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基于ANSYS的文丘里施肥器水力特性研究

范文

张超梁忠伟刘晓初

摘要：为了系统的分析文丘里施肥器的水力特性，在现有的相关研究基础上，利用 ANSYS软件对其展开相应数值仿真。较为详细的分析文丘里施肥器在其管径发生改变时的压强以及流速变化规律，为水肥一体化灌溉选择较为合适的文丘里施肥器，提供一定的数值参考价值。研究表明通过使用ANSYS软件进行仿真，可以为实际灌溉时选择正确型号的文丘里施肥器提供具有可靠性的建议。

关键词：文丘里施肥器；水力特性；ANSYS；数值仿真

中图分类号：S275.6 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430001

引言

文丘里施肥器是一种结构简单，寿命长，适用范围广并且价格便宜的一种施肥器，可以直接利用液态肥，能够做到定位和均匀施肥，因此广泛应用于农业中，如水肥一体化喷灌中使用，可以提高施肥的效率以及施肥的均匀度。随着我国农业的快速发展，农业灌溉的方式逐步向高效节水的精确灌溉转变。目前大多数的研究还是集中在分析文丘里吸肥器在高压-高流量的情况下，模型参数的变化对其吸肥性能的影响，而关于文丘里吸肥器在低压-低流量时其喉道部位的水力特性研究与分析很少见。本文将利用 ANSYS仿真软件，在相关的模拟及实验研究的基础上[1]，结合理论经验推导，对文丘里施肥器展开低压-低流量时的数值研究，系统分析影响文丘里管在低压-低流量时其工作效率的因素，从而为滴灌等低压工程选择合适的文丘里管作为施肥器，为其设计提供实质性的建议与指导。

1 文丘里施肥器原理

文丘里施肥器又可以称为文丘里吸肥器，它是根据文丘里效应研制开发的一种施肥装置，由于其喉部位置出有作为施肥用的竖管，因此在实际使用中会产生较大的压力损失，一般多将其与主管道并联[2]，在使用时只需将主管道的控制阀关小，使控制阀前后产生压力差，就能让主管道里的水流通过安装有文丘里管施肥器的支管，利用水流通过文丘里施肥器喉部水流速度加快产生的真空吸力[3]，将事先配比混合好的肥料从施肥桶中均匀缓慢的吸入管道中，从而进行高效的施肥。

目前大多数文丘里施肥器虽喉部位置存在施肥用的竖管，但其内部其它结构与经典文丘里管较为类似，因此采用式（1）可粗略计算出其入口处界面的压力和最小界面处压力的压力差，之后使用伯努利定理，利用式（2）可初步计算求出其流量，从而快速确定选择合适的文丘里施肥器的型号。

2 文丘里施肥器性能仿真

2.1 建模及其参数

模型建模：为了尽可能保证仿真的准确性，因此本次仿真事先使用AMESim软件对文丘里施肥器所应用的滴灌管网进行整体建模，对所设计的滴灌管网进行了流量分析，通过对整体管网模型进行简化，确定了一个等效出口，等效出口的目的是保证原管网系统入口处的流量与压力大致保持相同的前提下的，整个滴灌管网系统的滴头总出水量与此单一出口的出水量保持基本一致，由于没有过多其余参数的影响，通过使用等效出口，可以极大的提高以ANSYS仿真软件工作时的效率，在确定好各部位参数，使用软件进行三维几何建模及网格划分[4-5]。文丘里施肥器等效出口模型以及网格划分如图1所示。

前处理及后处理结果分析：使用ANSYS仿真软件中的CFX流体模块，本次仿真试验的使用的时定流量设置，因此在模拟不同的入口直径的文丘里施肥器时[6]，需提前计算出各直径入口的对应流速，之后将出口和竖管的压力都设置为0Pa。设置好其余相关参数，使用CFX-Post处理模块，进行模型仿真，得到各个部位的压强、流速等相关数值。

模拟数值分析：整个文丘里施肥器其压力最高的部位在入口处，当流体流经收缩段时，由于其是定流量，因此流体流速迅速加快，压力开始明显变小，在文丘里管的喉部形成了一个低压分布带，竖管位置也形成了一部分低压区域，之后流体通过渐扩段，随着流速的逐步降低，其压力也在逐步的回升（图2、图3）。通过进一步的分析，发现在文丘里管的入口处，由于流体处于一个发展阶段，其壁面存在着一定的湍流动能，并且在其喉部及其竖管位置[7]，出现了多个湍流强度比较高的区域，而随着流体逐渐经过渐扩段，其湍流强度及耗散率也随之减小，通过对后面部分管道分析，发现当流体在出渐扩段一段距离之后，其湍流强度及耗散率基本为0（图4、图5）。

