(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 鄭州 450002； 2. 江蘇大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

目前，我國用水問題形勢嚴(yán)峻，一方面是水資源短缺，另一方面是節(jié)水技術(shù)相對(duì)落后導(dǎo)致水資源利用率較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率低于50%，發(fā)達(dá)國家也不高于65%[1-2]。如何合理利用水資源、科學(xué)節(jié)水成為我國水資源保護(hù)的重點(diǎn)問題，同時(shí)也是提高世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的關(guān)鍵因素。

痕量灌溉技術(shù)是將毛細(xì)管及膜等材料組合應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目的科學(xué)節(jié)水灌溉技術(shù)，其核心是一個(gè)能夠讓作物“自主吸水”的灌水器，具有雙層痕灌膜和毛細(xì)管束，保證了裝置的導(dǎo)水性能和過濾能力，該技術(shù)采用的雙層膜結(jié)構(gòu)克服了滴頭易堵的難題并成功取代了滴灌技術(shù)采用的迷宮式消能流道[3-4]。痕量灌溉的灌溉器埋在作物的根部周圍，毛細(xì)管束一端連接充水管，另一端連接土壤毛細(xì)管，這樣既縮短了給水距離，減少不必要的浪費(fèi)，又可以感知土壤水分變化，繼而組成了作物—土壤—灌溉系統(tǒng)巧妙的水勢平衡系統(tǒng)。當(dāng)根部周圍的水勢降低時(shí)，發(fā)生器中的水將以毛細(xì)水(10～200 mL/h)的形式運(yùn)輸?shù)阶魑锔恐車耐寥?，?dāng)水勢平衡時(shí)，作物不再吸水，痕量灌溉系統(tǒng)也停止供水[5-7]。與滴灌相比，痕量灌溉可以在相同產(chǎn)量下節(jié)約40%～60%的用水量，并有助于改善土壤板結(jié)和返堿的現(xiàn)象[8-10]。

針對(duì)痕量灌溉系統(tǒng)，研究人員開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。痕量灌溉技術(shù)解決了常規(guī)滴灌技術(shù)中出現(xiàn)的堵塞問題，并利用土粒中范德華力為水分運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力[11-13]。為了提高水分利用率，研究人員從不同角度進(jìn)行了理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，包括土粒間隙滲水特性、痕量灌溉控水頭灌膜材料特性等對(duì)作物根部水分吸收率之間動(dòng)態(tài)機(jī)理特性等[14-15]。

本研究提出了一種基于氣動(dòng)微流控芯片的智能痕量灌溉系統(tǒng)。由于微流控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微量流體進(jìn)行操作處理，具有高傳熱傳質(zhì)效率和低物質(zhì)消耗特點(diǎn)[16]。該系統(tǒng)可用于對(duì)名貴盆載、種子培育等所需營養(yǎng)液、水的精確灌溉和農(nóng)藥精細(xì)噴灑等，通過無線通信模塊，將數(shù)據(jù)傳遞到各個(gè)終端，可人為根據(jù)名貴盆栽、種子缺水情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)、定量、精確澆水。利用氣動(dòng)微流控芯片片上膜閥作為控水元件，給出了液體微小流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理，并對(duì)單個(gè)片上膜閥的出口流量、壓力分布和不同片上膜閥組合時(shí)的出口流量進(jìn)行仿真研究，并進(jìn)行了部分內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果呈現(xiàn)很好的一致性。

1 智能痕量灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

智能痕量灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括單片機(jī)控制模塊STM32、土壤濕度傳感器模塊、無線通信模塊、移動(dòng)設(shè)備、名貴盆栽/種子培育系統(tǒng)和氣動(dòng)微流控芯片。氣動(dòng)微流控芯片上集成有不同結(jié)構(gòu)形式的片上膜閥和微型流量傳感器。土壤濕度傳感器對(duì)植物根部附近的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并對(duì)氣動(dòng)微流控芯片做出控制，避免澆水過多。單片機(jī)控制模塊可以實(shí)時(shí)通過無線通訊模塊把數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，可人為控制澆水情況。

