李 浩，黄修桥，吕谋超，韩启彪，孙 浩，段福义(.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点试验室，河南 新乡 453002；2.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 2203)

0 引 言

在粮食生产过程中，科学运筹水肥资源是农作物获得丰产稳产的重要保证。因此，具有显著的节水、节肥、高效环保的水肥一体化技术是现代农业发展的必然选择。目前灌溉中常见的水肥一体化装置主要有压差施肥罐、文丘里施肥器、注肥泵、自动注肥机等。而文丘里施肥器以其价格低廉、使用方便的优点，广泛应用在园林、园艺和设施农业等方面。

尽管文丘里施肥器结构简单，无运动部件[1-3]，但是其工作过程涉及两种液体混合，导致其内部流场复杂，能量损失较大[4]。因此，对文丘里施肥器性能分析和结构参数的优化成为研究工作的热点，国内外学者热衷于通过数值模拟[5-7]与物理试验[8-10]的方法对其展开研究。另外，由于文丘里施肥器的特殊结构，其在吸肥过程中极易产生空化现象，因此，有学者通过高速摄影等试验的方法研究了空化现象对文丘里施肥器吸肥性能的影响[11,12]。然而，文丘里施肥器空化过程中，其内部流动规律及水肥混合过程有待进一步研究。本文基于计算流体力学(CFD)技术，利用Fluent软件对文丘里施肥器内部流场进行三维定常数值模拟，并对施肥器内部流动规律与混合过程进行分析，对文丘里施肥器的结构参数的优化和设计提供了理论依据和参考。

1 试验装置

试验在水利部节水灌溉设备质量检测中心进行。试验装置采用闭式布置方式，由智能恒压变频供水箱、肥液桶、阀门、流量计、压力表等组成。其中，智能恒压变频水箱为系统提供工作介质(清水)和动力，流量计和压力表分布用于测量施肥器前后流量和压力。试验时，通过控制阀门的开度调节文丘里施肥器两端压差，试验装置如图1所示。

1-智能恒压变频供水箱；2-阀门1；3-流量计1；4-压力表1；5-文丘里施肥器；6-压力表2；7-流量计2；8-阀门2；9-阀门3；10-肥液桶图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic of the experimental system

本文以Mazzei 1078型文丘里施肥器为研究对象，按水流方向，计算域包括：进水口，收缩段，混合室，吸肥口，喉管，扩散段，出水口。其中，进口直径d1=20 mm,出口直径d2=d1=20 mm,吸肥口直径d3=17.5 mm，喉管直径dh=8 mm,收缩角α=41°，扩散角β=14°，进口直管段长度l1=59.5 mm,喉管长度lh=5 mm,出口长直管段l2=80 mm. 施肥器计算模型结构参数如图2所示。

图2 文丘里施肥器结构图Fig.2 Configuration of the venturi injector

2 数值计算模型及方法

采用ICEM CFD软件对计算域进行结构网格划分，网格总数为966240。采用Ansys Fluent 17.2商业CFD软件，基于不可压缩流动的假设，对文丘里施肥器在不同工况下进行稳态湍流数值模拟。数值模拟采用雷诺平均法，以有限体积法在空间域上对控制方程进行离散，并采用SIMPLE压力修正算法求解速度和压力耦合问题。同时，选取standardk-ε湍流模型，基于mixture多相流模型对文丘里施肥器进行数值模拟。另外，分别在进水口和出水口施加压力进口和压力出口边界条件；对吸肥口施加压力进口边界，同时设置压力为标准大气压。此外，壁面边界采用标准壁面边界条件，计算残差设置为10-5。施肥器计算域网格和边界条件如图3所示。

图3 文丘里施肥器计算域网格和边界条件Fig.3 Computional grids and boundary conditions

为了进一步分析肥液的混合过程，计算时，在mixture模型中分别将工作介质water-liquid设置为primary phase，urea、water-vapor设置为secondary phase。为了保证数值模拟的精度，首先在不打开空化模型的基础上对施肥器进行计算，计算收敛后，激活基于Rayleigh-Plesset方程的Zwart -Gerber Belamari空化模型继续对其进行计算，直至计算重新收敛。

3 结果分析

3.1 试验结果与数值模拟计算结果对比

试验测试了文丘里施肥器在工作压力P1=350 kPa时6个不同出口压力(P2=140、150、175、200、225、250 kPa)下的水力性能，并在该6个工况下对文丘里施肥器开展数值模拟。性能试验和数值模拟结果对比曲线如图4所示。

