文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)特性及吸肥性能研究

文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)特性及吸肥性能研究

灌溉和施肥一體化是有效節(jié)水灌溉技術(shù)的重要特征。灌溉和施肥的質(zhì)量取決于施工現(xiàn)場(chǎng)的類型和性能。目前，國內(nèi)外廣泛使用的施肥設(shè)備包括壓力罐、文丘施肥裝置、水力驅(qū)動(dòng)施肥泵（如比例泵）和電鉻施肥泵（如隔膜泵和活葉泵）。其中，文丘施肥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，無動(dòng)力，深受國內(nèi)外灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用。文丘施肥裝置的主體由三個(gè)部分組成：收縮段、頸部和擴(kuò)散段。頸部的大小是最大的，勞動(dòng)水的流量是最大的。同時(shí)，勞動(dòng)水和肥料溶液混合在一起，其內(nèi)部流動(dòng)非常復(fù)雜。因此，頸部的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)文丘施肥裝置的吸肥性能有很大影響。為了將文丘施肥裝置在低進(jìn)口壓力下吸收肥料，降低內(nèi)部流動(dòng)的水手損失，許多研究者在文丘施肥裝置的工作性能上進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，初步確立了結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸肥性能之間的關(guān)系，但未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值計(jì)算方法。在文丘施肥裝置結(jié)構(gòu)相似的情況下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能分析了許多應(yīng)用。因此，在本文中，使用fd技術(shù)和fluent軟件對(duì)文丘施肥裝置的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了氣體吸收的外部直徑對(duì)吸肥性能的影響。1材料和方法1.1喉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所研究的文丘里施肥器的內(nèi)部流道如圖1所示.喉管的進(jìn)口直徑dt1(收縮段最小直徑)、出口直徑dt2(擴(kuò)散段最小直徑)和喉管長(zhǎng)度Lt結(jié)構(gòu)參數(shù)及吸肥口進(jìn)直徑d3對(duì)吸肥性能影響較大,參照文獻(xiàn)中射流泵喉管長(zhǎng)度推薦范圍,取Lt=dt1,此外還規(guī)定d3=Lt.因此通過改變進(jìn)口直徑dt1和出口直徑dt2就可以設(shè)計(jì)出不同的喉管結(jié)構(gòu),并用無量綱λ表示dt2與dt1之比.計(jì)算分析中,dt1取4,5,6mm,λ取1.0,1.1,1.2,1.3和1.4,共設(shè)計(jì)了15組結(jié)構(gòu)方案,其中以下尺寸保持不變:d1=15.6mm,d2=22mm,d4=25.2mm,L1=L2=15mm,L3=L4=15mm,L5=53mm,L6=92mm,α=13.3°,β=6.5°.為表述方便,各種計(jì)算方案用符號(hào)a-b表示,其中a為dt1值,b為λ值.1.2網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格劃分文丘里施肥器三維計(jì)算域模型建立和網(wǎng)格劃分均是由Gambit軟件完成,坐標(biāo)原點(diǎn)取施肥器的進(jìn)出口與吸肥管的中心線交點(diǎn),取沿出口端中心線為x軸.為提高計(jì)算效率和計(jì)算精度,將計(jì)算域劃分成4個(gè)子區(qū)域,如圖1所示,區(qū)域1為進(jìn)口直管段和收縮段,區(qū)域2為擴(kuò)散段和出口直管段,區(qū)域3為喉管,區(qū)域4為吸肥管部分.擴(kuò)散段與喉管交接處是2種流體發(fā)生混合的位置,幾何尺寸小,因此在擴(kuò)散段的前端進(jìn)行部分加密,采用0.1mm的邊界層網(wǎng)格.