摘要:以水肥一体机为研究对象，对水肥一体机灌溉过程及系统结构进行分析，确定了水肥一体机系统方案。利用Fluent软件对水肥一体机中肥液混合管道以及管道中肥液的流速和湍流强度等特性进行分析，确定所选用管道形式为一种4次折弯的主管道，可达到水肥在管道中自动混合均匀的目的。仿真分析及试验结果表明:随着灌溉点距水源位置的增加，肥液湍流强度基本不变，肥液流速逐渐降低，导致远端灌溉位置的集水量相对较低。
关键词:水肥一体机;Fluent;水肥耦合液;湍流强度
0引言
在农田灌溉过程中，灌溉过程与施肥过程独立进行，造成水肥不同步现象，肥料利用率低。另外，肥料在土壤中大量囤积，导致土壤中有机物质分解、土壤板结变硬、存水性能降低，使作物生长过程中出现脱肥早衰［1］。水肥一体机能够有效解决传统灌溉过程中出现的各种问题，节省大量的水资源，且安装使用方便，可在大面积农田中使用［2］。水肥一体机通常由水源、加压系统、配水管网和喷灌装置组成。笔者针对大面积农田灌溉过程中使用的水肥一体机进行相关结构设计及理论分析，利用Fluent模块对水肥一体机灌溉系统中的管道和灌溉口处的水流特性进行分析，为水肥一体机灌溉系统的设计及使用过程提供理论依据。
1水肥一体机总体方案设计
水肥一体机通过对管道内的流体特性进行控制，实现供水和供肥，同时采用流体混合方式，对水肥进行混合控制，并根据作物生长过程特性进行水肥灌溉控制。水肥一体机主要包含水泵、肥泵、过滤装置、流量计、压力传感器、控制装置和管网［3－5］，如图1所示。灌溉时，灌溉用水经过水泵进行加压，进入灌溉主管道，肥液罐中的肥料母液根据使用需求，在肥泵的加压作用下，按照一定的流量进入管道中，与水进行混合，形成水肥混合液;水肥混合液经加压后，在灌溉管网当中进行流动至灌溉位置［6］，完成灌溉。因受到管网沿程压力损失影响，需按照灌溉流量需求在不同的管网位置加装加压设备［7］。综合考虑农作物生长环境、水源以及作物生长实际需求，确定水肥一体机灌溉系统的工作技术参数，如表1所示。
2关键零部件设计
进行水肥一体机关键零部件设计选型时，应综合考虑一体机设计工作参数及作物生长实际需求。灌水量是指单次灌溉的水量，与作物持水量、土壤特性以及灌溉面积等特性有关。假设当前土壤容量γ=1．45g/cm2，灌溉湿润深度h=40mm，计划湿润比p=1，作物生长田间持水率上限β1=0．9，作物生长田间持水率下限β2=0．6，灌溉水利用系数η=0．9，水容重λ=1g/cm2，则灌水量为m=10×γ×h×p×β1－β2()ηλ经计算可得，每667m2灌水量为36m3，按照灌溉面积计算，选取水泵流量为60m3/h。根据水泵流量，初步设计选取直径100mm的水管为水肥一体机灌溉主管道。主管道沿程水头损失为h主=84000×Q1．75主×L主F主D4．75主其中，Q主为主管道流量;D主为主管道内径;L主在光滑管道中，水肥混合液雷诺数下限为2100，雷诺数上限为13800，发生扰动时水肥混合液层流层发生变化，形成紊流。笔者通过对雷诺数的比较，来判定液体的流动状态:当雷诺数小于2300时，判定为层流状态;当雷诺数大于2300时，判定为紊流状态。水肥一体机灌溉过程中水肥混合液管道中相关计算参数，如表2所示。为主管道长度，L主=50m;F主为分口系数，F主=0．5。计算得出主管道沿程水头损失为11．86。为简化计算，假设局部水头损失为主管道沿程水头损失的10%，转接位置水头损失为5m，由此可得总水头损失为18．046m。按照工作压力需求，计算可得水肥一体机灌溉系统的工作扬程为68．046m，则水泵工作压力应至少为0．69MPa。水肥一体机工作环境复杂，抽水灌溉时会带入大量的杂质进入水管中，因此在水泵前端选择粗过滤方式，在水泵之后选择精过滤方式。粗过滤选择50目过滤网，精过滤选择120目过滤网。
3流动特性仿真
在水肥一体灌溉过程中，水肥均匀性与管道形状、灌溉口与水源之间距离有直接关系。在水肥混合过程中，可利用管道的弯曲形状产生涡流，使水肥混合液在惯性作用下达到混合的目的。常见管道弯曲形状如图2所示。在Fluent软件中，设定水肥混合液为两相流，对水肥混合液进行仿真，得到不同的管道形状中水肥混合过程时肥液的流动轨迹。水肥一体机主管道内肥液轨迹如图3所示，主管道末端径向截面内肥液轨迹，如图4所示。由图4可以看出(d)种形状管道内水肥混合较为均匀，因此选用(d)种管道为水肥一体机水和肥液的混合主管道。不同灌溉距离内，水肥一体机水肥混合液的流动特性与管道内压力、流量、流速、湍流强度、雷诺数等有关。本文建立80m长度管道的仿真模型，分别提取管道源头1m、中部1m以及末端1m处进行参数设置及仿真。水肥一体机管道内不同位置仿真过程中所设置初始参数如表3所示。按照表3相关参数设置仿真模型，分别计算5组不同一体机管道内水肥混合液流动速度及湍流强度;计算完成后，按照管道内3个不同位置进行取样。根据计算结果进行取样，得到的肥液流速特性如表4所示，飞流湍流强度特性如表5所示。由表4、表5可以看出:随着灌溉距离的增加，管道内肥液流动速度逐渐下降，管道中部的水肥混合液流速约为起始位置的90%，管道末端的水肥混合液流速约为起始位置的65%，管道内水肥混合液湍流强度基本保持不变。
4试验分析
为验证水肥一体机灌溉过程中的稳定性及可靠性，对其进行试验分析。试验过程中，分别测定距水源不同位置的水量，如图5所示。图5中，每个测量点距水源方向间距20m，最远点距水源80m，集水量测量结果如表6所示。由表6可以看出:随着距离的增加，集水量逐渐减小。在距离水源20m位置处，集水量约为240mL;距离水源80m处，集水量约为85mL;相同距离处，集水量基本相同。
5结论
利用Fluent软件对水肥一体机不同管道形状进行流体动力学分析，确定采用一种4次折弯的管道，以达到水肥自动混合均匀的目的。对距离水源不同距离的位置肥液湍流强度和流速进行分析，结果表明:随着灌溉距离的增加，水流速度逐渐减小，管道内肥液湍流强度基本不变。
作者：姜丽凤 单位：山东工业职业学院