基于Fluent的智能水肥一體機結構設計研究.pdf

基 于 Fluent 的智能水肥一體機結構設計研究 姜 麗鳳 山東工業(yè)職業(yè)學院 山 東 淄博 255000 摘 要 以水肥一體機為研究對象 對水肥一體機灌溉過程及系統(tǒng)結構進行分析 確定了水肥一體機系統(tǒng)方案 利用 Fluent 軟件對水肥一體機中肥液混合管道以及管道中肥液的流速和湍流強度等特性進行分析 確定所選用 管道形式為一種 4 次折彎的主管道 可達到水肥在管道中自動混合均勻的目的 仿真分析及試驗結果表明 隨 著灌溉點距水源位置的增加 肥液湍流強度基本不變 肥液流速逐漸降低 導致遠端灌溉位置的集水量相對 較低 關鍵詞 水肥一體機 Fluent 水肥耦合液 湍流強度 中圖分類號 S224 4 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2022 08 0110 04 0 引 言 在農田灌溉過 程中 灌溉過程與施肥過程獨立進 行 造成水肥不同步現(xiàn)象 肥料利用率低 另外 肥料 在土壤中大量囤積 導致土壤中有機物質分解 土壤 板結變硬 存水性能降低 使作物生長過程中出現(xiàn)脫 肥早衰 1 水 肥一體機能夠有效解決傳統(tǒng)灌溉過程 中出現(xiàn)的各種問題 節(jié)省大量的水資源 且安裝使用 方便 可在大面積農田中使用 2 水 肥一體機通常由水源 加壓系統(tǒng) 配水管網和 噴灌裝置組成 筆者針對大面積農田灌溉過程中使 用的水肥一體機進行相關結構設計及理論分析 利用 Fluent 模塊對水肥一體機灌溉系統(tǒng)中的管道和灌溉口 處的水流特性進行分析 為水肥一體機灌溉系統(tǒng)的設 計及使用過程提供理論依據 1 水肥一體機總體方案設計 水肥一體機通 過對管道內的流體特性進行控制 實現(xiàn)供水和供肥 同時采用流體混合方式 對水肥進 行混合控制 并根據作物生長過程特性進行水肥灌溉 控制 水肥一體機主要包含水泵 肥泵 過濾裝置 流 量計 壓力傳感器 控制裝置和管網 3 5 如 圖 1 所示 灌溉時 灌溉用水經過水泵進行加壓 進入灌溉主管 道 肥液罐中的肥料母液根據使用需求 在肥泵的加 壓作用下 按照一定的流量進入管道中 與水進行混 收 稿日期 2020 08 12 基金項目 山東省教育科學項目 2016 xd 030 作者簡介 姜麗鳳 1981 女 山 東威海人 講師 碩士 E mail nibeng2749 163 com 合 形成水肥混合液 水肥混合液經加壓后 在 灌溉管 網當中進行流動至灌溉位置 6 完 成灌溉 因受到管 網沿程壓力損失影響 需按照灌溉流量需求在不同的 管網位置加裝加壓設備 7 1 肥 液罐 2 肥液過濾器 3 肥泵 4 水源 5 水源過濾器 6 水泵 7 過濾器 8 主管道 9 流量計 10 壓力表 圖 1 水肥一體機系統(tǒng)原理圖 Fig 1 Schematic diagram of water fertilizer integrated machine system 綜合考慮農作 物生長環(huán)境 水源以及作物生長實 際需求 確定水肥一體機灌溉系統(tǒng)的工作技術參數(shù) 如表 1 所示 表 1 水 肥一體機工作參數(shù) Table 1 Working parameters of water fertilizer integrated machine 參數(shù)名稱 單位 指標 灌 溉長度 m 80 單 次灌溉面積 m 2 800 1200 灌 溉方式 噴灌 動力源 交流電 工作連續(xù)性 連續(xù)工作 011 2022 年 8 月 農 機 化 研 究 第 8 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 08 020 2 關鍵零部件設計 進行水肥一體 機關鍵零部件設計選型時 應綜合 考慮一體機設計工作參數(shù)及作物生長實際需求 灌 水量是指單次灌溉的水量 與作物持水量 