定常振荡流施肥模式对灌溉管道混合均匀性的影响.pdf

2023 年 7 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 7 期 Jul.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.7 Vol.42 138 文章编号：1672-3317（2023）07-0138-07 定常振荡流施肥模式对灌溉管道混合均匀性的影响 李 杰，李俊龙，张以升*（郑州大学 水利与土木工程学院，郑州 450001）摘 要：【目的】探究柱塞泵提供的定常振荡注肥模式对灌溉管网首部主干管道水肥混合均匀性的影响，寻求不同运行工况下分干管安全布设距离。【方法】采用室内试验与数值仿真相结合的方法，分析相同工况下管道内肥液质量分数，利用数值仿真方法探究温度、管径、主管流量以及注肥比对水肥混合均匀性影响。【结果】室内试验与数值仿真所得出的水肥混合均匀性规律吻合，随着混合距离的增加混合均匀性逐渐增大。其他工况相同时，当主管管径从 63 mm 增大到 110 mm，有效混合距离平均增加了 0.769 m；温度从 10 增加到 30 时，主管流量为 6、8 m3/h 处理的有效混合距离平均下降了 0.499 m 和 1.681 mm；主管流量从 6 m3/h 增加到 8 m3/h 时，63、90、110 mm 管径处理的有效混合距离平均增加了 1.598、1.064、1.132 m；注肥比从 2%增加到 4%时，63、90、110 mm管径处理的有效混合距离平均减少了 0.534、0.824、0.826 m。【结论】水肥混合均匀所需的有效混合距离随管径与主管流量的增加而增加，随温度与注肥比的增加而减少；采用 63、90、110 mm 的灌溉主管，分干管的开口位置应距注肥口 55.5 m 处。关 键 词：水肥一体化；数值模拟；多相流；注肥三通管；定常振荡流 中图分类号：S274.2 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022582 OSID：李杰,李俊龙,张以升.定常振荡流施肥模式对灌溉管道混合均匀性的影响J.灌溉排水学报,2023,42(7):138-144.LI Jie,LI Junlong,ZHANG Yisheng.Effects of Steady Intermittent Fertilizer Injection on Uniformity of Water and Fertilizer Mixture in Irrigation PipeJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(7):138-144.0 引 言1【研究意义】水肥一体化技术是一种新兴的农业灌溉新技术，水溶性肥液通过注肥设备进入灌溉管道后，与主干管中的水充分混合后进入支管，再经由毛管分配给各灌水器进而实施灌溉，水肥一体化能够最大程度地节约水肥资源提高施肥效率1-3。肥液与水的混合均匀性是决定水肥利用效率的重要因素，一般来说，肥液与水在进入第一级支管前充分混合，可大大提高水肥利用效率，因此研究定常振荡注肥模式对灌溉管网首部主干管道水肥混合均匀性的影响十分重要。【研究进展】Vicent 等4研究发现，管道入口角度趋近于 90 时数值仿真结果与室内管道试验结果之间的误差小于 10%；Walker 等5研究发现，在使用 k-湍流模型时增加模型系数可改善肥液浓度与速度分布的一致性；Yenjaichon 等6研究发现，当注入模式由近壁注入改为射流混合时肥液混合质量会得到显著的提高；Lin 等7研究表明，在T 型管热混合过程中二次流对混合过程起重要作用；收稿日期：2022-10-20 修回日期：2023-03-02 网络出版日期：2023-05-10 基金项目：河南省科技攻关项目（212102110036）作者简介：李杰（1998-），男。硕士研究生，主要从事灌溉水力学研究。