基于PIPENET的在線式水肥一體化施肥機管路優(yōu)化設計

李 愷，尹義蕾，何 斌，侯 永，張月紅，張學軍

(1. 農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125； 2. 農業(yè)農村部農業(yè)設施結構工程重點實驗室，北京 100125；3. 西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

隨著國家設施農業(yè)的不斷發(fā)展，設施裝備水平也在不斷提升，水肥管理作為生產(chǎn)管理中重要一環(huán)，也逐漸被生產(chǎn)者所重視，相應的水肥一體化施肥設備需求不斷加大，市場上形形色色的施肥機集中涌現(xiàn)，而不同的設備混肥原理基本相同，但由于不同園區(qū)水源條件差異較大，在吸肥混肥部分的管路設計和水泵選型方面常存在不匹配情況，需要在設計初期就根據(jù)具體情況做差異性設計[1]。在基本管路原定確定的條件下，為快速準確地確定管路相關尺寸，選擇合適的水泵類型和型號，選擇PIPENET軟件作為計算機輔助設計工具[2]。

PIPENET軟件具有高效、準確的管網(wǎng)系統(tǒng)計算工具，對樹狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)等復雜管網(wǎng)水力計算、多水源系統(tǒng)模擬等方面已獲得廣泛應用。國內針對消防、海上鉆井平臺結合科學的計算方法來核準整個系統(tǒng)的流體阻力，進行防水錘沖擊、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的研究已有很多[3-6]。本文采用 PIPENET 軟件的標準模塊，對單機設備內管路通過導入計算模型、設置邊界條件和管道部件參數(shù)，進行仿真分析，并通過試驗驗證確定仿真結果的可參考性，便于后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化設計。因此，使用以上方法得到的計算結果將為水肥一體化施肥機管路的設計合理與否提供重要依據(jù)。

1 在線式水肥一體化施肥機系統(tǒng)構成

我國設施農業(yè)主要還是以單棟日光溫室或塑料大棚為主，土壤栽培占絕大多數(shù)，水肥一體化技術是設施農業(yè)生產(chǎn)中節(jié)水節(jié)肥的重要手段[7]，而施肥機作為重要載體，通過文丘里管、比例施肥泵、計量泵等核心元件實現(xiàn)水與肥料的適量混合，并注入施肥管道，通過滴灌、噴灌等方式完成施肥與灌溉。

結合實驗地點河北永清龍虎莊鄉(xiāng)當?shù)厮辞闆r，本研究針對日光溫室膜下微噴灌溉設計了在線式水肥一體化施肥機，圖1為施肥機管路原理圖，設備包括主管路和吸肥支路，設備管路均采用PVC-U給水管。為減少占地面積，設備整體采用立式結構，混肥核心部件為文丘里管。

圖1 施肥機管路原理

試驗溫室種植區(qū)域長70 m，寬8 m，種植面積560 m2，采取膜下微噴方式種植黃瓜為，一壟雙行，壟中心距0.6 m，使用φ28微噴帶，噴孔間隔100 mm，水源流量為30 m3。

施肥機最主要的性能參數(shù)是混肥能力，混肥核心部件文丘里管的吸肥量主要取決于喉部負壓，喉部負壓與文丘里管出入口壓力差呈線性關系，與通過流量平方呈線性關系[8]，因此仿真關注出入口壓力差及通過流量，按照肥料稀釋比例500倍，母液配置稀釋10倍，還需要施肥機稀釋倍數(shù)為50倍，按照30 m3/h灌溉流量需求。

2 管道流阻計算方法

采用PIPENET管網(wǎng)流體分析軟件中standard模塊進行仿真計算[9]。

2.1 沿程壓力損失計算

管道沿程壓力損失ΔPY按Darcy-Weisbach公式計算，即：

(1)

式中：λ為管道摩擦系數(shù)，按式(2)計算；L為管道長度，m；d為管道內徑，mm；ρ為水肥溶液密度，kg/m3；v為管道內流速，m/s。

在線式水肥一體化施肥機主體管路按照30 m3/h設計，所用管路為截面為圓形的UPVC供水管，管道內徑100 mm。管道摩擦系數(shù)與流動狀態(tài)及管壁粗糙度有關，根據(jù)設計流速，λ按Colebrook方程計算[10]，即式(2)。施肥機內管道雷諾數(shù)Re>2 000，系統(tǒng)處于過渡狀態(tài)或紊流狀態(tài)，其中Re按式(3)計算[11]。

(2)

(3)

式中：ε為管壁等值粗糙度，mm；μ為水肥溶液的動力黏度，Pa·s。

2.2 局部壓力損失計算

管道中的彎頭、三通等管件的局部壓力損失ΔPJ為：

(4)

