張超 梁忠偉 劉曉初

摘 要：為了系統(tǒng)的分析文丘里施肥器的水力特性，在現(xiàn)有的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，利用 ANSYS軟件對(duì)其展開相應(yīng)數(shù)值仿真。較為詳細(xì)的分析文丘里施肥器在其管徑發(fā)生改變時(shí)的壓強(qiáng)以及流速變化規(guī)律，為水肥一體化灌溉選擇較為合適的文丘里施肥器，提供一定的數(shù)值參考價(jià)值。研究表明通過使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，可以為實(shí)際灌溉時(shí)選擇正確型號(hào)的文丘里施肥器提供具有可靠性的建議。

關(guān)鍵詞：文丘里施肥器；水力特性；ANSYS；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430001

引言

文丘里施肥器是一種結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，適用范圍廣并且價(jià)格便宜的一種施肥器，可以直接利用液態(tài)肥，能夠做到定位和均勻施肥，因此廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，如水肥一體化噴灌中使用，可以提高施肥的效率以及施肥的均勻度。隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉的方式逐步向高效節(jié)水的精確灌溉轉(zhuǎn)變。目前大多數(shù)的研究還是集中在分析文丘里吸肥器在高壓-高流量的情況下，模型參數(shù)的變化對(duì)其吸肥性能的影響，而關(guān)于文丘里吸肥器在低壓-低流量時(shí)其喉道部位的水力特性研究與分析很少見。本文將利用 ANSYS仿真軟件，在相關(guān)的模擬及實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[1]，結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)，對(duì)文丘里施肥器展開低壓-低流量時(shí)的數(shù)值研究，系統(tǒng)分析影響文丘里管在低壓-低流量時(shí)其工作效率的因素，從而為滴灌等低壓工程選擇合適的文丘里管作為施肥器，為其設(shè)計(jì)提供實(shí)質(zhì)性的建議與指導(dǎo)。

1 文丘里施肥器原理

文丘里施肥器又可以稱為文丘里吸肥器，它是根據(jù)文丘里效應(yīng)研制開發(fā)的一種施肥裝置，由于其喉部位置出有作為施肥用的豎管，因此在實(shí)際使用中會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失，一般多將其與主管道并聯(lián)[2]，在使用時(shí)只需將主管道的控制閥關(guān)小，使控制閥前后產(chǎn)生壓力差，就能讓主管道里的水流通過安裝有文丘里管施肥器的支管，利用水流通過文丘里施肥器喉部水流速度加快產(chǎn)生的真空吸力[3]，將事先配比混合好的肥料從施肥桶中均勻緩慢的吸入管道中，從而進(jìn)行高效的施肥。

目前大多數(shù)文丘里施肥器雖喉部位置存在施肥用的豎管，但其內(nèi)部其它結(jié)構(gòu)與經(jīng)典文丘里管較為類似，因此采用式（1）可粗略計(jì)算出其入口處界面的壓力和最小界面處壓力的壓力差，之后使用伯努利定理，利用式（2）可初步計(jì)算求出其流量，從而快速確定選擇合適的文丘里施肥器的型號(hào)。

2 文丘里施肥器性能仿真

2.1 建模及其參數(shù)

模型建模：為了盡可能保證仿真的準(zhǔn)確性，因此本次仿真事先使用AMESim軟件對(duì)文丘里施肥器所應(yīng)用的滴灌管網(wǎng)進(jìn)行整體建模，對(duì)所設(shè)計(jì)的滴灌管網(wǎng)進(jìn)行了流量分析，通過對(duì)整體管網(wǎng)模型進(jìn)行簡化，確定了一個(gè)等效出口，等效出口的目的是保證原管網(wǎng)系統(tǒng)入口處的流量與壓力大致保持相同的前提下的，整個(gè)滴灌管網(wǎng)系統(tǒng)的滴頭總出水量與此單一出口的出水量保持基本一致，由于沒有過多其余參數(shù)的影響，通過使用等效出口，可以極大的提高以ANSYS仿真軟件工作時(shí)的效率，在確定好各部位參數(shù)，使用軟件進(jìn)行三維幾何建模及網(wǎng)格劃分[4-5]。文丘里施肥器等效出口模型以及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

前處理及后處理結(jié)果分析：使用ANSYS仿真軟件中的CFX流體模塊，本次仿真試驗(yàn)的使用的時(shí)定流量設(shè)置，因此在模擬不同的入口直徑的文丘里施肥器時(shí)[6]，需提前計(jì)算出各直徑入口的對(duì)應(yīng)流速，之后將出口和豎管的壓力都設(shè)置為0Pa。設(shè)置好其余相關(guān)參數(shù)，使用CFX-Post處理模塊，進(jìn)行模型仿真，得到各個(gè)部位的壓強(qiáng)、流速等相關(guān)數(shù)值。

模擬數(shù)值分析：整個(gè)文丘里施肥器其壓力最高的部位在入口處，當(dāng)流體流經(jīng)收縮段時(shí)，由于其是定流量，因此流體流速迅速加快，壓力開始明顯變小，在文丘里管的喉部形成了一個(gè)低壓分布帶，豎管位置也形成了一部分低壓區(qū)域，之后流體通過漸擴(kuò)段，隨著流速的逐步降低，其壓力也在逐步的回升（圖2、圖3）。通過進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)在文丘里管的入口處，由于流體處于一個(gè)發(fā)展階段，其壁面存在著一定的湍流動(dòng)能，并且在其喉部及其豎管位置[7]，出現(xiàn)了多個(gè)湍流強(qiáng)度比較高的區(qū)域，而隨著流體逐漸經(jīng)過漸擴(kuò)段，其湍流強(qiáng)度及耗散率也隨之減小，通過對(duì)后面部分管道分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體在出漸擴(kuò)段一段距離之后，其湍流強(qiáng)度及耗散率基本為0（圖4、圖5）。

