增氧灌溉管路曝氣裝置設計與實驗

徐璟　張育斌　馬二磊　馮培存

摘 要：針對灌溉系統的管路系統封閉環境與市場主流水體增氧設備集成度差的問題，本文設計增氧灌溉管路曝氣裝置核心件曝氣頭的基本結構，運用CFD軟件進行仿真分析，并分析不同結構參數的曝氣頭對灌溉增氧性能的影響，優化并確定了曝氣頭的最佳結構參數。最后根據設計研制了增氧灌溉管路曝氣裝置并與管路完成灌溉試驗。結果表明，該裝置具有增氧效率高、體積小，與灌溉系統實現封閉對接，有廣闊的應用前景。

關鍵詞：曝氣頭;增氧灌溉;管路系統;流體計算

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130018

灌溉增氧灌溉的方式主要有文丘里加氣增氧、機械式增氧、物理式增氧、化學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備對灌溉過程進行加氣處理。機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、土壤結構以及土壤類型等實現通氣處理[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在鋁塑網內等方式進行通氣處理?；瘜W式增氧主要是利用化學試劑來制備富氧水。Bhattarai S P等[9]、程峰等[10]利用稀釋后的雙氧水試劑對水體進行增氧后開展灌溉。

目前，增氧運用效果優勢明顯的是微納米氣泡增氧，釋放數百微米到數百納米之間的氣泡溶于水，具有氣泡粒徑較小，存在時間長、氧傳質效率高以及表面吸附能力強等優點[21]。但應用的模式主要采用釋放氣泡溶于桶內，再抽取溶氣水增壓注入管路內實現管路增氧灌溉，存在管路接入困難，集成度差問題。

1 增氧灌溉管路曝氣發生原理

曝氣頭的結構形式較多，常見的結構如圖1所示，其核心均是微孔節流式，當溶氣水通過小孔時，由于截面積減小，水體流速會加快，壓強突然減小，甚至出現負壓，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，會發生碰撞、翻轉回流等現象，水體的湍流程度會增強，有利于水中微氣泡的釋放。

2 曝氣頭基本結構設計

曝氣頭的性能因結構不同而有較大差異，但都有一個共同特點，就是通過局部真空、振動、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度。只要微觀流態控制的合理，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構來節流。本文設計的曝氣頭基本結構及其內部流場速度矢量圖如圖2所示。

3 曝氣頭流場數值模擬過程

3.1 計算模型

考慮曝氣頭內部的流體處于湍流狀態，采用湍流模擬計算中標準k-ε模型。利用Workbench Mesh模塊對曝氣頭內部流場三維模型進行網格劃分，網格類型為四面體，模型網格劃分如圖3所示。

考慮到數值模擬中網格數量對計算結果有著較大的影響，因此研究不同網格數量的仿真模型對計算結果的影響。調整最大網格尺寸，選取其中網格數量為50萬、90萬、120萬以及150萬的模型進行計算，分別得到a-a面中線b上節點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先減小后增大，網格數量為120萬與150萬的模型計算結果較為相近，考慮計算機的性能和模型求解時間，因此將網格數量控制在120萬左右，此時一個模型的計算求解時間約為12h。

3.2 數值模擬結果初步驗證

3.2.1 壓強指標驗證曝氣頭內部流場

由曝氣頭內部流體壓力場分析可知，在曝氣頭喉部孔附近由于結構發生突變，該結構附近的壓力場梯度較大，負壓效應最為明顯，由于壓力梯度較大使得測量難度劇增，因此本文選擇壓力檢測樣件內部結構中的A點作為壓強檢測點。利用3D打印快速成型工藝制作樣件，使用真空壓力表檢測A點處的壓強值，壓力表量程為-0.1～0MPa。選用兩種不同結構參數的曝氣頭，開展實驗測量其A點附近的壓強值并與模擬計算得到壓強值進行對比，實驗結果如表1所示。

由表中數據可知，2個不同結構參數的曝氣頭在A點位置處壓力實測值與計算值的相對誤差分別為-8.68%和-9.17%，誤差絕對值均小于10%，可見，以壓力值作為驗證指標時模型的計算結果較好，誤差在允許的范圍內。