圖1 智能痕量灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能痕量灌溉系統(tǒng)中微小流量控制框圖如圖2所示，包括電磁微閥、片上膜閥、微控制器STM32單片機(jī)和微型流量傳感器。片上膜閥位于氣動(dòng)微流控芯片上， 通過STM32單片機(jī)對(duì)電磁微閥進(jìn)行邏輯控制， 實(shí)現(xiàn)對(duì)片上膜閥氣體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的壓力控制， 從而控制片上膜閥的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)片上膜閥液體微流道內(nèi)液體流量的連續(xù)可調(diào)[17-19]。其中，電磁微閥位于氣動(dòng)微流控芯片外部，不影響氣動(dòng)微流控芯片本身的大規(guī)模集成[20-22]。

圖2 痕量灌溉系統(tǒng)微小流量控制框圖

2 片上膜閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

片上膜閥結(jié)構(gòu)如圖3a所示，上層是液體微流道，下層是氣動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器。氣動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器是由位于液體微流道下方的聚二甲基硅氧烷(PDMS)驅(qū)動(dòng)薄膜和與氣體微流道相連的氣體驅(qū)動(dòng)腔構(gòu)成，立體圖如圖3b所示。

圖3 片上膜閥結(jié)構(gòu)示意圖

彈性PDMS驅(qū)動(dòng)薄膜的形變程度決定著片上膜閥的閥口開度，從而影響片上膜閥的出口流量，如圖4所示為不同閥口開度的片上膜閥。氣源和片上膜閥氣體驅(qū)動(dòng)腔接通，氣源給微流控芯片上的氣體驅(qū)動(dòng)腔充氣，彈性PDMS驅(qū)動(dòng)薄膜在氣體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)氣體壓力作用下，向液體微流道的方向產(chǎn)生形變，形變后的閥口截面類似拱形，閥口開度的大小取決于氣體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)氣體驅(qū)動(dòng)壓力高低。當(dāng)氣體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的壓力增加時(shí)，彈性PDMS薄膜的形變?cè)龃?，片上膜閥的閥口開度則變小；當(dāng)氣體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)壓力逐漸減小時(shí)，彈性PDMS薄膜的形變恢復(fù)，片上膜閥閥口開度則逐漸增大[23-24]。

圖4 不同閥口開度的片上膜閥

3 模型的建立和邊界條件的確定

本研究設(shè)計(jì)的片上膜閥具有液體微流道上層尺寸為600 μm×1000 μm×200 μm；具有氣體微驅(qū)動(dòng)器的下層尺寸為600 μm×1000 μm×150 μm；氣體驅(qū)動(dòng)腔尺寸為600 μm×400 μm×150 μm；液體微流道寬度為500 μm，最大弧高度為180 μm。

利用SOLIDWORKS建立物理模型，導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于微閥入口處、出口處以及微閥閥芯下部變形區(qū)域上的速度流場和壓力變化比較大，為了準(zhǔn)確反映流場的變化情況，對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，其余部分網(wǎng)格相對(duì)稀疏。由于三角形網(wǎng)格具有更好的配合性，因此整個(gè)模型采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分， 如圖5所示。

圖5 片上膜閥物理模型網(wǎng)格劃分

4 流場仿真結(jié)果分析

將劃分好網(wǎng)格的片上膜閥物理模型導(dǎo)入Fluent流場分析軟件中進(jìn)行流場分析，由于微流道特征尺寸在幾百微米級(jí)別，流速比較大，流體流動(dòng)多處于湍流狀態(tài)，因此選用Standardk-ε湍流模型，其中k是紊流脈動(dòng)動(dòng)能(J)，ε是紊流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率(%)，計(jì)算量和計(jì)算精度均適合本設(shè)計(jì)。為了提高數(shù)值模擬計(jì)算精度，選擇增強(qiáng)壁面函數(shù)法(Enhanced Wall Treatment)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。該函數(shù)不依賴壁面法則，適合本研究涉及的液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4.1 單個(gè)片上膜閥流量仿真

