基于Fluent的智能水肥一体机结构设计研究.pdf

基 于 Fluent 的智能水肥一体机结构设计研究 姜 丽凤 山东工业职业学院 山 东 淄博 255000 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 中图分类号 S224 4 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2022 08 0110 04 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 收 稿日期 2020 08 12 基金项目 山东省教育科学项目 2016 xd 030 作者简介 姜丽凤 1981 女 山 东威海人 讲师 硕士 E mail nibeng2749 163 com 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 1 肥 液罐 2 肥液过滤器 3 肥泵 4 水源 5 水源过滤器 6 水泵 7 过滤器 8 主管道 9 流量计 10 压力表 图 1 水肥一体机系统原理图 Fig 1 Schematic diagram of water fertilizer integrated machine system 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 表 1 水 肥一体机工作参数 Table 1 Working parameters of water fertilizer integrated machine 参数名称 单位 指标 灌 溉长度 m 80 单 次灌溉面积 m 2 800 1200 灌 溉方式 喷灌 动力源 交流电 工作连续性 连续工作 011 2022 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 08 020 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 1 45g cm 2 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 1 0 9 作 物生长田间 持水率下限 2 0 6 灌溉水利用系数 0 9 水 容重 1g cm 2 则 灌水量为 m 10 h p 1 2 经 计算可得 每 667m 2 灌 水量为 36m 3 按 照灌溉 面积计算 选取水泵流量为 60m 3 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 Q 1 75 主 L 主 F 主 D 4 75 主 其 中 Q 主 为 主管道流量 D 主 为 主管道内径 L 主 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 图 2 管 道弯曲形状 Fig 2 Pipe bending shape 在 光滑管道中 水肥混合液雷诺数下限为 2100 雷诺数上限为 13 800 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 表 2 水 肥混合液计算参数 Table 2 Calculation parameters of water and fertilizer mixture 管道 位置 压力 MPa 流速 m s 1 湍 流强度 管道直径 mm 主 管道 0 69 7 64 4 12 100 注 肥口 1 40 10 00 4 59 40 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 111 2022 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期 图 3 水肥一体机主管道内肥液流动轨迹 Fig 3 Flow path of fertilizer liquid in main pipe of water fertilizer integrated machine 图 4 水肥一体机主管道末端截面肥液流动轨迹 Fig 4 Flow path of fertilizer liquid at end section of main pipe of water fertilizer integrated machine 表 3 不得 肥液流动特性相关计算参数 Table 3 Calculation parameters of fertilizer liquid flow characteristics 沿程位置 m 管道内压力 MPa 流量 L h 1 雷 诺数 0 0 150 2192 35 249 1 0 149 2122 34 120 39 0 125 1891 30 418 40 0 125 1766 28 406 79 0 110 1546 24 869 80 0 103 1495 24 040 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 表 4 肥 液流速特性 Table 4 Velocity characteristics of fertilizer solution 位置 m 1 2 3 4 5 0 1 4 10 4 12 4 09 4 03 4 11 4 02 4 69 4 07 4 01 4 07 4 09 4 03 3 99 4 09 4 13 39 40 3 72 3 64 3 59 3 61 3 58 3 62 3 21 3 62 3 58 3 62 3 91 3 60 3 71 3 64 3 63 续 表 4 位置 m 1 2 3 4 5 79 80 2 67 2 79 2 74 2 71 2 78 2 35 2 68 2 69 2 66 2 81 2 82 2 21 2 27 2 76 2 69 表 5 肥液湍流强度特性 Table 5 Turbulent intensity characteristics of fertilizer liquid 位 置 m 1 2 3 4 5 0 1 8 84 8 63 8 81 8 64 8 85 8 81 8 66 8 64 8 66 8 84 8 47 8 83 8 65 8 83 8 65 39 40 8 74 8 77 8 78 8 78 8 79 8 60 8 61 8 62 8 79 8 79 8 77 8 78 8 77 8 96 8 63 79 80 9 05 8 91 8 92 8 91 8 91 8 91 9 06 9 08 9 10 9 07 9 11 8 91 9 11 9 31 9 13 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 211 2022 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期 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 图 5 集 水量测点分布图 Fig 5 Distribution of water collection measuring points 表 6 集水量测量数据 Table 6 Water collection measurement data 距离 m 集水量 mL 1 2 3 4 20 240 243 235 238 40 180 190 186 185 60 135 135 130 139 80 80 78 85 86 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 参考文献 1 宋 成秀 李合营 王雪莹 水肥一体智能灌溉设备的研发及 应用 J 山东水利 2020 3 43 45 2 赵 彦琳 张宇峰 山丘区规模化灌溉管网系统的数值模拟 应用分析 J 居舍 2020 5 76 3 赵 进 张越 赵丽清 等 水肥一体化智能管理系统设计 J 中国农机化学报 2019 40 6 184 190 4 吴 松 李国辉 水肥一体化灌溉系统中的施肥设备 J 农 业技术与装备 2018 10 78 80 83 5 赵 彦琳 张宇峰 基于 FLUENT 的山丘区规模化灌溉管网 系统的数值模拟 J 水利与建筑工程学报 2018 16 5 208 212 218 6 彭 发智 张俊杰 焦海涛 等 水肥一体智能化高效精准灌 溉的发展趋势 J 河北农机 2017 10 23 7 李 爱国 宋聪敏 李和平 等 多功能水肥一体定额灌溉机 的研制与应用 J 安徽农业科学 2014 42 21 7237 7238 7258 esearch on Structure Design of Intelligent Water and Fertilizer Integrated Machine Based on Fluent Jiang Lifeng Shandong Vocational College of Industry Zibo 255000 China Abstract This paper takes the water and fertilizer integrated machine as the research object through the analysis of the irrigation process and system structure of the water and fertilizer integrated machine determines the water and fertilizer integrated machine system scheme in this paper Fluent software is used to analyze the characteristics of the velocity and turbulence intensity of the fertilizer liquid mixing pipe and the fertilizer liquid in the pipe of the water fertilizer integrated machine It is determined that the pipe selected in this paper is a main pipe with four bends so as to achieve the purpose of automatic mixing of water and fertilizer in the pipeline The simulation analysis and experimental results show that with the increase of the distance between the irrigation point and the water source the turbulence intensity of the fer tilizer liquid is basically unchanged and the fertilizer liquid velocity is gradually reduced resulting in the relatively low water collection at the remote irrigation location Key words water fertilizer integrated machine fluent liquid of water and fertilizer turbulence intensity 311 2022 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期