土壤特性 以及灌溉面積等特性有關 假設當前土壤容量 1 45g cm 2 灌 溉濕潤深度 h 40mm 計劃濕潤比 p 1 作物生長田間持水率上限 1 0 9 作 物生長田間 持水率下限 2 0 6 灌溉水利用系數(shù) 0 9 水 容重 1g cm 2 則 灌水量為 m 10 h p 1 2 經 計算可得 每 667m 2 灌 水量為 36m 3 按 照灌溉 面積計算 選取水泵流量為 60m 3 h 根 據水泵流量 初步設計選取直徑 100mm 的水管為水肥一體機灌溉 主管道 主管道沿程水頭損失為 h 主 84000 Q 1 75 主 L 主 F 主 D 4 75 主 其 中 Q 主 為 主管道流量 D 主 為 主管道內徑 L 主 為主 管道長度 L 主 50m F 主 為 分口系數(shù) F 主 0 5 計 算得出主管道沿程水頭損失為 11 86 為簡化計 算 假設局部水頭損失為主管道沿程水頭損失的 10 轉接位置水頭損失為 5m 由此可得總水頭損失 為 18 046m 按照工作壓力需求 計算可得水肥一體 機灌溉系統(tǒng)的工作揚程為 68 046m 則水泵工作壓力 應至少為 0 69MPa 水肥一體機工作環(huán)境復雜 抽水灌溉時會帶入大 量的雜質進入水管中 因此在水泵前端選擇粗過濾方 式 在水泵之后選擇精過濾方式 粗過濾選擇 50 目 過濾網 精過濾選擇 120 目過濾網 3 流 動特性仿真 在水肥一體灌溉過程中 水肥均勻性與管道形狀 灌溉口與水源之間距離 有直接關系 在水肥混合過程 中 可利用管道的彎曲形狀產生渦流 使水肥混合液在 慣性作用下達到混合的目的 常見管道彎曲形狀如圖 2 所示 圖 2 管 道彎曲形狀 Fig 2 Pipe bending shape 在 光滑管道中 水肥混合液雷諾數(shù)下限為 2100 雷諾數(shù)上限為 13 800 發(fā)生擾動時水肥混合液層流層 發(fā)生變化 形成紊流 筆者通過對雷諾數(shù)的比較 來 判定液體的流動狀態(tài) 當雷諾數(shù)小于 2300 時 判定為 層流狀態(tài) 當雷諾數(shù)大于 2300 時 判定為紊流狀態(tài) 水肥一體機灌溉過程中水肥混合液管道中相關計算 參數(shù) 如表 2 所示 表 2 水 肥混合液計算參數(shù) Table 2 Calculation parameters of water and fertilizer mixture 管道 位置 壓力 MPa 流速 m s 1 湍 流強度 管道直徑 mm 主 管道 0 69 7 64 4 12 100 注 肥口 1 40 10 00 4 59 40 在 Fluent 軟 件中 設定水肥混合液為兩相流 對 水肥混合液進行仿真 得到不同的管道形狀中水肥混 合過程時肥液的流動軌跡 水肥一體機主管道內肥 液軌跡如圖 3 所示 主管道末端徑向截面內肥液軌 跡 如圖 4 所示 由圖 4 可以看出 d 種形狀管道內水肥混合較為 均勻 因此選用 d 種管道為水肥一體機水和肥液的 混合主管道 不同灌溉距離內 水肥一體機水肥混合液的流動 特性與管道內壓力 流量 流速 湍流強度 雷諾數(shù)等 有關 本文建立 80m 長度管道的仿真模型 分別提取 管道源頭 1m 中部 1m 以及末端 1m 處進行參數(shù)設置 及仿真 水肥一體機管道內不同位置仿真過程中所 設置初始參數(shù)如表 3 所示 111 2022 年 8 月 農 機 化 研 究 第 8 期 圖 3 水肥一體機主管道內肥液流動軌跡 Fig 3 Flow path of fertilizer liquid in main pipe of water fertilizer integrated machine 圖 4 水肥一體機主管道末端截面肥液流動軌跡 Fig 4 Flow path of fertilizer liquid at end section of main pipe of water fertilizer integrated machine 表 