E-mail: 通信作者：张以升（1988-），男。讲师，主要从事工程水力学研究。E-mail: 灌溉排水学报编辑部，开放获取 CC BY-NC-ND 协议 Akbari 等8研究将重流体注入轻流体的过程发现，随着重流流速的增加，流体之间的混合更加充分；殷鹏飞等9研究发现，在一定范围内提高水肥流速，降低其流速比及管径比，可有效提高水肥的混合效果，促进水肥混合均匀性；朱金铤等10研究发现，流量比对注肥三通管直通局部阻力系数有显著影响，管径比对局部阻力系数无显著影响；Sun 等11通过建立数值模型，探究了恒定流情况下管道盐溶液与水的混合过程，并通过管道试验验证了数值仿真结果的可靠性，但未探讨定常振荡流情况下液体混合过程；Zhang 等12对定常振荡注肥模式下，灌溉管道内水肥混合规律进行了试验研究，考察了部分管道结构参数、水力参数和肥料物理性质对水肥混合均匀性的影响，但未考虑温度对水肥混合过程的影响。【切入点】在实际喷滴灌工程中，多采用柱塞泵13以脉冲注肥方式向灌溉管道中注入肥液，实际为定常振荡流在管道中的液-液混合，目前关于此过程的研究较少，特别是针对影响水肥混合过程的重要影响因素的研究以及混合机理的分析不够具体。【拟解决的关键问题】本研究拟采用管道试验与数值仿真的方法探究定常振荡流时不同灌溉主管管径、温度、主管流量以及注肥比的情况下管道中水肥混合规律，提出定常振荡流情况下施肥管道支管的安全开口位置，对达成灌溉与施肥过程有机结合、节李杰 等：定常振荡流施肥模式对灌溉管道混合均匀性的影响 139 约水肥资源以及提高施肥效率有重要意义。1 材料与方法 1.1 试验设计 为验证数值仿真结果的准确性设计了物理试验，试验在室内常温下进行。试验系统分为 3 个部分：灌溉水控制系统、注肥系统以及水肥混合管。灌溉水控制系统以 10 m3水箱作为水源，通过变频控制柜（宝鸡市秦川测控科技有限公司）控制水泵以及电磁流量计（CKLDG/LDG，中国，精度为 0.5%）对灌溉管道主管流量进行控制，基于工程实际选择了灌溉主管管径（D=63、90、110 mm），灌溉主管采用 PVC 材料。注肥系统中柱塞泵进出肥管道均采用聚乙烯（PE）管道，直径为 d=12 mm，注入混合管道之中的肥液是固体肥液与水混合稀释后的溶液，试验采用固体肥料为复合肥（N+P2O+K2O）40%），注肥量采用动态称质量法进行测定，即根据 1 min 内抽取的肥液质量换算得到平均注肥流量，试验使用的储肥桶容积为 30 L，电子秤（正峰 T1 台秤）量程为 75 kg，精度为 1 g。为确定水肥混合管道中水肥的混合情况，沿管道中心线布置了上下共34 根取样管，取样管采用直径 8 mm、长度 50 mm的聚乙烯管道，间隔为 0.5 m。试验考虑了灌溉主管管径（D）、温度（T）、主管流量（Q）以及注肥比（=q/Q）对水肥混合均匀性的影响。试验通过变频控制柜和电磁流量计控制主管流量，待管道流量稳定后，通过柱塞泵向管道中注入肥液。为确保肥液与灌溉水充分混合，在开始注肥 5 min 后取样。以第 1 根取样管道为 P1，每隔 1 min 对下 1 根取样管进行取样，每根取样管进行 3 次取样，使用电导率仪（DDSJ-319L）测定P1P17 共计 34 个样品电导率并转换成肥液质量分数，试验影响因素具体如表 1 所示。表 1 试验因素水平 Table 1 Experimental factor levels 处理 T/D/mm Q/(m3 h-1)/%1 10 63 6 2 2 20 90 8 3 3 30 110 4 1.2 数值仿真 1.2.1 模型建立 采用有限元分析软件 Ansys（2021R1）中的CFD 模块建立了如图 1 所示的 T 形三通管几何模型。模拟管道模型的长度为 10 m，直径为 12 mm 的垂直射流注肥口中心处与横向灌溉注水口的距离为 1.5 m。根据所建立的几何模型，采用六面体结构网格进行绘制，不同管径（D=63、90、110 mm）主管的网格数分别为 545 374、756 862、897 654 个，图 1 所示注水口的直径 D=63 mm。