2.2 對(duì)照試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析出文丘里吸肥器的水利性能，分別做了2組對(duì)照仿真試驗(yàn)，在保持入口-出口直徑，豎管直徑及個(gè)角度不變的基礎(chǔ)上，只改變其喉部的直徑，觀察其水利性能的變化規(guī)律；保持喉管直徑，豎管直徑以及各角度不變的基礎(chǔ)上，改變其入口-出口直徑，觀察其水力性能的變化規(guī)律。

文丘里管，其處于定流量時(shí)，通過改變其喉部的直徑，其仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對(duì)表1初步分析，可以看出，隨著喉管的直徑逐漸變大，其入口處的壓力隨之變小，呈下降趨勢(shì)，喉部中心區(qū)域的壓力逐步變大，整個(gè)文丘里施肥器的最高流速呈V形變化先變小后變大，由于文丘里施肥器的最低壓力幾乎出現(xiàn)在拐角處，因此不對(duì)其進(jìn)行分析。

文丘里管，其處于定流量時(shí)，通過改變其入口-出口直徑，以10mm的喉部直徑為參照，其仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，隨著入口-出口的直徑逐步減小，其入口處的壓力基本不變，其余各個(gè)參數(shù)也基本保持不變。

3 結(jié)論

基于ANSYS的文丘里施肥器的水力特性數(shù)值模擬，可以清晰明了的看到其內(nèi)部的流場(chǎng)分布，通過直觀的觀測(cè)其工作時(shí)的壓力分布，速度分布等，為實(shí)際應(yīng)用中選擇一款合適的文丘里施肥器提供有力的參考，因此可以將ANSYS仿真軟件作為一款文丘里施肥器的設(shè)計(jì)開發(fā)工具，設(shè)計(jì)更加符合自身需求的施肥器。

通過保持文丘里施肥器的入口-出口直徑，豎管直徑以及各角度不變的條件下，僅僅改變其喉部的直徑，可以看出其入口的壓力隨著喉部直徑的逐漸變大，隨之變小，當(dāng)其喉部直徑從8mm逐漸變到12mm時(shí)，其入口處壓力呈曲線變化，先快速下降，到10mm時(shí)，其下降趨勢(shì)明顯降低，喉部直徑的變化會(huì)對(duì)文丘里施肥器的水力性能產(chǎn)生極大的影響。

數(shù)值模擬顯示，當(dāng)其喉部直徑在8～10mm之間時(shí)，其最低壓力-最高流速均出現(xiàn)在喉部位置，此時(shí)，文丘里施肥器產(chǎn)生一定的負(fù)壓具有吸肥功能，而當(dāng)喉部的直徑超過10mm時(shí)，其最低壓力-最高流速開始往施肥器的豎管位置處移動(dòng)，這是由于等效出口的直徑低于喉部直徑而引起的，此時(shí)，文丘里施肥器會(huì)產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，故在選擇一款符合自己需求的文丘里施肥器時(shí)，應(yīng)先計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的等效出口直徑為多少。

通過保持其喉部直徑及各角度不變的條件下，改變其入口-出口直徑，發(fā)現(xiàn)其入口的壓力基本無變化，文丘里施肥器中的最高流速以及最低壓力均無明顯變化，而隨著入口-出口的直徑逐步降低至20mm過程中，其湍流強(qiáng)度及能量耗散率也在逐步降低，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整入口-出口與喉部位置的直徑比，可以更好的控制水流通過文丘里管時(shí)的湍流度，更好的進(jìn)行施肥。

文丘里施肥器由于其工作過程中壓力損失比較大，因此在具體灌溉時(shí)，可以選擇不同的工作方式，當(dāng)整體的壓力比較高時(shí)，可以使用其進(jìn)行吸肥操作，而當(dāng)應(yīng)用于滴灌等低壓灌溉的時(shí)候，可以通過選擇合適的文丘里施肥器，通過肥料桶中液體肥料自身的重力，彌補(bǔ)一部分的壓力損失，因此，不論文丘里施肥器應(yīng)用于高壓灌溉還是低壓灌溉，由于其會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失，因此只適用于面積不大的灌區(qū)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王淼，黃興法， 李光永. 文丘里施肥器性能數(shù)值模擬研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2006， 22（7）：27-31.

[2] 金永奎， 夏春華， 方部玲. 文丘里施肥器系列的研制[J]. 中國農(nóng)村水利水電， 2006（5）：14-16.

[3] 范興科，孔令陽. 文丘里施肥器能量轉(zhuǎn)化關(guān)系[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2013， 31（6）：528-533.

[4] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 清華大學(xué)出版社， 2004.

[5] 紀(jì)兵兵， 陳金瓶. ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解[M]. 中國水利水電出版社， 2012.

[6] 韓啟彪， 黃興法， 劉洪祿， 等. 6種文丘里施肥器吸肥性能比較分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2013， 44（4）：113-117.

[7] 嚴(yán)海軍， 陳燕， 初曉一， 等. 文丘里施肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)吸肥性能的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2013， 31（2）：162-166.