張育斌,魏正英,朱新國,馮培存,徐 璟
(1.寧波財經(jīng)學院數(shù)字技術與工程學院,浙江 寧波 315175;2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,陜西 西安 710049;3.寧波市水利局,浙江 寧波 315100)
隨著水肥一體化技術的逐漸推廣,增氧灌溉是近年灌溉領域研究的熱點之一,是一種新型高效的節(jié)水技術,利用這一技術可以緩解作物根區(qū)缺氧環(huán)境,提高土壤中的氧氣含量,促進根系生長,提高根系活力[1-2]。同時,該技術可增加根際土壤微生物的種群與活性,促進土壤有機質礦化和養(yǎng)分的循環(huán)與轉化,改善土壤理化性質,增強根系吸收水分養(yǎng)分的能力,提高水肥利用效率,明顯改善作物品質和產(chǎn)量,進而達到增產(chǎn)節(jié)水的目的[3-6]。而微氣泡由于尺寸較小,在表面張力的影響下,微納米氣泡發(fā)生自增壓效應,促進氣泡內部氣體溶解在液相中,可提高氣液界面的傳質效率[7-9]。
目前用于增氧灌溉的設備存在氣泡在水中溶解度較低、植物根系可利用吸收的氣體量較小的不足。此外,用于增氧灌溉微氣泡釋放器末端均是注入儲水箱,存在占地面積大、氣泡衰減多、設備安裝不便攜的缺點,而現(xiàn)有的微氣泡釋放器無法與現(xiàn)有微灌系統(tǒng)進行集成。本文主要設計一種可直接集成安裝在微灌管路上的微氣泡釋放器及開發(fā)與其配套的微氣泡增氧灌溉設備,并對其開展相應的工藝試驗與應用。
本文選用優(yōu)勢明顯的溶氣釋氣法來進行微納米氣泡的制備,溶氣釋氣法是在高壓下將空氣溶解在水中形成高濃度溶氣水,再突然釋放壓力,溶解在水中氣體就會以微小氣泡的形式析出。常見系統(tǒng)組成見圖1,水泵提供一定的壓力將水氣混合物首先在溶氣罐中混合溶解,之后高濃度的溶氣水經(jīng)過釋放器得以釋壓。釋放器的結構專利國外居多,有單孔節(jié)流閥門型、孔片式釋放器、孔盒式釋放器等[10-11],當微氣泡在存在于水中時,其滿足Kelvin公式[12]:
式中:P為蒸氣壓(Pa),也就是微氣泡釋放前溶氣水的壓力;P0為正常蒸氣壓(Pa),也就是溶氣水釋放后的壓力;M為空氣的摩爾質量(kg · mol-1);ρ為氣體密度(kg · m-3);R為摩爾常數(shù)(J · mol-1· K-1) ;r為微氣泡大?。╩);γ為液體表面張力(N · m-1)。
圖1 溶氣釋氣法原理圖
經(jīng)過釋放器的空氣被分散成小顆粒溶解在水中,其實質是氣泡中氧元素向液相中傳質的過程。氧分子通過水氣雙膜溶解在水體中,氣溶解速率可以利用雙膜公式來表示[13]:
由式(2)可看出,氧分子進入水體的速率可以作為評價釋放器性能的一個關鍵性指標,其宏觀可以通過水體中溶氧濃度的變化速率來體現(xiàn),速率越快,說明氣液傳質效率越高。此外,氣泡的尺寸越小,氣泡與液體的接觸面積也就越大,可以有效增強傳質效率。由公式(3)可看出,在釋氣過程中,增大液體的絮亂程度,也就是增強釋放器內流體的湍流強度,可提高KL的值,進而提升氧氣進入水體中溶解速率。
本文主要利用FLUENT軟件對不同結構尺寸的釋放器進行仿真計算,利用壓力場分布云圖以及湍流強度云圖以及釋放器的流量大小作為主要評價指標對釋放器性能展開評價對比。設計的釋放器的基礎結構見圖2,溶氣水從入口進入后,經(jīng)過喉部孔后進入湍流腔內,經(jīng)過劇烈翻滾、碰撞、擠壓、摩擦后從錐形出口排出。
圖2 釋放器基本結構圖
釋放器喉部孔直徑的大小會顯著影響釋放器的流量大小,釋放器喉部直徑b分別取1,2,3,4,5 mm五個值,結構其他參數(shù)節(jié)流孔入口d= 6 mm、出口長度c= 30 mm、錐形出口角度β= 8°以及出口個數(shù)n= 2。入口壓力為0.3 MPa,出口壓力為0.0 MPa。圖3為經(jīng)過計算得到模型中間截面上的壓力場分布云圖,圖4為該截面湍流強度分布云圖。
