基于Fluent的智能水肥一體機結(jié)構(gòu)設計研究

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

　　關(guān)鍵詞:水肥一體機;Fluent;水肥耦合液;湍流強度

　　0引言

　　在農(nóng)田灌溉過程中，灌溉過程與施肥過程獨立進行，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，導致土壤中有機物質(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。筆者針對大面積農(nóng)田灌溉過程中使用的水肥一體機進行相關(guān)結(jié)構(gòu)設計及理論分析，利用Fluent模塊對水肥一體機灌溉系統(tǒng)中的管道和灌溉口處的水流特性進行分析，為水肥一體機灌溉系統(tǒng)的設計及使用過程提供理論依據(jù)。

　　1水肥一體機總體方案設計

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

　　灌溉時，灌溉用水經(jīng)過水泵進行加壓，進入灌溉主管道，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，按照一定的流量進入管道中，與水進行混 合，形成水肥混合液;水肥混合液經(jīng)加壓后，在灌溉管網(wǎng)當中進行流動至灌溉位置[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)位置加裝加壓設備[7]。綜合考慮農(nóng)作物生長環(huán)境、水源以及作物生長實際需求，確定水肥一體機灌溉系統(tǒng)的工作技術(shù)參數(shù)。

　　2關(guān)鍵零部件設計

　　進行水肥一體機關(guān)鍵零部件設計選型時，應綜合考慮一體機設計工作參數(shù)及作物生長實際需求。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)。假設當前土壤容量γ=1.45g/cm2，灌溉濕潤深度h=40mm，計劃濕潤比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)計算可得，每667m2灌水量為36m3，按照灌溉面積計算，選取水泵流量為60m3/h。

　　根據(jù)水泵流量，初步設計選取直徑100mm的水管為水肥一體機灌溉主管道。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。計算得出主管道沿程水頭損失為11.86。

　　為簡化計算，假設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，計算可得水肥一體機灌溉系統(tǒng)的工作揚程為68.046m，則水泵工作壓力應至少為0.69MPa。水肥一體機工作環(huán)境復雜，抽水灌溉時會帶入大量的雜質(zhì)進入水管中，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)生擾動時水肥混合液層流層發(fā)生變化，形成紊流。筆者通過對雷諾數(shù)的比較，來判定液體的流動狀態(tài):當雷諾數(shù)小于2300時，判定為層流狀態(tài);當雷諾數(shù)大于2300時，判定為紊流狀態(tài)。水肥一體機灌溉過程中水肥混合液管道中相關(guān)計算參數(shù)。

　　在Fluent軟件中，設定水肥混合液為兩相流，對水肥混合液進行仿真，得到不同的管道形狀中水肥混合過程時肥液的流動軌跡。水肥一體機主管道內(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水和肥液的混合主管道。不同灌溉距離內(nèi)，水肥一體機水肥混合液的流動特性與管道內(nèi)壓力、流量、流速、湍流強度、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處進行參數(shù)設置及仿真。水肥一體機管道內(nèi)不同位置仿真過程中所設置初始參數(shù)。隨著灌溉距離的增加，管道內(nèi)肥液流動速度逐漸下降，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)水肥混合液湍流強度基本保持不變。

　　4試驗分析

　　為驗證水肥一體機灌溉過程中的穩(wěn)定性及可靠性，對其進行試驗分析。試驗過程中，分別測定距水源不同位置的水量。每個測量點距水源方向間距20m，最遠點距水源80m，集水量測量結(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軟件對水肥一體機不同管道形狀進行流體動力學分析，確定采用一種4次折彎的管道，以達到水肥自動混合均勻的目的。對距離水源不同距離的位置肥液湍流強度和流速進行分析，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)肥液湍流強度基本不變。

　　參考文獻：

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　　[3]趙進，張越，趙麗清，等.水肥一體化智能管理系統(tǒng)設計[J].中國農(nóng)機化學報，2019，40(6):184-190.

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　　[5]趙彥琳，張宇峰.基于FLUENT的山丘區(qū)規(guī)模化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學報，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灌溉的發(fā)展趨勢[J].河北農(nóng)機，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的研制與應用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42(21):7237-7238，7258.

　　作者：姜麗鳳

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