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滴灌随水施肥具有省时、省力、省肥以及施肥均匀等特点,是滴灌技术不可忽视的功能之一,施肥泵是滴灌系统实现随水施肥的关键装置。
现有活塞式施肥装置大都采用弹簧或机械式联动换向机构实现活塞的往复运动。采用弹簧进行换向的活塞,在注入肥液时,需要压缩弹簧而损耗一定的水压,而且换向过程取决于弹簧的刚度和初始压缩量,弹簧在频繁的往复运动作用下,易于损坏。机械式联动换向机构势必增加活塞及缸体的结构复杂性,对机械密封性、制造精度、可靠性及耐久性提出更高的要求。
针对现有的活塞式施肥装置存在的问题,设计出一种应用射流附壁与切换技术实现活塞换向的新型射流式施肥泵。应用计算流体动力学(CFD)进行射流施肥泵内部流场的数值模拟,通过动态网格技术的应用,再现活塞系统往复运动过程。以射流施肥泵射流元件和活塞的关键结构参数为因素,以活塞平均运动速度和往复频率为试验指标,对射流施肥泵进行两组正交试验设计,应用极差与方差分析法,分析关键结构参数对活塞平均运动速度和频率影响度,寻找主次影响规律及最优参数组合。
数值模拟结果表明,射流元件关键结构参数中喷嘴宽度对活塞运动速度的影响最显著,其次是活塞半径。而位差、喷嘴长度对活塞运动速度没有显著影响;位差和导流段长度对切换频率有显著影响。活塞关键参数中入口压力和活塞行程对活塞平均运动速度有显著影响,活塞行程和入口压力对切换频率有显著影响。
通过多元线性回归分析,建立了活塞平均运动速度和往复频率与关键结构参数之间的回归模型,揭示了射流施肥泵的内部运动规律和水力特性,为射流式施肥泵结构设计与量化分析提供一定的理论依据。
加工样机进行验证性试验,将试验结果与数值计算进行对比分析,验证了模拟计算的合理性。