图 1 混合管道数值模型 Fig.1 Numerical model of mixed pipe 1.2.2 控制方程 在混合过程中竖直注肥管与横向灌溉管道中的液体流动状态均为湍流，湍流模型使用了应用范围广、精度更高的重新整化群（RNG）k-模型13-14，肥液与水的混合本质上为不同溶质液体的混合，混合模型采用组分运移模型（Species Transport）。连续性方程：t(knk=1k)+(kkknk=1)=0，（1）式中：k 为流体相数；为流体密度（kg/m3）；为流体体积分数；v 为流体平均速度（m/s）。动量方程：t(knk=1kk)+(kkk2nk=1)=-kp+k(k+kt)+kkg+Fnk=1，（2）式中：p 为压力（Pa）；为分子动量（N/m2）；g为重力加速度（m/s2）；F 为体积力（N/m3）。第 k 相的体积分数方程：t(kk)+(kkk)=-(kkdr,k)，（3）dr,k=k-kkVknk=1 kknk，（4）式中：dr,k为第 k 相的滑移速度（m/s）；k为混合相的流速（m/s）。1.2.3 边界条件 在肥液与水的混合模拟中，水进口与肥进口均采用速度入口，数值模型中填充的流体材料分别为水和肥料的溶液，流体材料的密度与黏度会对混合效率产生影响，使用的流体材料属性如表 2。表 2 流体材料属性 Table 2 Properties of fluid material 材料 密度/(kg m-3)黏度/(kg m-1s-1)混合扩散系数 水 997.05 0.000 9 1 10-9 肥液 1 030.0 0.004 0 肥液通过柱塞泵脉冲注入混合管道中，肥液流量变化曲线计算式为：qf=q1+12sin(2t)，（5）式中：qf为肥液注入时的瞬时速度（m/s）。灌溉排水学报 http:/ 140 注肥口与注水口的速度由流量决定，速度计算式为：V1=4Qd2，（6）V2=4q1+12sin(2t)d2，（7）式中：D 为灌溉主管直径（mm）；d 为注肥口直径（mm）。壁面采用无滑移条件，近壁区采用标准壁面函数15-16。出口选择压力出口，动量、体积分数和湍动能采用一阶迎风式离散，计算时间步长确定为 0.01，迭代次数为 1 500 次，计算总时间为 15 s。1.2.4 网格无关性检验以 T1D1Q11 为例，选择了 3 种不同的尺寸对数值模型进行网格划分，网格总数分别为 545 374、600 345、642 321 个。在相同的边界条件下，对 3 种不同网格划分的数值模型，比较相同位置肥液质量分数。如表 3 所示，在不同的网格数目下，相同位置的肥液质量分数基本无变化，故选择网格数目为545 374 的划分尺寸，以达到减少模拟时间的目的。表 3 T1D1Q11 工况下网格的无关性检验 Table 3 Mesh independence study for T1D1Q11 conditions 网格数目 肥液质量分数/%P1 上部 P1 下部 P2 上部 P2 下部 P3 上部 P3 下部 545 374 9.69 0.14 5.77 1.41 4.07 2.22 600 345 9.72 0.14 5.76 1.43 4.12 2.21 642 321 9.73 0.16 5.78 1.44 4.13 2.23 1.3 数据处理 肥液与水在混合管道的混合本质上为两相流混合，为判断管道中水肥混合情况，本研究拟采用偏差系数法作为混合均匀评价指标，在管道截面上距离管壁 2 mm 处从原点处顺时针依次取 9 个点，计算截面的偏差系数。偏差系数越小则表示混合越均匀，0.01 时视作混合均匀17。理想状态下肥液从开始注入混合均匀的过程中，偏差系数值逐步变小最后趋于 0。本研究测量了不同位置的采样管中混合液体的电导率，进而可以判断水肥混合管道系统中水肥混合均匀的位置。1.4 模拟可靠性验证 通过电导率与肥液质量分数的关系，将试验实测混合溶液浓度转化为肥液质量分数与数值