限β2=0.6，灌溉水利用系數(shù)η=0.9，水容重λ=1g/cm2，則灌水量為m=10×γ×h×p×β1-β2()ηλ經(jīng)計(jì)算可得，每667m2灌水量為36m3，按照灌溉面積計(jì)算，選取水泵流量為60m3/h。

　　根據(jù)水泵流量，初步設(shè)計(jì)選取直徑100mm的水管為水肥一體機(jī)灌溉主管道。主管道沿程水頭損失為h主=84000×Q1.75主×L主F主D4.75主其中，Q主為主管道流量;D主為主管道內(nèi)徑;L主為主管道長度，L主=50m;F主為分口系數(shù)，F(xiàn)主=0.5。計(jì)算得出主管道沿程水頭損失為11.86。

　　為簡化計(jì)算，假設(shè)局部水頭損失為主管道沿程水頭損失的10%，轉(zhuǎn)接位置水頭損失為5m，由此可得總水頭損失為18.046m。按照工作壓力需求，計(jì)算可得水肥一體機(jī)灌溉系統(tǒng)的工作揚(yáng)程為68.046m，則水泵工作壓力應(yīng)至少為0.69MPa。水肥一體機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，抽水灌溉時(shí)會(huì)帶入大量的雜質(zhì)進(jìn)入水管中，因此在水泵前端選擇粗過濾方式，在水泵之后選擇精過濾方式。粗過濾選擇50目過濾網(wǎng)，精過濾選擇120目過濾網(wǎng)。

　　3流動(dòng)特性仿真

　　在水肥一體灌溉過程中，水肥均勻性與管道形狀、灌溉口與水源之間距離有直接關(guān)系。在水肥混合過程中，可利用管道的彎曲形狀產(chǎn)生渦流，使水肥混合液在慣性作用下達(dá)到混合的目的。在光滑管道中，水肥混合液雷諾數(shù)下限為2100，雷諾數(shù)上限為13800，發(fā)生擾動(dòng)時(shí)水肥混合液層流層發(fā)生變化，形成紊流。筆者通過對(duì)雷諾數(shù)的比較，來判定液體的流動(dòng)狀態(tài):當(dāng)雷諾數(shù)小于2300時(shí)，判定為層流狀態(tài);當(dāng)雷諾數(shù)大于2300時(shí)，判定為紊流狀態(tài)。水肥一體機(jī)灌溉過程中水肥混合液管道中相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

　　在Fluent軟件中，設(shè)定水肥混合液為兩相流，對(duì)水肥混合液進(jìn)行仿真，得到不同的管道形狀中水肥混合過程時(shí)肥液的流動(dòng)軌跡。水肥一體機(jī)主管道內(nèi)肥液軌跡，主管道末端徑向截面內(nèi)肥液軌跡。由此可以看出(d)種形狀管道內(nèi)水肥混合較為均勻，因此選用(d)種管道為水肥一體機(jī)水和肥液的混合主管道。不同灌溉距離內(nèi)，水肥一體機(jī)水肥混合液的流動(dòng)特性與管道內(nèi)壓力、流量、流速、湍流強(qiáng)度、雷諾數(shù)等有關(guān)。

　　本文建立80m長度管道的仿真模型，分別提取管道源頭1m、中部1m以及末端1m處進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及仿真。水肥一體機(jī)管道內(nèi)不同位置仿真過程中所設(shè)置初始參數(shù)。隨著灌溉距離的增加，管道內(nèi)肥液流動(dòng)速度逐漸下降，管道中部的水肥混合液流速約為起始位置的90%，管道末端的水肥混合液流速約為起始位置的65%，管道內(nèi)水肥混合液湍流強(qiáng)度基本保持不變。

　　4試驗(yàn)分析

　　為驗(yàn)證水肥一體機(jī)灌溉過程中的穩(wěn)定性及可靠性，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)過程中，分別測(cè)定距水源不同位置的水量。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)距水源方向間距20m，最遠(yuǎn)點(diǎn)距水源80m，集水量測(cè)量結(jié)果。隨著距離的增加，集水量逐漸減小。在距離水源20m位置處，集水量約為240mL;距離水源80m處，集水量約為85mL;相同距離處，集水量基本相同。

　　5結(jié)論

　　利用Fluent軟件對(duì)水肥一體機(jī)不同管道形狀進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，確定采用一種4次折彎的管道，以達(dá)到水肥自動(dòng)混合均勻的目的。對(duì)距離水源不同距離的位置肥液湍流強(qiáng)度和流速進(jìn)行分析，結(jié)果表明:隨著灌溉距離的增加，水流速度逐漸減小，管道內(nèi)肥液湍流強(qiáng)度基本不變。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]宋成秀，李合營，王雪瑩.水肥一體智能灌溉設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用[J].山東水利，2020(3):43-45.

　　[2]趙彥琳，張宇峰.山丘區(qū)規(guī)模化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬應(yīng)用分析[J].居舍，2020(5):76.

　　[3]趙進(jìn)，張?jiān)�，趙麗清，等.水肥一體化智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40(6):184-190.

　　[4]吳松，李國輝.水肥一體化灌溉系統(tǒng)中的施肥設(shè)備[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2018(10):78-80，83.

　　[5]趙彥琳，張宇峰.基于FLUENT的山丘區(qū)規(guī)�；�灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2018，16(5):208-212，218.

　　[6]彭發(fā)智，張俊杰，焦海濤，等.水肥一體智能化高效精準(zhǔn)灌溉的發(fā)展趨勢(shì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2017(10):23.

　　[7]李愛國，宋聰敏，李和平，等.多功能水肥一體定額灌溉機(jī)的研制與應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(21):7237-7238，7258.

　　作者：姜麗鳳

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