增氧灌溉管路曝氣裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

　　摘 要：針對(duì)灌溉系統(tǒng)的管路系統(tǒng)封閉環(huán)境與市場(chǎng)主流水體增氧設(shè)備集成度差的問題，本文設(shè)計(jì)增氧灌溉管路曝氣裝置核心件曝氣頭的基本結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行仿真分析，并分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣頭對(duì)灌溉增氧性能的影響，優(yōu)化并確定了曝氣頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)研制了增氧灌溉管路曝氣裝置并與管路完成灌溉試驗(yàn)。結(jié)果表明，該裝置具有增氧效率高、體積小，與灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)封閉對(duì)接，有廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文源自農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2020年22期《農(nóng)業(yè)與技術(shù)》雜志創(chuàng)刊于1980年，由中國科技期刊編輯學(xué)會(huì)、吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所主辦，農(nóng)業(yè)與技術(shù)雜志社編輯出版的國家級(jí)農(nóng)業(yè)綜合性刊物。本刊國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN22-1159/S，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1671-962X，廣告經(jīng)營許可證：吉工商廣字01028。

　　灌溉增氧灌溉的方式主要有文丘里加氣增氧、機(jī)械式增氧、物理式增氧、化學(xué)式增氧以及微納米氣泡增氧這幾種方式。張敏等[1]、Bagatur等[2]利用特制的文丘里加氣設(shè)備對(duì)灌溉過程進(jìn)行加氣處理。機(jī)械式增氧主要利用空氣泵、打氣筒等向土壤中加氣。張璇等[3]、Niu Wenquan等[4]利用空氣壓縮機(jī)為番茄通氣供氧;郭超等[5]采用普通打氣筒為盆栽植物供氣。物理式增氧主要通過改變土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)以及土壤類型等實(shí)現(xiàn)通氣處理[6]。孫周平等[7]、李勝利等[8]通過根系管通氣、土壤中加入巖石以及將作物培養(yǎng)在鋁塑網(wǎng)內(nèi)等方式進(jìn)行通氣處理。化學(xué)式增氧主要是利用化學(xué)試劑來制備富氧水。Bhattarai S P等[9]、程峰等[10]利用稀釋后的雙氧水試劑對(duì)水體進(jìn)行增氧后開展灌溉。

　　目前，增氧運(yùn)用效果優(yōu)勢(shì)明顯的是微納米氣泡增氧，釋放數(shù)百微米到數(shù)百納米之間的氣泡溶于水，具有氣泡粒徑較小，存在時(shí)間長、氧傳質(zhì)效率高以及表面吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[21]。但應(yīng)用的模式主要采用釋放氣泡溶于桶內(nèi)，再抽取溶氣水增壓注入管路內(nèi)實(shí)現(xiàn)管路增氧灌溉，存在管路接入困難，集成度差問題。

　　1 增氧灌溉管路曝氣發(fā)生原理

　　曝氣頭的結(jié)構(gòu)形式較多，常見的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心均是微孔節(jié)流式，當(dāng)溶氣水通過小孔時(shí)，由于截面積減小，水體流速會(huì)加快，壓強(qiáng)突然減小，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，在微孔附近壓力變化非常激烈，促使氣泡析出。如圖1(b)和(d)所示，溶氣水在通過小孔之前，在壁面等的阻隔之下，會(huì)發(fā)生碰撞、翻轉(zhuǎn)回流等現(xiàn)象，水體的湍流程度會(huì)增強(qiáng)，有利于水中微氣泡的釋放。

　　2 曝氣頭基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　曝氣頭的性能因結(jié)構(gòu)不同而有較大差異，但都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是通過局部真空、振動(dòng)、回流、擠壓、散射等多種行為，使得溶氣水在較大壓差下釋放，并使消能室具有盡可能高的速度梯度以及湍流強(qiáng)度。只要微觀流態(tài)控制的合理，就能得到較小尺寸的微氣泡，曝氣頭通常采用微孔或縫隙結(jié)構(gòu)來節(jié)流。本文設(shè)計(jì)的曝氣頭基本結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量圖如圖2所示。

　　3 曝氣頭流場(chǎng)數(shù)值模擬過程

　　3.1 計(jì)算模型

　　考慮曝氣頭內(nèi)部的流體處于湍流狀態(tài)，采用湍流模擬計(jì)算中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。利用Workbench Mesh模塊對(duì)曝氣頭內(nèi)部流場(chǎng)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

　　考慮到數(shù)值模擬中網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有著較大的影響，因此研究不同網(wǎng)格數(shù)量的仿真模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。調(diào)整最大網(wǎng)格尺寸，選取其中網(wǎng)格數(shù)量為50萬、90萬、120萬以及150萬的模型進(jìn)行計(jì)算，分別得到a-a面中線b上節(jié)點(diǎn)的壓力值分布曲線如圖4～5所示。

