文丘裡施肥器的結構優化方法
2023-04-26 15:25:16 1
專利名稱：文丘裡施肥器的結構優化方法
技術領域：
本發明涉及一種節水灌溉設備的結構優化方法，特別是關於一種文丘裡施肥器的結構優化方法。
背景技術：
微灌的灌溉水利用係數可達90%以上，因此「九五」以來微灌技術在我國得到了普及推廣，截止2009年全國微灌面積已 達1800萬畝，為落實2011年中央一號文件和中央水利工作會議精神，全國規劃發展節水灌溉工程面積約I. 95億畝，其中微灌4816萬畝，在全國範圍內大力發展節水灌溉的新一輪熱潮已經興起。現代微灌技術可實現灌溉與施肥的一體化作業，因此需要在灌溉系統的壓力管道內注入肥料，常用的注肥裝置有壓差式施肥罐、文丘裡施肥器和水動注肥泵等。文丘裡施肥器因結構簡單、無運動部件、操作方便等特點，在日光溫室、拱形溫室等小規模微灌系統中得到廣泛應用。但文丘裡施肥器吸肥過程中存在過流水頭損失大、臨界工作壓差高、吸肥流量易隨工作壓力而波動等缺點，導致文丘裡施肥器的吸肥性能較低。文丘裡施肥器利用文丘裡管原理，隨著收縮段管徑的逐漸變小，其工作流體的速度逐漸增加、而壓力逐漸減少，直至在最小斷面即喉部附近出現負壓，在壓力差作用下，通過與喉部連接的吸肥軟管將提前配好的肥液吸入，並與工作流體混合後進入擴散段以及下遊壓力管道。可見，文丘裡施肥器的主要結構是文丘裡管形狀，但影響吸肥性能的主要因素是文丘裡施肥器的結構參數，包括收縮段收縮角、最小收縮管徑、擴散段擴散角、最小擴散管徑、喉部直徑、喉部長度、工作水進口段直徑、吸肥液進口段直徑、混合液出口段直徑等。文丘裡施肥器的傳統設計方法是基於一維流體力學連續性方程、能量方程，建立了工作水臨界流量(剛開始吸肥時工況)、最大流量(喉部出現空化工況)時的解析計算公式，但忽略了水頭損失，計算值明顯偏大於實測值；或對於某種特定結構型號的文丘裡施肥器，建立了工作水和吸肥流量與進出口壓力或壓力差之間的回歸模型。傳統設計方法或建立的公式計算精度較低或適用性較差。因此文丘裡施肥器設計時結構參數的確定較隨意，缺乏科學、準確的計算模型來指導，其結果必定是對於某種吸肥性能要求的文丘裡施肥器可能有很多個不同的設計方案，對於不同的設計者尤其是初始設計者，要確定一個最佳方案是很困難的，往往必須做大量的模型對比試驗，對各種設計方案進行篩選，導致產品開發周期長，成本高，而產品工作性能不一定保證能達到優化。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠縮短開發周期，減少研發經費，並且在確保文丘裡施肥器具備吸肥能力的基礎上，顯著提高吸肥性能的文丘裡施肥器結構優化方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種文丘裡施肥器的結構優化方法，其包括以下步驟1)選擇作為模型施肥器的文丘裡施肥器，根據該文丘裡施肥器的十個結構參數工作水進口直徑D1、吸肥液進口直徑Dtl、混合液出口直徑D2、收縮段最小直徑Dtl、擴散段最小直徑Dt2、收縮段長度L1、擴散段長度L2、收縮段角度a、擴散段角度0和喉部長度U，對該文丘裡施肥器運用計算流體動力學技術進行數值模擬建模仿真；2)工作水進口直徑D1、吸肥液進口直徑Dtl和混合液出口直徑D2由與該文丘裡施肥器連接的管口直徑確定；因此，需要優化的結構參數為收縮段最小直徑Dtl、擴散段最小直徑Dt2、收縮段長度L1、擴散段長度L2、收縮段角度a、擴散段角度P和喉部長度Ltl;根據傳統的文丘裡施肥器結構優化方法確定上述七個結構參數的範圍為=DtlZD1 = 0. 16 0. 4, Dt2ZD2 = 0. 18 0. 4，Dt2/Dtl = I. 0 I. 4, a =10。 16。，3 =4。 8。, L0/Dtl = 0. 6 I. 4, D0/L0 = I 3 ;3)以文丘裡施肥器的最大吸肥效率作為考核該文丘裡施肥器吸肥性能的評價指標；文丘裡施肥器吸肥效率n的表達式為H= MXNX100%(I)
