射流泵式喷雾混药装置基本性能方程的确定

(杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌 712100 )

0 引 言

近年来，由于全球气候变暖，病虫害的存活率提高，农林作物受到病虫害的威胁也越来越严重。目前，在病虫害防治方面主要采用化学农药防治技术。我国常见的施药技术主要是采用人工预混式喷雾装置。这种混药装置需要操作人员把农药和水按比例装入大药箱，手动搅拌进行混合。这种混药装置存在着很多弊端。如：操作者直接接触农药、混药药箱的处理等问题[1]。射流泵式喷雾混药装置是利用高速流体为工作动力来传递能量的一种流体机械混合反应设备。这种混药装置克服了传统预混式装置的不安全性、随意性以及农药残留等问题，它在使用时能达到药水分离，避免了使用者和农药的直接接触，具有装置成本低、操作简单等优点，在喷雾混药技术改革中被广泛关注。

1 射流泵式药混装置的工作原理

射流泵式喷雾混药装置主要由喷嘴、混合管(又称喉管)、吸入室、扩散段组成。如图1所示。当高压泵给水流加压通过喷嘴1射出时，连续带走吸入室2内的空气，此时吸入室内便形成不同程度的真空，被抽送的药液在压差的作用下，经吸管进入吸入室内，农药和水在混合管3中进行动量传递和交换，使速度和压力渐趋一致，然后通过扩散管4将混合药液的动能转换为压能后流出，实现了药液的抽吸和在线混合。

图1 射流泵式喷雾装置工作原理简图

2 射流泵式喷雾混药装置基本性能方程的确定

在射流泵式混药装置中，能量的损失主要发生在混合管内，为了便于分析，假设在混合管的流体是两股共轴流体。如图2是混合段速度场示意图[2]。

图2 混合管入口和出口断面上的速度场示意图

2.1 射流泵的主要参数

2.1.1 面积比m

(1)

式中:A2、d2为混合管入口截面积和直径；An1、dnz为喷嘴出口截面积和直径。

2.1.2 密度比ρs0

(2)

式中:ρs、ρ0分别代表被吸药液的密度和工作体的密度。

2.1.3 压力比h

(3)

2.1.4 流量比q

(4)

式中:Qs、Q0分别代表射流泵吸入药液和工作流体的体积流量。

2.2 射流泵式药混装置的性能方程的确定

2.2.1 根据流体力学基本原理运用连续方程求出被抽吸药液在混合管进口处的速度Vs1和混合液在混合管出口处速度V2

根据图2混合管的进出口断面的速度场示意图，在混合管进口断面上，速度场沿半径方向具有较大的不均匀性，假设1-1断面上流体由两股共轴流体组成：质量为M0及较大平均速度V01，过流断面积为An1的工作流体；质量为Ms及较大平均速度Vs1，过流断面积为Anz的周围流体[3]。则有：

As1=A2-An1

(5)

对被抽吸的药液运用连续方程有：

VsAs=Vs1-As1

(6)

式中:Vs、As为药液管中的平均流速和断面面积。

则

(7)

(8)

则混合管出口的速度V2为

(9)

2.2.2 对喷嘴0-0断面和1-1断面应用伯努利方程：

(10)

则(10)整理为

(11)

式中：ξ1为喷嘴处的阻力系数。

2.2.3 在吸药入口S-S断面和吸药出口1-1断面应用伯努利方程

(12)

式中：λs为吸药管内的沿程阻力系数；ξ2为混合管进口的阻力系数；Z为药液面到混药装置轴线的垂直距离。

则方程(12)整理为

(13)

2.2.4 对混合管进口口1-1断面和混合管出口2-2断面列动量方程

(P1-P2)A2-τfπd2L2=

McV2-(Mc-Ms)v01

(14)

式中：P1、P2为混合液在1-1断面和2-2断面的压强；d2、L2分别为混合管直径和长度；λc为混合管内的沿程阻力系数;τf为壁面的切应力。

(15)

则(14)变为

整理得：

P1-P2=

(16)

2.2.5 在扩散管进口2-2断面与扩散管出口C-C断面应用伯努利方程

(17)

式中：pc、vc为混合液在C-C断面处的压强和速度；ξ3为混合管出口的阻力系数。

则(17)整理为：

P2-Pc=

(18)

将(11)和(13)联立得:

(19)

联立(16)和(18)整理

(20)

联立(13)和(20)整理得：

(21)

(21)与(19)相除得出的即为射流泵药混装置的基本性能方程

(22)

在研究射流泵的性能方程时通常近似认为被吸药液出口的压强近似等于混合管入口的压强即P1=Ps1。则射流泵药混装置的基本性能方程确定为:

(23)

3 结 语

由公式(23)知射流泵混药装置的压力比h与面积比m、流量比q、密度比ρs0以及阻力系数ξ1、ξ2、ξ3、λs、λc有关。通常由于混药装置所抽吸药液的密度已知，因此ρs0是确定的。其余5个阻力系数ξ1、ξ2、ξ3、λs、λc的具体值与射流泵混药装置的6个结构参数有关。即射流泵混药装置的压力比h与面积比m[4]、喷嘴和混合管入口的距离L1[5](简称喉-嘴距)、混合管长度L2[6]、射流喷嘴收缩角α、混合管进口角β、扩散管扩散角γ有关[4]。具体参数的选择可以通过实验分析来确定最佳参数。

参考文献：

[1] 周良富,傅锡敏.射流式喷雾混药装置关键技术分析[J].农业开发研究,2009,5(3):15-17.

[2] 何培杰,吴春笃,陈翠英,等.植保机械用射流装置的研究[J].农业机械学报,2001,5(3):44-46.

[3] 高传昌.脉冲液体射流泵技术理论与试验[M].北京：中国水利水电出版社,2009:47-51.

[4] 邱白晶,徐溪超,邓 斌,等.射流混药装置面积比对混药均匀性的影响[J].农业机械学报,2011,10(10):95-97.

[5] 王 淼,黄兴法,李光永.文丘里施肥器性能数值模拟研究[J].农业工程学报,2006,7(70):29-30.

[6] 龙新平,鄢恒飞,张松艳,等.喉管长度对环形射流泵性能影响的数值模拟[J].排灌机械工程学报,2010,5(3):199-201.