各區(qū)域的網(wǎng)格劃分結(jié)果為:區(qū)域1和2采用0.4mm的cooper網(wǎng)格,區(qū)域3采用0.1mm的Tgird網(wǎng)格,區(qū)域4采用0.2mm的cooper網(wǎng)格.整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)約200000.1.3模型求解方法計(jì)算中工作流體和吸入流體均為水.對(duì)文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)采用三維雷諾時(shí)均N-S方程,比較了標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-ε和Realizablek-ε3種湍流模型的計(jì)算精度,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算最穩(wěn)定,所預(yù)測(cè)的進(jìn)口壓力與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于其他2種模型,而RNGk-ε模型在某些計(jì)算工況無法收斂,最終文中選擇應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.求解方法采用SIMPLEC算法,離散格式中的壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式,對(duì)流項(xiàng)應(yīng)用二階迎風(fēng)格式.邊界條件中2個(gè)進(jìn)口均采用速度入口,初始速度根據(jù)文獻(xiàn)中5×5型文丘里施肥器試驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)口流量Q1和吸肥流量q,分別由公式v1=4Q1/(πd2112)和v3=4q/(πd2332)求得;出口采用壓力出口p2,由試驗(yàn)測(cè)得.壁面按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理.為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的正確性,構(gòu)建了文獻(xiàn)中5×5型文丘里施肥器三維模型,應(yīng)用上述方法對(duì)5×5型文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬工況:進(jìn)口流速v1=2.267m/s,吸肥流速v3=14.925m/s,出口壓力p2=0.1MPa.數(shù)值模擬得到的進(jìn)口壓力值0.239MPa與進(jìn)口壓力實(shí)測(cè)值0.25MPa的相對(duì)誤差為4.4%,表明建立的計(jì)算模型和數(shù)值方法分析文丘里施肥器內(nèi)部流場(chǎng)并預(yù)測(cè)其性能和效率是可靠的.1.4文丘里施肥器3ge1-e參照文獻(xiàn)關(guān)于射流泵工作特性的分析方法,建立文丘里施肥器的無因次性能指標(biāo)M=qQ1Μ=qQ1,(1)N=e2?e3e1?e2Ν=e2-e3e1-e2,(2)η=M×N×100％=qQ1×e2?e3e1?e2×100％,(3)η=Μ×Ν×100％=qQ1×e2-e3e1-e2×100％,(3)式中:Q1,q分別為進(jìn)口流量和吸肥流量;M為施肥器流量比;e1,e2,e3分別為文丘里施肥器進(jìn)口總壓、出口總壓、吸肥口總壓;N表示施肥器總壓比;η表示吸肥效率.M反映了文丘里施肥器吸肥能力的大小,N則反映了文丘里施肥器能量損失的大小,M和N的乘積則表示了文丘里施肥器的綜合吸肥效率.2結(jié)果與討論2.1dt1不變時(shí)通過比較不同喉管直徑、直徑比條件下文丘里施肥器吸肥效率η和流量比M之間的關(guān)系曲線,分析喉管參數(shù)對(duì)吸肥性能的影響,結(jié)果如圖2所示.可以看出,對(duì)于一定的dt1和λ,施肥器的吸肥效率η隨著流量比M的增大呈上升趨勢(shì).當(dāng)dt1不變時(shí),吸肥效率在1.0≤λ≤1.2范圍內(nèi)隨著λ的增大而呈顯著增大;當(dāng)1.2≤λ≤1.3時(shí),吸肥效率η較高,而且相對(duì)穩(wěn)定;但當(dāng)λ>1.3時(shí),吸肥效率η卻呈下降趨勢(shì).