1) 不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下流量仿真

液流驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為10 kPa，氣體驅(qū)動(dòng)壓力在0～20 kPa范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，得到片上膜閥出口截面壓力和流速云圖如圖6所示。圖6a中4幅圖片分別代表了不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力時(shí)，閥口開度的變化情況以及膜閥出口壓力的變化情況，流道中心區(qū)域壓力較大，邊緣區(qū)域壓力較小。圖6b中表示液體流速隨氣體驅(qū)動(dòng)壓力的變化情況。將流場軟件分析得到的流速與閥口截面積相乘計(jì)算得到的流量數(shù)據(jù)利用最小二乘法曲線擬合中的二次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合，獲得片上膜閥出口流量-氣體驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果如圖7所示。本研究后續(xù)仿真曲線均采用該方法擬合獲得。

圖6 不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下的片上膜閥出口截面壓力和流速云圖

圖7 單個(gè)片上膜閥不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力時(shí)出口流量仿真結(jié)果

結(jié)合片上膜閥出口壓力云圖、出口速度云圖和出口流量仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)液流驅(qū)動(dòng)壓力一定時(shí)，氣體驅(qū)動(dòng)腔的壓力越大，閥口開度越小，出口壓力越小，出口流速越慢，出口的流量也就越小，從而達(dá)到控制流量的目的。氣體驅(qū)動(dòng)壓力和出口流量幾乎成反比例關(guān)系。氣體驅(qū)動(dòng)壓力為0，即片上膜閥完全打開時(shí)，出口流量為1198 μL/min。氣體驅(qū)動(dòng)壓力為20 kPa時(shí)，出口流量為0，即片上膜閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，閥口開度為0。

2) 不同液流驅(qū)動(dòng)壓力流量仿真

氣體驅(qū)動(dòng)腔的壓力設(shè)置為0，即片上膜閥完全打開狀態(tài)下，改變片上膜閥液流驅(qū)動(dòng)壓力，其他參數(shù)設(shè)置和4.1保持一致，片上膜閥液流驅(qū)動(dòng)壓力(Pressure-inlet)在0～20 kPa范圍內(nèi)逐漸增加。選取全開口時(shí)的片上膜閥進(jìn)行分析，在不同液流驅(qū)動(dòng)壓力時(shí)出口時(shí)，得到的片上膜閥出口流量-液流驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖中可以看出，氣體驅(qū)動(dòng)壓力為0，即片上膜閥完全打開狀態(tài)下，閥口開度為100%時(shí)，液流驅(qū)動(dòng)壓力小于5 kPa時(shí)，流量增益較大，流量變化顯著；隨著液流驅(qū)動(dòng)壓力的增加，流量增益減小，對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用降低。這主要是由于片上膜閥在液流驅(qū)動(dòng)壓力較小時(shí)對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用比較大；隨著液流驅(qū)動(dòng)壓力的增加，片上膜閥相對(duì)流阻減小，對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用降低。

4.2 片上膜閥串聯(lián)出口流量仿真

1) 不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下流量仿真

利用SOLIDWORKS建立串聯(lián)的3個(gè)片上膜閥在不同氣動(dòng)腔驅(qū)動(dòng)壓力下的物理模型，如圖9所示，從其橫截面可以看出4組片上膜閥閥口開度不同。液流驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為10 kPa， 氣體驅(qū)動(dòng)壓力在0～20 kPa范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，得到的片上膜閥出口流量-氣體驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 在不同氣動(dòng)腔壓力下片上膜閥串聯(lián)模型