由图4可知，在较小压差条件下(ΔP≤175 kPa)，数值模拟和试验得到的性能曲线趋势一致；随着压力差的增大，未激活空化模型的数值模拟结果试验性能曲线存在显著差异，特别是在大压差情况下(ΔP=210 kPa)，偏差大大增加，约为试验结果的16.3%；而激活空化模型的数值计算结果和试验结果整体吻合较好。这是因为，在压差增大的情况下，文丘里施肥器很容易产生局部压力达到在相应的温度下液体的饱和蒸汽压，从而发生空化现象，使得工作液体和肥液的混合情况更为复杂。因此，常规的计算模型无法正确模拟此时文丘里施肥器的内部流动，而激活空化模型后，数值计算过程中考虑到工作液体的空化现象，从而保证了计算结果的准确性。由此可知，CFD数值模拟对文丘里施肥器性能的预测是可行的，空化模型使模拟结果更加可靠。另外，从曲线变化趋势还可以得到，文丘里施肥器的吸肥量没有随着压差的增大而一直增大，当空化发生后，吸肥量逐渐趋于稳定，基本保持在q=0.24 m3/h左右。因此，认为空化作用对吸肥性能有一定影响。

图4 试验与计算结果对比曲线Fig.4 Comparison of experimental and numerical simulation results

3.2 压力变化过程分析

图5为P2=140 kPa时，沿工作流体流动方向上文丘里施肥器当地压力变化曲线。由图5可见，文丘里施肥器的当地压力由收缩段开始逐步减小，在混合室和喉管处，发生明显的降低现象，同时在喉管处达到最低，并形成负压。而在扩散段的作用下，压力逐渐增大，最后在出口段达到140 kPa。该曲线表明了施肥器的压力损失主要发生在混合室和喉管处。这是因为肥液与工作液体在混合室开始发生混合，由于肥液过流截面的骤然减小，使得肥液的速度梯度变化迅速增大，而速度梯度越大，能量损失越大。因此，混合室处，吸肥口进入施肥器的过流截面对该处的能量损失有重要影响，在设计过程中应采用合适的结构，以降低能量的损失。

图5 文丘里施肥器沿x方向压力分布曲线Fig.5 Local pressure along X direction

3.3 湍动能和湍流耗散率分析

图6、图7分别表示了P2=140 kPa时,湍动能和湍流耗散率在文丘里施肥器不同位置处的变化曲线。可以发现，两曲线变化趋势基本相同。工作流体经过收缩段时，曲线仅产生轻微波动，当其从喷嘴喷出，与肥液发生混合，在扩散段曲线开始急剧增加，混合液体在距混合室下游50 mm处的扩散段形成了湍流核心区，同时，在该区域，湍动能和湍流耗散率均达到最大值，然后逐渐下降，在出口处达到最低点。

图6 文丘里施肥器沿x方向肥液湍动能分布曲线Fig.6 Turbulent kinetic energy along X direction

图7 文丘里施肥器沿x方向肥液体积湍流耗散率分布曲线Fig.7 Turbulent eddy dissipation along X direction

图8 文丘里施肥器沿x方向肥液体积分数分布曲线Fig.8 Volume fraction of secondary flow along X direction

3.4 混合过程分析

图8表示在出口压力P2=140 kPa时，文丘里施肥器内部肥液积分数的变化。对比图6、图7可知，最初在肥液进入混合室时，相对于工作流体，因其流量很小，且混合室和喉管长度较小，肥液还未来得及与工作流体充分混合即迅速进入扩散段，因此，曲线在该处表现为稍有提升，在进入扩散段后，随着湍动能的增加及湍流耗散的作用，肥液和工作流体发生充分混合，因此其体积分数大幅增加。而在出口处，湍动能强度和湍流耗散率均降低至最小值，两种液体发生充分混合，故该处肥液体积分数的增长速度放慢，最终达到稳定。这表明，两种流体的混合主要发生在初始接触的下游，而不是第一次接触时就发生大量混合。随着湍动能和湍流耗散率逐步趋向稳定，两种液体也达到均衡和充分混合。

这些情况的出现，文丘里施肥器内部的流动状态是一个不可忽视的因素。由于混合室和喉管处长度小，液体流速大，因此，两种流体不能在该处完全混合。在扩散段，速度梯度的变化使被吸液体在工作液体中迅速扩散。直到将近出口处方达到均匀混合。因此，通过优化混合室和喉管的结构，改善文丘里施肥器内部流动状态，有利于两种液体的混合。

4 结 语

采用试验和数值模拟相结合的方法对文丘里喷嘴内部流动进行了研究，得出以下结论。

(1)数值模拟能准确反映文丘里施肥器的水力特性。根据内部流场的流动特性，选择合适的计算模型是保证数值计算结果可靠性的关键。空化发生时，无空化模型的计算结果与试验结果相差很大。相反，考虑空化模型的计算结果与试验结果吻合度较高。因此，在适当的计算模型下，用CFD数值方法预测文丘里施肥器的水力性能和流场是可靠的。

(2)工作液体和肥液地混合在喉部的高速流动中表现并不明显，他们的混合过程是在扩散段逐步完成。同时，由于流体在混合室和喉部的复杂流动，以及其过流截面的突然变化，导致速度梯度急剧变化，因而能量损失主要发生在该区域。另外，由于该文丘里施肥器混合室和喉管结构的影响，两种液体的混合主要发生在扩散段，优化混合室和喉管处的结构，不仅可以减小能量损失，还可以促进液体的充分混合。

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