謝碧洪 蕭金瑞 徐 喬 黃良杰 宋 坤 吳康晴

（1羅定職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，廣東羅定 527200；2廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006；3廣州大學廣東省水肥高效利用及太陽能智能灌溉工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510006）

發(fā)展高效智能農(nóng)業(yè)將有助于推進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化的進程。水肥一體化是節(jié)水灌溉施肥技術(shù)的主要內(nèi)容之一，其在節(jié)水、節(jié)肥、省工、環(huán)保等方面優(yōu)勢突出。良好的灌溉施肥系統(tǒng)將大大提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低管理成本[1]，作為灌溉、施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的設(shè)備，常用施肥裝置有壓差式施肥罐、文丘里吸肥器、水力驅(qū)動式施肥泵和電動注肥泵[2]等，其中文丘里吸肥器因結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、不需動力，使用十分廣泛[3]。

相關(guān)學者對文丘里吸肥器進行了大量研究，取得了豐富成果：王海濤[4]分析了文丘里吸肥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，針對水力性能、壓力損耗及空化特性等綜合性能開展試驗和模擬研究；劉永華等[5]考慮了施肥裝置和管道系統(tǒng)的沿程損失，應用CFD 數(shù)值計算對文丘里吸肥器的漸縮角α、漸擴角β、喉徑d0 等影響系統(tǒng)吸肥性能的關(guān)鍵核心部件進行了單因素性能優(yōu)化設(shè)計，得出了3 個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸肥性能的影響規(guī)律；程千等[6]探討了空化對施肥器性能產(chǎn)生影響的原因，并對其內(nèi)部流動能量消耗機制進行了揭示；謝冬輝[7]對不同內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的文丘里施肥器進行了相關(guān)測試，對施肥器性能受不同喉管結(jié)構(gòu)及調(diào)控方式的影響進行了探究；張建闊等[8]在基于CFD數(shù)值模擬方法得到符合低壓灌溉系統(tǒng)的文丘里施肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，試制出一種用于優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)研究吸肥性能的文丘施肥器樣品；王振華等[9]研究了非對稱文丘里施肥器的擴散段結(jié)構(gòu)吸肥問題。

然而，目前針對管路布置對文丘里吸肥器吸肥效果影響的研究涉及較少，基于此，為了探究管路布置對文丘里吸肥器吸肥效果的影響，本研究對單、雙以及三通路下文丘里吸肥器吸肥效果進行試驗測試和分析，以期為文丘里吸肥器管路布置和吸肥效果評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 文丘里吸肥器及工作原理

壓力型灌溉裝備對水力壓力和流量變化敏感性低，但在灌溉進行時，施肥濃度會變小，造成灌溉施肥濃度不穩(wěn)定。根據(jù)一般灌溉工程實際，從節(jié)省灌溉成本的角度出發(fā)，水肥一體化灌溉中多數(shù)采用結(jié)構(gòu)中心對稱的文丘里灌溉裝備，如圖1 所示。該裝備的原理：水流通過文丘里喉管，該管路先從大變小后從小變大，當水流通過較窄部位時，水流速度會變快，而水壓會下降，這樣就形成了壓力差，當喉部有較小的管徑入口時，會產(chǎn)生負壓，可通過較小的管徑細管從一個敞口的肥料罐中吸取肥料溶液。

圖1 文丘里結(jié)構(gòu)示意

中心對稱結(jié)構(gòu)文丘里灌溉器進出口口徑為D、文丘里管喉管口徑為d、進口錐角大小為α，出口的錐角大小為β，吸肥管道的直徑為d1。由水力學基本原理可知，結(jié)構(gòu)上吸肥流的大小，主要受喉部產(chǎn)生的負壓大小影響，吸肥管的管徑也有影響，但影響較小可忽略不計，一般要求吸肥口斷面比吸肥管管徑面積更大。