2.2 对照试验

为了进一步分析出文丘里吸肥器的水利性能，分别做了2组对照仿真试验，在保持入口-出口直径，竖管直径及个角度不变的基础上，只改变其喉部的直径，观察其水利性能的变化规律；保持喉管直径，竖管直径以及各角度不变的基础上，改变其入口-出口直径，观察其水力性能的变化规律。

文丘里管，其处于定流量时，通过改变其喉部的直径，其仿真数据如表1所示。

通过对表1初步分析，可以看出，随着喉管的直径逐渐变大，其入口处的压力随之变小，呈下降趋势，喉部中心区域的压力逐步变大，整个文丘里施肥器的最高流速呈V形变化先变小后变大，由于文丘里施肥器的最低压力几乎出现在拐角处，因此不对其进行分析。

文丘里管，其处于定流量时，通过改变其入口-出口直径，以10mm的喉部直径为参照，其仿真数据如表2所示。

通过分析，我们发现，随着入口-出口的直径逐步减小，其入口处的压力基本不变，其余各个参数也基本保持不变。

3 结论

基于ANSYS的文丘里施肥器的水力特性数值模拟，可以清晰明了的看到其内部的流场分布，通过直观的观测其工作时的压力分布，速度分布等，为实际应用中选择一款合适的文丘里施肥器提供有力的参考，因此可以将ANSYS仿真软件作为一款文丘里施肥器的设计开发工具，设计更加符合自身需求的施肥器。

通过保持文丘里施肥器的入口-出口直径，竖管直径以及各角度不变的条件下，仅仅改变其喉部的直径，可以看出其入口的压力随着喉部直径的逐渐变大，随之变小，当其喉部直径从8mm逐渐变到12mm时，其入口处压力呈曲线变化，先快速下降，到10mm时，其下降趋势明显降低，喉部直径的变化会对文丘里施肥器的水力性能产生极大的影響。

数值模拟显示，当其喉部直径在8～10mm之间时，其最低压力-最高流速均出现在喉部位置，此时，文丘里施肥器产生一定的负压具有吸肥功能，而当喉部的直径超过10mm时，其最低压力-最高流速开始往施肥器的竖管位置处移动，这是由于等效出口的直径低于喉部直径而引起的，此时，文丘里施肥器会产生倒流现象，故在选择一款符合自己需求的文丘里施肥器时，应先计算出整个系统的等效出口直径为多少。

通过保持其喉部直径及各角度不变的条件下，改变其入口-出口直径，发现其入口的压力基本无变化，文丘里施肥器中的最高流速以及最低压力均无明显变化，而随着入口-出口的直径逐步降低至20mm过程中，其湍流强度及能量耗散率也在逐步降低，通过适当的调整入口-出口与喉部位置的直径比，可以更好的控制水流通过文丘里管时的湍流度，更好的进行施肥。

文丘里施肥器由于其工作过程中压力损失比较大，因此在具体灌溉时，可以选择不同的工作方式，当整体的压力比较高时，可以使用其进行吸肥操作，而当应用于滴灌等低压灌溉的时候，可以通过选择合适的文丘里施肥器，通过肥料桶中液体肥料自身的重力，弥补一部分的压力损失，因此，不论文丘里施肥器应用于高压灌溉还是低压灌溉，由于其会产生较大的压力损失，因此只适用于面积不大的灌区。

参考文献

[1] 王淼，黄兴法，李光永. 文丘里施肥器性能数值模拟研究[J]. 农业工程学报， 2006， 22（7）：27-31.

[2] 金永奎，夏春华，方部玲. 文丘里施肥器系列的研制[J]. 中国农村水利水电， 2006（5）：14-16.

[3] 范兴科，孔令阳. 文丘里施肥器能量转化关系[J]. 排灌机械工程学报， 2013， 31（6）：528-533.

[4] 王福軍. 计算流体动力学分析[M]. 清华大学出版社， 2004.

[5] 纪兵兵，陈金瓶. ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M]. 中国水利水电出版社， 2012.

[6] 韩启彪，黄兴法，刘洪禄，等. 6种文丘里施肥器吸肥性能比较分析[J]. 农业机械学报， 2013， 44（4）：113-117.

[7] 严海军，陈燕，初晓一，等. 文丘里施肥器结构参数优化对吸肥性能的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2013， 31（2）：162-166.

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