圖2a中未給出λ=1.4的計(jì)算結(jié)果,是由于該工況計(jì)算不收斂.當(dāng)λ不變時(shí),隨著喉管進(jìn)口直徑dt1的增大,文丘里施肥器吸肥性能略微有所改善,如圖3所示.用雙因素方差分析不同M值條件下喉管進(jìn)口直徑dt1和喉管直徑比λ對(duì)文丘里施肥器吸肥性能的影響.方差分析中,直徑比λ取1.0,1.1,1.2和1.3,喉管進(jìn)口直徑dt1取4,5,6mm.表1給出了M=0.069的方差分析結(jié)果.可見,在一定范圍內(nèi),直徑比λ對(duì)文丘里施肥器吸肥性能的影響程度要大于dt1.2.2文丘里施肥器的性能測(cè)試結(jié)果對(duì)λ為1.2和1.3的6組文丘里施肥器的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到了吸肥效率η與流量比M之間的拋物線回歸模型,如表2所示,吸肥效率和流量比之間具有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2都大于0.99.進(jìn)一步對(duì)建立的擬合公式進(jìn)行求導(dǎo),求得文丘里施肥器的最大效率值ηmax和相應(yīng)的最優(yōu)流量比M1.M1的物理意義表示當(dāng)實(shí)際運(yùn)行過程中,如果流量比M超過M1時(shí),文丘里施肥器喉管處開始出現(xiàn)空化,導(dǎo)致吸肥性能不穩(wěn)定或下降,并伴隨劇烈振動(dòng).通過比較ηmax和M1,可見4-1.3型文丘里施肥器吸肥性能最優(yōu).2.3擴(kuò)散段溫度持續(xù)空化率計(jì)算單比較分析如圖4所示的4-1.0,4-1.3型2種文丘里施肥器z=0截面的壓力分布圖,可以發(fā)現(xiàn)在相同初始條件下,λ=1.3的文丘里施肥器在喉管處的真空度約為0.04MPa,而λ=1.0的喉管處真空度約為0.02MPa,表明當(dāng)λ=1.3的文丘里施肥器的喉管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓更大,更利于吸肥.喉管內(nèi)兩股流體混合后流量增大,對(duì)于λ=1.0來說,擴(kuò)散段進(jìn)口不變條件下混合流體的速度增大,而且流速方向也發(fā)生較大變化,內(nèi)部流場(chǎng)紊亂,如圖4a所示,在擴(kuò)散段進(jìn)口端約3mm范圍內(nèi)的最低壓力達(dá)到了-0.1MPa,低于空化壓力-0.09MPa,表明已經(jīng)出現(xiàn)空化;而對(duì)于λ=1.3來說,喉管及擴(kuò)散段進(jìn)口內(nèi)壓力變化均勻,最低壓力高于空化壓力,如圖4b所示.4-1.0,4-1.3型2種文丘里施肥器喉管與擴(kuò)散段的內(nèi)部流線情況如圖5所示.可以看出,在相同的初始條件下,在λ=1.0時(shí)施肥器的擴(kuò)散段下方存在一個(gè)較大的漩渦,可能是擴(kuò)散段進(jìn)口處過低的負(fù)壓區(qū)向下游延伸及吸肥口位于喉管正下方等原因所致.漩渦回流將損耗流體能量,降低吸肥效率,影響文丘里施肥器的工作性能.而λ=1.3時(shí)文丘里施肥器在擴(kuò)散段下方無明顯漩渦,內(nèi)部流動(dòng)平順,這也證明了4-1.3型文丘里施肥器的吸肥性能要好于4-1.0型.進(jìn)一步分析喉管直徑對(duì)文丘里施肥器內(nèi)部湍動(dòng)能的影響,分別觀察4-1.0和4-1.3型文丘里施肥器x為2,40,77mm3個(gè)垂直于x軸的橫截面的湍動(dòng)能分布.x=2mm截面是擴(kuò)散段進(jìn)口斷面,x=40mm截面通過4-1.0型擴(kuò)散段的漩渦中心,x=77mm截面是擴(kuò)散段的出口斷面.由表3可知,在相同的初始條件下,λ=1.0時(shí)文丘里施肥器3個(gè)截面的平均湍動(dòng)能均大于λ=1.3,且沿著x方向均呈先增后降的趨勢(shì).3文丘里施肥器喉管直徑比對(duì)吸肥效率的影響利用Fluent軟件對(duì)文丘里施肥器的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,預(yù)測(cè)分析了吸肥性能.在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上分析比較了文丘里施肥器喉管進(jìn)口直徑dt1和