式中：ζ為管道各局部阻力系數(shù)。

彎頭、三通等管件的局部阻力系數(shù)ζ的取值根據(jù)相關動力管道設計規(guī)范[12]及PVC-U管件標準[13]確定。

2.3 高差靜壓降計算

管道進出口位置高度差產(chǎn)生的靜壓降ΔPH為：

(5)

式中：HI、HO分別為管道進口、出口的位置標高，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

2.4 管道總壓力損失計算

管道總壓力損失由沿程壓力損失、局部壓力損失、高差靜壓降的壓力損失3部分組成， 管道總壓力損失ΔP為：

ΔP=ΔPY+ΔPJ+ΔPH

(6)

3 計算假設及邊界條件

(1)施肥機處于灌溉系統(tǒng)中，系統(tǒng)供水及施肥處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，擬定設備仿真處于20 ℃環(huán)境溫度中。

(2)在實際環(huán)境中，施肥機供水水源流量為30 m3/h，施肥末端滴灌帶要求壓力為0.15 MPa。

(3)管壁的等值粗糙度取0.1 mm。

(4)為滿足穩(wěn)定吸肥，文丘里管進、出口端壓力差要大于0.15 MPa。

4 計算模型及參數(shù)輸入

在PIPENET軟件環(huán)境下，根據(jù)在線式水肥一體化施肥機系統(tǒng)構建管道計算模型，如圖3所示。圖中節(jié)點1與節(jié)點8分別為施肥機的供水口及灌溉口，即系統(tǒng)入口和出口。各段管道編號如圖4所示。各節(jié)點及管路參數(shù)設置如表1所示。

圖4 施肥機管道計算模型

按照肥料稀釋比例500倍，母液配置稀釋10倍，還需要施肥機稀釋倍數(shù)為50倍，按照30 m3/h灌溉流量需求，吸肥流量約600 L/h，水泵流量約為6 m3/h。選擇流量4～8 m3/h的臥式離心泵，通過利用多項式模型擬合水泵流量圧力曲線滿足：

y= -0.004 5x2-0.003 5x+0.385 4

(7)

5 計算結果

通過PIPENET軟件仿真得到結果，主管路流速為0.9～1.2 m，符合設備經(jīng)濟流速，水泵實際運行流量5.488 m3/h滿足水泵運行工況需求。系統(tǒng)最大壓力為0.379 MPa，處于UPVC管路安全壓力范圍內。文丘里管處進出口端壓力差為0.22 MPa，滿足吸肥啟動壓力，文丘里管內流量2.743 m3/h(圖5～圖7)。

表1 施肥機節(jié)點及管路參數(shù)設置

圖5 施肥機管道流量仿真結果(單位：m3/h)

圖6 施肥機管道流速仿真結果(單位：m)

圖7 施肥機節(jié)點壓力仿真結果(單位：MPa G)

6 試驗驗證

為驗證仿真結果的可靠性，在實驗室條件下進行了施肥機管路性能檢測試驗，通過初始設計搭建如圖2的在線式水肥一體化施肥機性能測試平臺。實驗臺包括3個聯(lián)通的1.5 m3蓄水桶，蓄水桶出口接入額定流量為30 m3/h的變頻泵，施肥機按照仿真優(yōu)化的管徑和CHL4-30臥式離心泵搭建試驗樣機，選配DN20文丘里管，施肥機出入口分別安裝壓力表及流量表(圖8)。

1-入口壓力表；2-入口流量計；3-蓄水箱；4-水源變頻泵；5-出口流量計；6-出口壓力表；7-施肥機圖8 施肥機管路驗證試驗系統(tǒng)

調整出口球閥和水源水泵變頻器設定壓力，使系統(tǒng)出口壓力為0.15 MPa且系統(tǒng)運行穩(wěn)定后入口壓力0.163 MPa，流量為30 m3/h，施肥機主管路壓力為0.154 MPa，仿真結果與實測值誤差小于5.5%(圖9)。單路吸肥流量分別為336、319 L/h，出口處肥料溶液EC值波動范圍為2 200～2 600 mS/cm，通過調整吸肥管路上的針閥可以調整施肥機吸肥量，從而調整灌溉溶液的EC值，設備滿足水肥一體化灌溉使用。

圖9 施肥機水泵仿真結果

7 結 論

(1)通過驗證實驗可以看出，基于PIPENET進行施肥設備管路輔助設計可校核設備管徑合理性，快速計算水泵實際工作工況點，有利于水泵迅速選型工作狀態(tài)的調整，通過仿真結果與實測值對比主管路壓力誤差小于5.5%。

(2)PIPENET模擬分析軟件用于施肥設備管路輔助設計結果可靠，減少或簡化樣機試制輪次，從而加速施肥機設計過程。