关 键 词：柱塞泵；Fluent 仿真；机械效率；施肥器；注肥
【研究意义】党的十九大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视节水工作，省、市、县各级水利部门、农业部门坚持和落实“节水优先”方针，以提升水资源集约节约利用能力为目标，深入实施国家节水行动，大力发展农业节水灌溉[1]。我国是农业大国，化肥单亩使用量和种植面积皆位于全球前列，化肥总使用量占全球 30%以上[2]，但由于施肥设备和肥料制造等多方面的原因导致国内肥料利用率同各主要发达国家相比仍处于较低水平[3]。我国水资源虽然总量丰富但人均占有量较少，是世界上水资源严重短缺的国家之一[4]。大部分农田施
肥依然使用较为落后的传统灌溉施肥方式。过度灌溉、施肥不仅浪费水肥资源，还会破坏水土环境，导致土壤板结，严重影响作物产量、质量。如果灌溉用水效率适度提高 10%，即在 50 a 内用水效率每年提高 0.3%，可以减少城市地表水赤字约 26.18 亿m3，能帮助 78%的水脆弱城市及 2.36 亿居民缓解水危机，因此提高灌溉效率具有重要意义[5]。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业技术，该技术可以保证作物所需水分和养分得到供应，提高节水节肥效果，是实现农业水资源高效利用的重要环节。因此研究提高水肥一体化注肥设备工作效率，推动水肥一体化技术发展，是“加快建设农业强国”的一个重要举措。
【研究进展】水肥一体化机施肥设备按照工作方式的不同，主要分为文丘里施肥器、压差式施肥罐、比例泵施肥器和往复式注肥泵。部分学者[6-7]对文丘里施肥器、压差式施肥罐、比例泵施肥器的应用和已有研究做了详细的阐述。往复式注肥泵属于容积式水力机器[8]，广泛应用于工业领域，其由 3 个主要部件组成，分别是驱动系统、调节装置及输送装置[9]。国内对往复式注肥泵在微灌、滴灌等水肥一体化系统的应用研究还较少，主要在大型灌区进行了应用研究，范围较小[10-16]。近年来因往复式注肥泵工作效率较高且操作便捷等优点，在农业领域内使用范围日益增加[17-19]，利用控制活塞的周期性往复式运动实现进出水肥功能进行研究也质疑增多，Thierry 等[20]利用水流驱动活塞运动，成功研制出一种可实现自动加肥的活塞式驱动泵。Silva 等[21]研究出了工作原理与活塞泵相近的可安置于大型拖拉机的施肥设备，提升了肥料利用率。杨志春等[22]分析单柱塞泵流量压力输出特性，研究了单柱塞泵的工作原理。
目前应用于农业领域的往复式注肥泵存在机械效率较低，泵箱占用空间较大，重量过大，集成化程度较低，加工与运输成本较高等问题。机械效率是表征能量转换装置效率的重要参数，是施肥设备性能的重要技术指标之一[23]。由于施肥设备内部存在多个摩擦副，相对运动和水肥溶液间黏性造成的损失势必导致机械效率降低，影响施肥效益。施肥设备机械效率的高低直接影响整个灌溉系统的效率和工作稳定性[24]，机械效率已成为施肥设备选型与应用的重要考虑因素。
【切入点】目前，根据实际调查，工业用往复泵因其工作环境承受压力较大，机械效率远高于农业用泵。又因为往复泵单位时间内抽送的液体体积取决于活塞（柱塞）的截面积、行程长度、冲次及缸数，与压力并无关系，所以工业往复泵可以作用在农业中。工业往复泵在流量可调性、稳定性、防腐蚀性等方面相较农业用泵都有较大提升，虽然相比于工业中动辄 8~10 MPa 的压力工作环境，农业灌溉不论微灌或是喷灌，压力都不会超过 1 MPa，这将导致机械效率有所降低，但同比目前市场上常用的文丘里管、压差式施肥罐，工业往复泵的机械效