1.2 試驗準備

為研究多級并聯(lián)文丘里管吸肥系統(tǒng)的性能，選用目前應用廣泛的中心對稱文丘管（centralcomplex）。為滿足農(nóng)業(yè)灌溉要求，根據(jù)植物生長需要，需適時適量灌溉氮、磷、鉀肥，采用文丘里管灌溉器3種同型號灌溉器。本次試驗是對多級并聯(lián)文丘里灌溉器工況和性能的研究，在主供水管內(nèi)串聯(lián)安裝了3根并聯(lián)的文丘里管，再將管道全部采用PVC管連接，管道內(nèi)徑均為12.5 mm，并聯(lián)3 根文丘里管安裝在并聯(lián)文丘里提灌器的進出口水管上，將3 個中心對稱型文丘里吸肥器A、B、C并聯(lián)安裝于試驗裝置中，并使L1=L2=L3=30 cm。主管采用內(nèi)徑為12.5 mm的PVC給水管，并在入口和出口處分別安裝壓力表，檢測進出口壓力，圖2為文丘里吸肥試驗裝置示意。文丘里吸肥器物理參數(shù)為：進出口直徑12.5 mm，支管直徑4.5 mm，入口錐角40°，出口錐角20°，流量0.29～0.81 m3/h，工作壓強0.7～9.5 Bar，在其吸肥支管上安裝流量計和流速表，以測量各吸肥器的吸肥流量。玻璃浮子流量計垂直安裝在文丘里提灌器的吸肥支管上，遵循優(yōu)先過流原則和水頭損失較小的原則，最短的管徑和最少的標準管件被用在并聯(lián)文丘里管線的設(shè)計中。實驗用水采用進出口循環(huán)供水設(shè)計。

圖2 文丘里吸肥試驗裝置示意

1.3 試驗方法

試驗通過主管道進水口處的閥門開度控制進水口處壓力，進水口處壓力設(shè)為5～65 kPa，間隔5 kPa，共12個壓力值。通過控制a、b、c三個閥門的開閉，實現(xiàn)各文丘里吸肥器吸肥支管的導通與關(guān)閉。分別測量單通路、雙通路以及三通路下文丘里吸肥器的吸肥流量和主管道出水口處壓力，各吸肥支管閥門開閉情況見表1。在試驗中使用自來水模擬肥液，所有測試數(shù)據(jù)均在進出口壓力穩(wěn)定3 min 后讀取，重復測量3次并其取平均值。

表1 管道通路數(shù)量與文丘里吸肥器開閉情況

2 結(jié)果與分析

2.1 單通路導通吸肥效果

主管道進水口壓力記為P1，文丘里吸肥器A、B、C 吸肥流量分別記為Qa1、Qb1、Qc1，所對應主管道出水口的壓力記為Pa1、Pb1、Pc1。由圖3可知，各文丘里吸肥器的吸肥流量隨著主管道進水口壓力的增大而逐漸增大，且在試驗壓力范圍內(nèi)，Qc1大于Qa1和Qb1。當入口壓力小于25 kPa 時，Qa1大于Qb1，反之則Qa1小于Qb1?？梢?，入口壓力會影響各吸肥器的吸肥流量，同時各吸肥器的吸肥流量還與其所處位置有關(guān)。從試驗裝置看，吸肥器B和C側(cè)分流大，主管道大部分水往B、C 側(cè)流動，并在吸肥器C 入口處因水流突然轉(zhuǎn)向形成湍流加速區(qū)。

圖3 進水口壓力與各單通路吸肥流量關(guān)系

圖4 進水口壓力與出水口壓力關(guān)系

由伯努利連續(xù)方程可得文丘里吸肥器喉管處壓強與液體介質(zhì)流速的關(guān)系：

式中，P為文丘里吸肥器喉管處的壓強，C為常數(shù)，ρ為液體介質(zhì)的密度，υ為液體介質(zhì)的流速，g為重力加速度，h為液體介質(zhì)所處的水頭高度。

由式（1）可知，吸肥器C 入口處流速增加，使其對應的文丘里喉管處壓強下降，所產(chǎn)生的負壓更大，因而吸肥支管的吸力更強，吸肥流量也更大。

由圖可知，隨著進水口壓力的增大，各單通路吸肥壓力損失十分接近，且進水口壓力越大，水頭損失越大。結(jié)合圖3～4可知，文丘里吸肥器的吸肥流量及裝置出口壓力隨裝置入口壓力的變化規(guī)律近似一致。同時，隨入口壓力的增加，文丘里吸肥器C的吸肥支管最先導通吸肥，所需的進水口壓力最小，A次之，B最大。與距離主管道30 cm的文丘里吸肥器A和B相比，距離主水管60 cm的文丘里吸肥器C吸肥效果更好。