3 不得 肥液流動特性相關計算參數(shù) Table 3 Calculation parameters of fertilizer liquid flow characteristics 沿程位置 m 管道內壓力 MPa 流量 L h 1 雷 諾數(shù) 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 相關參數(shù)設置仿真模型 分別計算 5 組 不同一體機管道內水肥混合液流動速度及湍流強度 計算完成后 按照管道內 3 個不同位置進行取樣 根 據計算結果進行取樣 得到的肥液流速特性如表 4 所 示 飛流湍流強度特性如表 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 續(xù) 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 肥液湍流強度特性 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 隨著灌溉距離的增加 管 道內肥液流動速度逐漸下降 管道中部的水肥混合液 流速約為起始位置的 90 管道末端的水肥混合液流 速約為起始位置的 65 管道內水肥混合液湍流強度 基本保持不變 4 試 驗分析 為 驗證水肥一體機灌溉過程中的穩(wěn)定性及可靠 211 2022 年 8 月 農 機 化 研 究 第 8 期 性 對 其進行試驗分析 試驗過程中 分別測定距水 源不同位置的水量 如圖 5 所示 圖 5 中 每個測量 點距水源方向間距 20m 最遠點距水源 80m 集水量 測量結果如表 6 所示 由表 6 可以看出 隨著距離的增加 集水量逐漸 減小 在距離水源 20m 位置處 集水量約為 240mL 距離水源 80m 處 集水量約為 85mL 相同距離處 集 水量基本相同 圖 5 集 水量測點分布圖 Fig 5 Distribution of water collection measuring points 表 6 集水量測量數(shù)據 Table 6 Water collection measurement data 距離 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 結 論 利 用 Fluent 軟件對水肥一體機不同管道形狀進 行流體動力學分析 確定采用一種 4 次折彎的管道 以達到水肥自動混合均勻的目的 對距離水源不同 距離的位置肥液湍流強度和流速進行分析 結果表 明 隨著灌溉距離的增加 水流速度逐漸減小 管道內 肥液湍流強度基本不變 參考文獻 1 宋 成秀 李合營 王雪瑩 水肥一體智能灌溉設備的研發(fā)及 應用 J 山東水利 2020 3 43 45 2 趙 彥琳 張宇峰 山丘區(qū)規(guī)?；喔裙芫W系統(tǒng)的數(shù)值模擬 應用分析 J 居舍 2020 5 76 3 趙 進 張越 趙麗清 等 水肥一體化智能管理系統(tǒng)設計 J 中國農機化學報 2019 40 6 184 190 4 吳 松 李國輝 水肥一體化灌溉系統(tǒng)中的施肥設備 J 農 業(yè)技術與裝備 2018 10 78 80 83 5 趙 彥琳 張宇峰 基于 FLUENT 的山丘區(qū)規(guī)?；喔裙芫W 系統(tǒng)的數(shù)值模擬 J 水利與建筑工程學報 2018 16 5 208 212 218 6 彭 發(fā)智 張俊杰 焦海濤 等 水肥一體智能化高效精準灌 溉的發(fā)展趨勢 J 河北農機 2017 10 23 7 李 愛國 宋聰敏 李和平 等 多功能水肥一體定額灌溉機 的研制與應用 J 安徽農業(yè)科學 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 form 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 農 機 化 研 究 第 8 期