權利要求
1.一種文丘裡施肥器的結構優化方法，其包括以下步驟 1)選擇作為模型施肥器的文丘裡施肥器，根據該文丘裡施肥器的十個結構參數工作水進口直徑D1、吸肥液進口直徑Dtl、混合液出口直徑D2、收縮段最小直徑Dtl、擴散段最小直徑Dt2、收縮段長度L1、擴散段長度L2、收縮段角度α、擴散段角度β和喉部長度Ltl,對該文丘裡施肥器運用計算流體動力學技術進行數值模擬建模仿真； 2)工作水進口直SD1、吸肥液進口直徑Dtl和混合液出口直徑D2由與該文丘裡施肥器連接的管口直徑確定；因此，需要優化的結構參數為收縮段最小直徑Dtl、擴散段最小直徑Dt2、收縮段長度L1、擴散段長度L2、收縮段角度α、擴散段角度β和喉部長度Ltl ;根據傳統的文丘裡施肥器結構優化方法確定上述七個結構參數的範圍為=DtlZD1 = O. 16 O. 4，Dt2/D2 = O. 18 O. 4，Dt2/Dtl = I. O I. 4，α = 10。 16。，β =4。 8。,L0/Dtl = O. 6 I.4，D0/L0 = I 3 ; 3)以文丘裡施肥器的最大吸肥效率作為考核該文丘裡施肥器吸肥性能的評價指標；文丘裡施肥器吸肥效率Π的表達式為
2.如權利要求I所述的文丘裡施肥器的結構優化方法，其特徵在於所述步驟I)中，對文丘裡施肥器運用計算流體動力學技術進行數值模擬建模仿真的具體方法為計算採用標準k- ε兩方程湍流模型，壁面按標準壁面函數處理，求解採用SMPLE算法，離散格式中的壓力項採用標準格式，擴散項採用二階中心差分格式，對流項應用二階迎風格式；採用結構化和非結構化網格相結合的混合網格對該模型文丘裡施肥器進行網格劃分，對最小几何尺寸的喉部附近採取加密處理；文丘裡施肥器的進口截面均給定為速度進口條件；混合液出口截面採用壓力出口條件。
3.如權利要求I或2所述的文丘裡施肥器的結構優化方法，其特徵在於所述步驟I)中，收縮段和擴散段採用二段或二段以上變徑管段組合而成，與喉部相連處收縮角和擴散角最小，最大收縮角不超過35° ,最大擴散角不超過25°。
4.一種採用如權利要求3所述的文丘裡施肥器的結構優化方法得到的優化文丘裡施肥器，其特徵在於收縮段和擴散段採用二段變徑組合，工作水進口直徑D1 = 16mm，吸肥液進口直徑Dtl = 9mm,混合液出口直徑D2 = 16mm,收縮段最小直徑Dtl = 4mm,擴散段最小直徑Dt2 = 5. 2mm,收縮段長度L1 = 15mm,擴散段長度L2 = 20mm,收縮段角度α = 13 ，擴散段角度β = 6 ，喉部長度Ltl = 4mm。
全文摘要
本發明涉及一種文丘裡施肥器的結構優化方法，其包括以下步驟1)對模型文丘裡施肥器運用計算流體動力學技術進行數值模擬建模仿真；2)確定文丘裡施肥器需要優化的結構參數的範圍；3)建立以吸肥效率為綜合指標的文丘裡施肥器吸肥性能評價模型；4)將需要優化的參數正交組合，利用計算流體動力學技術進行數值模擬仿真，並通過主元素分析方法確定文丘裡施肥器的最佳結構參數組合收縮段最小直徑Dt1、擴散段最小直徑Dt2、收縮段長度L1、擴散段長度L2、喉部長度L0、收縮段角度α、擴散段角度β；5)按照步驟4)確定的一組最佳結構參數加工成型，並進行性能測試。本發明可用於文丘裡施肥器的結構參數優化設計，提高吸肥性能，還可進行吸肥效率的預測。
文檔編號A01C23/00GK102630426SQ20121009473
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者嚴海軍, 農克儉, 初曉一, 王敏, 陳燕, 馬開 申請人:中國農業大學