率依然占有较大优势。因此开展往复式注肥泵的优化设计，研究往复式注肥泵的核心部件改进方案，对于提升水肥一体化机施肥设备性能具有重要意义[25-26]。【拟解决的关键问题】本文基于提升机械效率的目标对往复式注肥泵的核心部件进行改进，设计了一款能够精准调节施肥量、机械效率高、成本低的等截面双作用柱塞泵。运用 Fluent 软件对等截面双作用柱塞泵模型进行仿真，通过提取内部流场流体域中速度矢量、压力矢量及质量分数等特征，确定新式柱塞泵工作腔与内部流道方案设计的合理性，根据仿真结果分析新式柱塞泵模型的设计合理性。将等截面双作用柱塞泵与文丘里施肥管组装入水肥一体化机，进行不同时间内输出水肥可溶性离子浓度（EC 值）变化试验、不同管段输出水肥 EC 值变化试验及新式柱塞泵的机械效率试验，通过试验数据进一步分析等截面双作用柱塞泵的优化程度。研究为提升水肥一体化机机械效率提供试验和理论参考。
1 材料与方法
1.1 泵设计
等截面双作用柱塞泵设备结构如图 1 所示，整机长度 0.75 m，宽 0.25 m，高 0.10 m，由驱动系统、传动系统、进排水系统三部分组成。其中驱动系统使用供电 DC24V 直流电动机，电动推杆伸出速度0.03 m/s，扭矩 500 N·m，行程 0.1 m，电机功率因数 0.85；传动系统使用直流电动连杆直线连接柱塞，柱塞往复周期 0.2 m，柱塞杆直径 0.02 m；进排水系统由 304 材质、3/8 尺寸单向阀模组、直径 0.015 m进出水肥管道、最大工作压力 1.0 MPa，流量 180 L/h的柱塞泵组成。
等截面双作用柱塞泵通过与直线电机连接，代替传统的曲柄连杆机构传动，避免因侧向力导致柱塞与缸壁间的严重摩擦，减小换向时因压力波动大造成的能量损耗。搭配调速控制器改变柱塞的往复行程工作，可达到精确调节工作流量的目的。电机推动的柱塞在等截面工作腔中往复运动，前后工作腔内进出水肥流量一致，配合单向阀模组控制水肥流向，使流量均匀，提升工作效率。由 2 组单向阀进出水口和三通管道连接组成的双作用流道，配合两侧工作腔持续工作，保证水肥一体化机工作时各管段灌溉水肥浓度一致。
1.2 仿真分析
运用 Fluent 软件对等截面双作用柱塞泵的内部流道进行仿真分析，不但可以了解柱塞泵内部流场特点，还能通过进出水口水肥溶液质量分数分布云图验证柱塞泵吸入、输出肥料的效果。等截面双作用柱塞泵模型内部流场计算原始模型如图 2 所示。
对等截面双作用柱塞泵内部流场进行建模，如图 3 所示，柱塞泵设计 2 组进出水口，且内部流道相连接。利用 Fluent 内置的 Mesh 软件对流体区域进行网格划分，采用非结构网格，新式柱塞泵内部流场计算网格整体效果如图 4 所示，网格划分过程中，对网格质量进行检查。设置成比例增加的网格数分别进行仿真，相邻网格数下的仿真参数均相差小于 5%，仿真参数收敛。本次网格设置总数为 8 876 825，其中网格正交质量最小为 0.215 1，满足网格划分需求。
1.2.1 流体模型
通过分析柱塞泵出水口附近的流场，Fluent 软件中流体模型的选择将决定在模拟仿真过程中采用何种方程进行求解，直接影响最终仿真结果。常用的流体模型主要有 k-epsilon 湍流模型（简称 k-ε 模型）、k-ω 模型和 SST 模型。
k-ε 模型具有很好的收敛速率和相对较低的内存要求，因此在大多数工业设计中应用广泛。它对于复杂几何周围外部流动问题的求解效果优异；k-ω 模型类似于 k-ε 模型，不过它求解的是动能耗散的具体速率 ω。其是一个低雷诺数模型，比 k-ε 模型的非线性程度更大，因此更加难以收敛，并且对于解的初始猜测值相当敏感；SST 模型结合了自由流中的 k-ε和近壁的 k-ω 模型。在对分辨率的要求方面，该模型与 k-ω 模型和低雷诺数模型相似，但对壁面依赖性强，不适用自由剪切流。
分析柱塞泵工作腔内流场，柱塞往复运动的惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场，因此流体模型选择 k-ε 模型，同时还选择 Enhanced Wall Treatment 壁面函数增加模型计算结果的准确度。
在 k-ε 湍流模型中湍动能 k 和湍动能耗散率 ε 方程如下所示：
式中：μ 为有效黏度系数；v0 为分子的黏性系数；vt为涡流黏性系数。
等截面双作用柱塞泵的设计目的为保证水肥浓度的稳定性与施肥流量的均匀度，在此过程中水与肥料并不发生化学变化，所以选用 Species 模型模拟肥液的输送过程。