從圖3可以看出,溶氣水在未通過喉部孔之前,處于高壓狀態(tài),經(jīng)過喉部孔之后,壓力得到驟降,并且隨著喉部孔尺寸的增大,負壓區(qū)域不斷增大,但在喉部尺寸為2 mm時,負壓值達到最大,在大于2 mm時,隨著喉部尺寸的增大,負壓值明顯減小。從圖4可以看出,喉部尺寸為3 mm時,喉部位置的湍流強度達到最大,湍流強度的變化梯度也相對較大。綜合考慮,可以確定喉部尺寸3 mm較為合適,此時釋放器流量為1.05 m3/h。
圖3 不同喉部直徑下壓力場分布云圖
圖4 不同喉部直徑下湍流強度分布云圖
釋放器的湍流腔厚度a分別取1,2,3,4,5 mm五個值,結構其他參數(shù):節(jié)流孔入口d= 6 mm、出口長度c= 30 mm、喉部直徑b= 3 mm、錐形出口角度β= 8°以及出口個數(shù)n= 2。入口壓力為0.3 MPa,出口壓力為0.0 MPa。圖5為模型中間截面壓力場分布云圖,圖6為該截面湍流強度分布云圖。
由圖5可以看出,在不同的湍流腔厚度下,負壓值的變化是很明顯的,當湍流腔厚度為2 mm時,負壓值最大,便于生成尺寸較小的氣泡。整體而言,湍流腔厚度對負壓區(qū)域大小的影響不是很明顯。從圖6可知,隨著湍流腔厚度的增加,湍流腔內的湍流強度呈現(xiàn)下降的趨勢,喉部處的湍流強度在厚度為2 mm時達到最大值,且湍流強度的梯度變化相對較大。綜合以上2方面的考慮,可以確定湍流腔厚度為2 mm時最優(yōu)。
圖5 不同湍流腔厚度下壓力場分布云圖
圖6 不同湍流腔厚度下湍流強度分布云圖
釋放器的錐形出口角度β分別取2°,4°,6°,8°,10°五個值,結構其他參數(shù):入口d= 6 mm、出口長度c= 30 mm、喉部直徑b= 3 mm、湍流腔厚度a= 2 mm以及出口個數(shù)n= 2。入口壓力為0.3 MPa,出口壓力為0.0 MPa。經(jīng)過計算得到模型中間截面上的壓力場分布云圖以及該截面上湍流強度分布云圖見圖7和圖8。
由圖7可知,隨著錐形出口角度的逐漸增大,負壓區(qū)域的面積逐漸減少,從負壓大小來看,角度4°和6°最佳。從圖8可看出,出口角度對于釋放器出口的湍流強度影響不是很明顯,其中出口角度為6°和8°時,喉部附近區(qū)域的湍流強度較大,且湍流強度梯度變化較大。綜合以上兩方面的考慮,確定最佳的出口角度大小為6°。
圖7 不同出口角度下壓力場分布云圖
圖8 不同出口角度下湍流強度分布云圖
釋放器的出口個數(shù)分別取2,3,4,5個,保持每個釋放器喉部出口處最小截面的面積一致,且均為4.5。結構其他參數(shù):入口d= 6 mm、出口長度c= 30 mm、喉部直徑b=3 mm、湍流腔厚度a= 2 mm以及出口角度β= 6°。確定入口壓力為0.3 MPa,出口壓力為0.0 MPa。經(jīng)過計算得到模型中間截面上的壓力場分布云圖以及該截面上湍流強度分布云圖見圖9和圖10(說明:因為選取的是中間坐標軸截面,所以出口個數(shù)為奇數(shù)時截面上出口均為1個,偶數(shù)時為2個)。
由圖9可看出,隨著出口個數(shù)的增多,最大負壓值逐漸減少,在出口個數(shù)較多時,湍流腔內的壓力變化明顯,但負壓形成不明顯。在喉部孔附近區(qū)域負壓分布來看,當出口個數(shù)為2個時,負壓值最大。從圖10可看出,當出口個數(shù)為2個時,喉部附近區(qū)域湍流強度最大,且湍流強度梯度最大。最終確定最佳的出口個數(shù)為2個。
圖9 不同出口個數(shù)下壓力場分布云圖
圖10 不同出口個數(shù)下湍流強度分布云圖