3.2.2 流量指標驗證曝氣頭內部流場

選取驗證指標為曝氣頭出口的流量，搭建試驗臺，利用串聯管路來測量通過曝氣頭的流量，所用流量計為橢圓齒輪流量計，型號是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，曝氣頭結構參數d=6mm，c=30mm，進口壓力設定為300kPa，出口壓力為0，實驗與仿真結果如表2所示。

由以上數據可以看出，計算得到的曝氣頭流量與實驗值的最大相對誤差為7.19%，相對誤差平均值為4.91%，由此可見，仿真結果的誤差在允許的范圍內。為了使得曝氣頭的流量盡可能的增大，最佳的結構參數組合是湍流腔厚度為2mm、出口角度為6°以及出口個數為2個。

3.3 曝氣頭設計與3D打印

將計算得到的曝氣頭利用3D打印工藝進行快速成型制作，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平臺與應用

根據溶氣釋氣法制備微納米氣泡原理，結合傳感器的使用條件，設計了如圖7所示的微氣泡增氧試驗平臺原理圖，主要包括2個部分：微納米氣泡發生模塊、溶氧水DO（Dissolved Oxygen）值檢測模塊。

研制的增氧灌溉管路曝氣裝置作為水肥一體化智能設備中的增氧模塊，開展水肥一體化技術與裝備示范應用，智能設備在寧波農業科學研究院東錢湖基地開展示范應用，增氧效果明顯，設備應用如圖8所示。

5 結論

在不同喉部孔直徑、湍流腔厚度、出口角度以及出口個數的條件下，研究其對曝氣頭內部負壓區域、湍流強度區域以及流量大小的影響。在曝氣頭計算仿真基礎上，得到最佳的結構參數組合，完成了微納米氣泡發生裝置試驗平臺搭建，研制增氧灌溉管路曝氣裝置。

將計算得到的曝氣頭利用3D打印進行成型，在智能水肥一體化技術基礎上，增加增氧灌溉管路曝氣裝置，完成了智能水肥氣灌溉設備示范應用，該設備具有增氧效率高、體積小、曝氣頭可直接安裝設備，形成封閉的灌溉管路系統，在增氧灌溉領域有著廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]張敏.加氣灌溉條件下溫室甜瓜生長效應的研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2011.

[2]Bagatur T.Evaluation of Plant Growth with Aerated Irrigation Water Using Venturi Pipe Part[J].Arabian Journal for Science and Engineering，2014，39（4）：2525-2533.

[3]張璇，牛文全，甲宗霞.根際通氣量對盆栽番茄生長、蒸騰量及果實產量的影響[J].中國農學通報，2011，27（28）：286-290.

[4]Niu W， Guo Q， Zhou X， et al.Effect of Aeration and Soil Water Redistribution on the Air Permeability under Subsurface Drip Irrigation[J].Soil Science Society of America Journal，2012，76（3）：815.

[5]郭超，牛文全.根際通氣對盆栽玉米生長與根系活力的影響[J].中國生態農業學報，2010，18（06）：1194-1198.

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[7]孫周平，郭志敏，王賀.根際通氣性對馬鈴薯光合生理指標的影響[J].華北農學報，2008（03）：125-128.

[8]李勝利，齊子杰，王建輝，等.根際通氣環境對盆栽黃瓜生長的影響[J].河南農業大學學報，2008（03）：280-282.

[9]Bhattarai S P， Midmore D J， Pendergast L. Yield， water-use efficiencies and root distribution of soybean， chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols[J]. Irrigation Science， 2008，26（5）：439-450.

[10]程峰，姚幫松，肖衛華，等.不同增氧滴灌方式對香芹生長特性的影響[J].灌溉排水學報，2016，35（03）：91-94.

（責任編輯 李媛媛）

收稿日期：2020-11-18

基金項目：寧波市科技局計劃項目（項目編號：2017C10039）;中央引導地方科技發展專項資金項目（項目編號：2019C10103）

作者簡介：徐璟（1979-），女，碩士，副教授。研究方向：智能控制和信息化等。