1.2.2 边界条件
采用基于压力的 COUPLED 算法，梯度项采用基于节点的 GUASS-GREEN 插值格式，压力项采用体积力权重的插值格式，动量对流项采用三阶迎风插值格式，湍动能及比耗散率对流项采用二阶迎风插值格式。计算工况及边界条件如表 1 所示。
1.3 试验方案
开展对比试验，将等截面双作用柱塞泵与文丘里施肥器应用于水肥一体化机，开展水肥溶液可溶性离子浓度值（EC 值）、机械效率测试 2 种试验，验证新型柱塞泵的优化程度。
1.3.1 试验设备
本次试验在自研的水肥一体化机上实施，水肥一体化机整机结构如图 5 所示。为了保障等截面双作用柱塞泵吸肥的流畅性，配置的吸肥管路不宜超过5 m。等截面双作用柱塞泵样机安装实况如图 6 所示。
1.3.2 EC 值试验
EC 值通常表示溶液中可溶性盐浓度，也可以用来测量液体肥料或种植介质中的可溶性离子浓度。高或者低可溶性离子浓度都会对作物生长造成抑制或损伤，测量温度通常为 25 ℃。正常的 EC 值介于1 000~4 000 μS/cm。
试验设计不同作业时间和管道行程 2 种条件下，对比水肥一体化机安装等截面双作用柱塞泵和文丘里施肥器 2 种情况下 EC 值变化，重点分析 2 种施肥设备作用下的水肥溶液浓度波动。试验选用 DN25文丘里施肥器，长 243 mm，质量为 60 g，工作承压为 0.07~0.90 MPa，工作流量为 0.6~2.4 m3/h，自吸能力 9~90 L/h。
为减少误差，相同试验条件下装有 2 种不同施肥设备的水肥一体化机每次工作运行 1 h 以上，反复运行 3 次，取 3 次试验平均值作为试验数据。考虑到水肥一体化机实际灌溉情况，试验设定灌溉压力为 0.2 MPa，循环水肥桶中的肥液按照液体肥料（氯化钾）与清水的质量比为 1∶300 进行配置，利用开关阀门调节出水流量[27]。
（1）不同时间下输出水肥的 EC 值试验
试验在 0.20 MPa 管道压力下进行，水肥一体化机运行时间设定为 1 h，每间隔 2 min 在灌溉主管道末端提取需要检测的水肥溶液，利用 EC 传感器采集数据并汇总，对比 2 种水肥机排出水肥溶液的变化，分析等截面双作用柱塞泵施肥浓度的精准性。
（2）不同管道行程下输出水肥的 EC 值试验
水肥一体化机灌溉主管道长度约 3 m，管段每间隔 50 cm 加设 1 组取水阀，共设置 4 处，水肥一体化机运行间隔 1 min 时，在 4 组取水阀同时取样。试验进行 3 次，水肥一体化机每次运行 10 min。
1.3.3 机械效率试验
输入到泵轴的功率称为轴功率，用 P 表示。查阅资料获知柱塞效率和轴功率计算式为：
式中：q 为泵的流量；H 为泵的扬程；p 为泵的排出压力；η 为柱塞泵的效率。
为验证等截面双作用柱塞泵在实际灌溉作业运行中的机械效率，试验将在多种工况下对新式柱塞泵进行功率检测。因为文丘里施肥器不可进行电机转速与柱塞行程比例的调节，所以试验将新式柱塞泵电机转速比、柱塞行程比例均调整至 100%条件下进行，灌溉主管道压力范围设定 0.10~0.30 MPa，每隔 0.05 MPa 递增。
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4 结 论
（1）通过建立等截面双作用柱塞泵的流域模型，分析等截面双作用柱塞泵工作时内部流场的特点，根据仿真结果验证等截面双作用柱塞泵模型符合进排水肥连续、施肥均匀的设计要求，经细节优化后实现了样机制作。
（2）将制造完成的等截面双作用柱塞泵样机用于水肥一体化机，设计不同时间、不同管段输出水肥EC 值变化试验与机械效率试验，并与 DN25 文丘里式施肥器进行对比。结果表明，等截面双作用柱塞泵进排水肥溶液 EC 值极限波动减少 54%。等截面双作用柱塞泵的机械效率最小约 9.55%，最大约22.06%，DN25 文丘里施肥器机械效率最小约 7.07%，最大约 14.1%。试验压力范围内，新式柱塞泵机械效率提升 11%~56%。
参考文献（略）