圖10 片上膜閥串聯(lián)在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下出口流量

從圖中可以看出，片上膜閥串聯(lián)出口流量和氣體驅(qū)動(dòng)壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于隨著氣體驅(qū)動(dòng)壓力的增加，串聯(lián)的各閥口開度均逐漸減小。而且液體微流道內(nèi)流阻隨著各閥口開度的減小，流體粘性起主要作用，相當(dāng)于流阻比較大，壓差一定時(shí)，流量則較小。

2) 不同液流驅(qū)動(dòng)壓力流量仿真

氣體驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為0，在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力情況下，氣體驅(qū)動(dòng)壓力在0～20 kPa范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，得到的片上膜閥串聯(lián)出口流量-液流驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 片上膜閥串聯(lián)在不同液流驅(qū)動(dòng)壓力下出口流量

從圖中可以看出，片上膜閥串聯(lián)出口流量與液流驅(qū)動(dòng)壓力幾乎呈正比例關(guān)系。當(dāng)液流驅(qū)動(dòng)壓力大于5 kPa 時(shí)，與單個(gè)片上膜閥出口流量與液流驅(qū)動(dòng)壓力特性(圖8)幾乎相同。當(dāng)液流驅(qū)動(dòng)壓力小于5 kPa時(shí)，片上膜閥串聯(lián)出口流量增益小于單個(gè)片上膜閥出口流量增益，流量變化不顯著。這是由于，連接片上膜閥之間的液體微流道長度增加，由片上膜閥引起的相對(duì)流阻減少，對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用降低。

4.3 片上膜閥并聯(lián)出口流量仿真

1) 不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下流量仿真

利用SOLIDWORKS建立3個(gè)片上膜閥并聯(lián)在不同氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力下的物理模型，如圖12所示，其橫截面可以看出4組片上膜閥閥口開度不同。液流驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為10 kPa，氣體驅(qū)動(dòng)壓力在0～20 kPa范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，得到的片上膜閥并聯(lián)出口流量-氣體驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果如圖13所示。

圖12 片上膜閥并聯(lián)物理模型

圖13 片上膜閥并聯(lián)在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下的出口流量

從圖中可以看出，當(dāng)氣體驅(qū)動(dòng)壓力小于15 kPa時(shí)，片上膜閥并聯(lián)出口流量增益較大，流量變化顯著，氣體驅(qū)動(dòng)壓力有很小的改變時(shí)，流量就會(huì)有相應(yīng)比例的改變，這使得流量有很高的分辨率。當(dāng)氣體驅(qū)動(dòng)壓力大于15 kPa時(shí)，隨著氣體驅(qū)動(dòng)壓力的增加，閥口開度減小，流量增益減小，對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用降低。

2) 不同液流驅(qū)動(dòng)壓力流量仿真

氣體驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為0，液流驅(qū)動(dòng)壓力在0～20 kPa 范圍內(nèi)變化，得到片上膜閥并聯(lián)出口流量-液流驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 片上膜閥并聯(lián)在不同液流驅(qū)動(dòng)壓力下出口流量

從片上膜閥并聯(lián)出口流量-液流驅(qū)動(dòng)壓力特性仿真結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)液流驅(qū)動(dòng)壓力小于5 kPa時(shí)，流量增益較大。隨時(shí)液流驅(qū)動(dòng)壓力的增大，流量增益逐漸趨于一致，對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用幾乎均勻。當(dāng)液流驅(qū)動(dòng)壓力為20 kPa時(shí)，片上膜閥并聯(lián)出口流量為1160 μL/min，大于片上膜閥串聯(lián)出口流量的調(diào)節(jié)范圍960 μL/min，小于單個(gè)片上膜閥的出口流量 1790 μL/min。

5 實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行智能痕量灌溉系統(tǒng)片上膜閥流量特性實(shí)驗(yàn)，利用PDMS高彈有機(jī)分子材料和軟蝕刻技術(shù)進(jìn)行封裝，整體封裝尺寸為25 mm×10 mm×8 mm，如圖15所示，其中氣體驅(qū)動(dòng)腔尺寸為600 μm×400 μm×150 μm，微流道寬度為500 μm，弧高度為180 μm，與仿真所用物理模型結(jié)構(gòu)尺寸一致。