　　由圖5中曲線可以看出，a-a截面中線b的壓力值隨位置坐標(biāo)先減小后增大，網(wǎng)格數(shù)量為120萬與150萬的模型計(jì)算結(jié)果較為相近，考慮計(jì)算機(jī)的性能和模型求解時(shí)間，因此將網(wǎng)格數(shù)量控制在120萬左右，此時(shí)一個(gè)模型的計(jì)算求解時(shí)間約為12h。

　　3.2 數(shù)值模擬結(jié)果初步驗(yàn)證

　　3.2.1 壓強(qiáng)指標(biāo)驗(yàn)證曝氣頭內(nèi)部流場(chǎng)

　　由曝氣頭內(nèi)部流體壓力場(chǎng)分析可知，在曝氣頭喉部孔附近由于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，該結(jié)構(gòu)附近的壓力場(chǎng)梯度較大，負(fù)壓效應(yīng)最為明顯，由于壓力梯度較大使得測(cè)量難度劇增，因此本文選擇壓力檢測(cè)樣件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的A點(diǎn)作為壓強(qiáng)檢測(cè)點(diǎn)。利用3D打印快速成型工藝制作樣件，使用真空壓力表檢測(cè)A點(diǎn)處的壓強(qiáng)值，壓力表量程為-0.1～0MPa。選用兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣頭，開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量其A點(diǎn)附近的壓強(qiáng)值并與模擬計(jì)算得到壓強(qiáng)值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

　　由表中數(shù)據(jù)可知，2個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣頭在A點(diǎn)位置處壓力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的相對(duì)誤差分別為-8.68%和-9.17%，誤差絕對(duì)值均小于10%，可見，以壓力值作為驗(yàn)證指標(biāo)時(shí)模型的計(jì)算結(jié)果較好，誤差在允許的范圍內(nèi)。

　　3.2.2 流量指標(biāo)驗(yàn)證曝氣頭內(nèi)部流場(chǎng)

　　選取驗(yàn)證指標(biāo)為曝氣頭出口的流量，搭建試驗(yàn)臺(tái)，利用串聯(lián)管路來測(cè)量通過曝氣頭的流量，所用流量計(jì)為橢圓齒輪流量計(jì)，型號(hào)是CX-M12SS，量程為0.3～30L·min-1，精度為0.5%。采用3D打印成型工藝制作曝氣頭樣件，曝氣頭結(jié)構(gòu)參數(shù)d=6mm，c=30mm，進(jìn)口壓力設(shè)定為300kPa，出口壓力為0，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果如表2所示。

　　由以上數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算得到的曝氣頭流量與實(shí)驗(yàn)值的最大相對(duì)誤差為7.19%，相對(duì)誤差平均值為4.91%，由此可見，仿真結(jié)果的誤差在允許的范圍內(nèi)。為了使得曝氣頭的流量盡可能的增大，最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是湍流腔厚度為2mm、出口角度為6°以及出口個(gè)數(shù)為2個(gè)。

　　3.3 曝氣頭設(shè)計(jì)與3D打印

　　將計(jì)算得到的曝氣頭利用3D打印工藝進(jìn)行快速成型制作，材料為光敏樹脂，成型的樣件如圖6所示。

　　4 增氧灌溉管路曝氣裝置試驗(yàn)平臺(tái)與應(yīng)用

　　根據(jù)溶氣釋氣法制備微納米氣泡原理，結(jié)合傳感器的使用條件，設(shè)計(jì)了如圖7所示的微氣泡增氧試驗(yàn)平臺(tái)原理圖，主要包括2個(gè)部分：微納米氣泡發(fā)生模塊、溶氧水DO(Dissolved Oxygen)值檢測(cè)模塊。

　　研制的增氧灌溉管路曝氣裝置作為水肥一體化智能設(shè)備中的增氧模塊，開展水肥一體化技術(shù)與裝備示范應(yīng)用，智能設(shè)備在寧波農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院東錢湖基地開展示范應(yīng)用，增氧效果明顯，設(shè)備應(yīng)用如圖8所示。

　　5 結(jié)論

　　在不同喉部孔直徑、湍流腔厚度、出口角度以及出口個(gè)數(shù)的條件下，研究其對(duì)曝氣頭內(nèi)部負(fù)壓區(qū)域、湍流強(qiáng)度區(qū)域以及流量大小的影響。在曝氣頭計(jì)算仿真基礎(chǔ)上，得到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，完成了微納米氣泡發(fā)生裝置試驗(yàn)平臺(tái)搭建，研制增氧灌溉管路曝氣裝置。

　　將計(jì)算得到的曝氣頭利用3D打印進(jìn)行成型，在智能水肥一體化技術(shù)基礎(chǔ)上，增加增氧灌溉管路曝氣裝置，完成了智能水肥氣灌溉設(shè)備示范應(yīng)用，該設(shè)備具有增氧效率高、體積小、曝氣頭可直接安裝設(shè)備，形成封閉的灌溉管路系統(tǒng)，在增氧灌溉領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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