2.2 雙通路導通吸肥效果

在文丘里吸肥器A、B 導通條件下，吸肥流量分別記為Qa2、Qb2，試驗結(jié)果如圖5 所示。文丘里吸肥器A、B 的吸肥流量均隨入口壓力的增加而逐漸增大，且文丘里吸肥器A 比文丘里吸肥器B 先導通吸肥。當入口壓力大于20 kPa 時，兩吸肥器的吸肥流量具有較好的線性關(guān)系，且呈近似平行狀態(tài)。受管道拐角流體沖擊作用，文丘里吸肥器A 喉管處流速高于B，所形成的真空吸力也比B大，故其吸肥流量也較大。

圖5 文丘里吸肥器A、B吸肥流量隨入口壓力的變化

在雙通路文丘里吸肥器A、C 吸肥條件下，吸肥流量分別記為Qa2、Qc2，試驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，文丘里吸肥器C吸肥支管先導通吸肥，隨著進水口壓力的增加，兩文丘里吸肥器A 與C 的吸肥流量也逐漸增加，且在試驗壓力范圍內(nèi)，Qc2始終大于Qa2。由此可見，距離主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 比距離主管道6.5 cm 的文丘里吸肥器A 先吸肥，且吸肥流量更大。

圖6 進水口壓力與雙通路文丘里吸肥器A、C吸肥流量關(guān)系

在雙通路文丘里吸肥器B、C 吸肥狀態(tài)下，試驗結(jié)果如圖7 所示，其中文丘里吸肥器B、C 吸肥流量分別記為Qb2、Qc2。從圖7 可知，位于邊緣且距主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 吸肥支管先導通吸肥，在試驗壓力范圍內(nèi)，隨著進水口壓力的增大，文丘里吸肥器C 的吸肥流量逐漸增加，而文丘里吸肥器B的吸肥流量先增加后趨于穩(wěn)定，且始終存在Qc2＞Qb2。由此可見，位于主管道同側(cè)的文丘里吸肥器B、C，其中距離主管道較遠的文丘里吸肥器C有較好的吸肥效果。

圖7 進水口壓力與雙通路文丘里吸肥器B、C吸肥流量關(guān)系

2.3 三通路吸肥效果

在三通路文丘里吸肥器A、B、C 吸肥狀態(tài)下，試驗結(jié)果如圖8 所示，記文丘里吸肥器A、B、C 吸肥流量分別為Qa3、Qb3、Qc3。由圖8 可知，隨著進水口壓力的增加，文丘里吸肥器A 最先吸肥，C 次之，最后文丘里吸肥器B 吸肥，且各文丘里吸肥器的吸肥流量均隨著進水口壓力的增加而增加，并在進水口壓力大于0.02 MPa 時，有Qc3＞Qb1＞Qa1。由此可見，隨著進水口壓力的增加，距離主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 與A、B 相比有較大的吸肥流量，文丘里吸肥器A雖最先吸肥，但隨著壓力的增加，其吸肥流量小于文丘里吸肥器B、C。

圖8 進水口壓力與三文丘里吸肥器A、B、C吸肥流量關(guān)系

3 結(jié)論

本文研究了多級并聯(lián)文丘里配肥系統(tǒng)在單、雙、三通路吸肥模式下的吸肥效果，形式如下結(jié)論。

（1）在單通路吸肥狀態(tài)下，文丘里吸肥器C吸肥支管最先導通吸肥，且在試驗壓力范圍內(nèi)，與距離主管道6.5 cm 的文丘里吸肥器A、B 相比，距離主水管13 cm的文丘里吸肥器C吸肥流量較大。

（2）在雙通路吸肥狀態(tài)下，與主管道距離相等的兩文丘里吸肥器A、B，其中位于主管道邊緣的文丘里吸肥器A 吸肥效果較好，與主管道距離不等的兩文丘里吸肥器A、C 或B、C，其中距離主管道較遠的文丘里吸肥器C吸肥效果較好。

（3）在三通路吸肥狀態(tài)下，隨著進水口壓力的增加，距離主管道13 cm 的文丘里吸肥器C 與A、B 相比有更大的吸肥流量，文丘里吸肥器A雖最先吸肥，但隨著壓力的增加，其吸肥流量小于文丘里吸肥器B、C。