圖15 智能痕量灌溉系統(tǒng)控水元件照片

實(shí)驗(yàn)前用去離子水(De-ionized，DI)沖洗芯片約10 min，去除芯片內(nèi)多余氣體，將氣源與氣動(dòng)微流控芯片氣體驅(qū)動(dòng)腔入口連接，提供不同的氣體驅(qū)動(dòng)壓力和閥口開度，之后將DI水注入細(xì)針管，與片上膜閥入口連接，液體驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為10 kPa。使用燒杯和精密電子秤測量一定時(shí)間內(nèi)片上膜閥出口的液體質(zhì)量，通過體積流量與質(zhì)量、密度和時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算得到片上膜閥出口體積流量。

液流驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)定為10 kPa，氣體驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)壓力分別為0， 5， 10， 15， 20 kPa的情況下，單個(gè)片上膜閥出口流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果比較如圖16所示。氣體腔驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)定為0，液流驅(qū)動(dòng)壓力分別為0， 5， 10， 15， 20 kPa的情況下，單個(gè)片上膜閥出口流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果比較如圖17所示。

從圖16和圖17單個(gè)片上膜閥出口流量在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力和不同液流驅(qū)動(dòng)壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對(duì)比圖可以看出，兩者總體變化趨勢基本吻合；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均小于仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果和理論計(jì)算值雖有偏差，但偏差在可接受范圍內(nèi)，且兩者總體變化趨勢相近，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的正確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均小于仿真結(jié)果是由于仿真過程中忽略了很多實(shí)際因素所致，比如流體黏度、流固界面效應(yīng)、界面張力、黏性應(yīng)力和毛細(xì)管數(shù)等。

圖16 單個(gè)片上膜閥在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力下仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

圖17 單個(gè)片上膜閥在不同液流驅(qū)動(dòng)壓力下仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了智能痕量灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并闡述了其工作機(jī)理。利用ANSYS有限元分析軟件和Fluent二次開發(fā)功能UDF編程對(duì)智能痕量灌溉系統(tǒng)單個(gè)片上膜閥和多組合片上膜閥在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力和不同液流驅(qū)動(dòng)壓力下的動(dòng)態(tài)流量特性進(jìn)行仿真研究。單個(gè)片上膜閥在同樣條件下控水范圍較大，但對(duì)流量的調(diào)節(jié)不夠精細(xì)。片上膜閥并聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液體微小流量的精細(xì)調(diào)節(jié)，但控水范圍較小。片上膜閥串聯(lián)不僅控水范圍較大，且對(duì)流量的調(diào)節(jié)比較精細(xì)。

利用PDMS材料和軟蝕刻技術(shù)對(duì)智能痕量灌溉系統(tǒng)控水元件-氣動(dòng)微流控芯片片上膜閥進(jìn)行封裝，整體封裝尺寸僅為25 mm×10 mm×8 mm。對(duì)智能痕量灌溉系統(tǒng)控水元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在不同氣體驅(qū)動(dòng)壓力(不同閥口開度)和不同液流驅(qū)動(dòng)壓力下，對(duì)單個(gè)片上膜閥出口流量進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單個(gè)片上膜閥出口流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果趨近于一致。

本研究對(duì)農(nóng)業(yè)中智能痕量灌溉系統(tǒng)中微小流量的控制理論思想及設(shè)計(jì)方法具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值，可以促進(jìn)氣動(dòng)微流控芯片應(yīng)用系統(tǒng)和邏輯流量回路的研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)高集成度的智能植物痕量灌溉系統(tǒng)，滿足市場對(duì)新型智能化痕量灌溉設(shè)備的巨大需求，對(duì)全球性痕量灌溉技術(shù)產(chǎn)品具有重大的現(xiàn)實(shí)促進(jìn)意義。