從單因素效應曲線來看,為了使得釋放器的流量盡可能的增大,最佳的組合為湍流腔厚度為2 mm、出口角度為6°以及出口個數(shù)為4個。
綜合以上的分析可知,湍流腔厚度這一尺寸對釋放器的性能影響最為顯著,綜合考慮負壓狀況、湍流強度以及流量的大小,可以確定最佳的結構尺寸組合為湍流腔厚度為2 mm、出口角度為6°以及出口個數(shù)為2個。
依據(jù)微氣泡生成原理,結合傳感器的使用條件,設計微氣泡發(fā)生裝置,主要包括2個部分,一是微氣泡發(fā)生模塊,二是溶氧水DO值檢測模塊。在微氣泡發(fā)生裝置中,主要包括自吸式氣液混合泵、尼克尼氣液分離罐、安裝在管路上的微氣泡釋放器以及溶解氧DO值檢測模塊,氣液混合泵在吸水的同時吸氣,氣體在泵葉片的高速旋轉下攪拌混合,在高壓作用下,使得氣體和液體混合相對充分。經(jīng)過泵的水氣混合物進入尼克尼氣液分離罐,未能溶解的大顆粒氣泡會在分離罐中上升經(jīng)過排氣閥排出,進而避免管路中形成氣窩而造成沖擊等不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過分離罐后的溶氣水通過釋放器時,經(jīng)過沖擊、震蕩、回流和渦流等多種行為后,壓力突然釋放掉,會析出大量的微小氣泡,經(jīng)過管路進入儲水箱(見圖11)。
圖11 微納米氣泡發(fā)生裝置實驗臺原理圖
設計釋放器采用3D打印進行快速成型工藝制作,材料為光敏樹脂,釋放器安裝在圖11所示的系統(tǒng)中,每次實驗對20 L水進行曝氣處理,設定釋放器入口壓力為0.3 MP,出口壓力為大氣壓,啟動微型泵開始對水體種DO值的檢測,啟動氣液混合泵開始曝氣,對其性能開展實驗驗證。將以上的利用傳感器配套的數(shù)據(jù)采集軟件對水體曝氣過程中DO值進行檢測記錄,不同釋放器曝氣試驗溶氧曲線見圖12。
圖12 不同釋放器曝氣試驗溶氧曲線圖
由圖12可知,水體中溶氧DO值先是快速增長,之后達到穩(wěn)定后維持基本不變,由以可知,釋放器的f luent計算仿真結果與實驗結果是相符的。
停止曝氣之后,測量150 h以內水體中溶氧值的變化,水體溶氧值衰減曲線見圖13。
圖13 停止曝氣150 h溶氧值衰減曲線圖
由圖13可看出,在停止曝氣約3 h之內,溶氧濃度急速下降,之后下降趨勢逐漸變緩慢。在3 h之前,水體中氧濃度處于超飽和狀態(tài),非常不穩(wěn)定,因此濃度下降速率較快,當濃度逐漸下降至該溫度下的飽和值后處于穩(wěn)定狀態(tài),在水體擾動等作用下,溶解氧濃度逐漸下降,并且隨著濃度的降低,溶解氧濃度下降速率減緩,停止曝氣150 h(6 d后)水體溶氧值恢復至曝氣原始值。
根據(jù)溶氣釋氣法微納米氣泡發(fā)生原理研制了微納米氣泡增氧灌溉設備(見圖14),主要部件有氣液混合泵、氣液分離罐、利用3D打印技術成型的釋放器以及溶氧傳感器。電路控制部分主要有空氣開關、交流接觸器以及指示燈等,并在寧波市水肥灌溉示范基地開展示范應用(見圖15)。
圖14 微納米氣泡增氧灌溉設備主要部件實物圖
圖15 微納米氣泡增氧灌溉設備示范應用圖
(1)在不同喉部孔直徑、湍流腔厚度、出口角度以及出口個數(shù)的條件下,研究其對釋放器內部負壓區(qū)域、湍流強度區(qū)域以及流量大小的影響。在釋放器計算仿真基礎上,完成微納米氣泡發(fā)生裝置試驗平臺搭建,利用釋放器性能排序對仿真計算結果進行驗證,確定釋放器最佳的工作壓差為0.3 MP。得到曝氣后水體中溶氧值衰減曲線,在3 h以內衰減較快,之后下降平緩,約6 d后溶氧值恢復至曝氣前狀態(tài)。
(2)將計算得到的釋放器利用3D打印進行成型,完成基于微納米氣泡的增氧灌溉裝置研制,該裝置具有增氧效率高、體積小、釋放器可直接安裝在灌溉管路上以及操作簡單等優(yōu)點,在增氧灌溉領域有著廣闊的應用前景。