文丘里施肥器是水肥一体化技术中最为常用的施肥装置之一,在我国小型灌溉系统和施肥机上得到了大面积推广与应用。然而,在实际工程应用中,文丘里施肥器普遍存在吸肥效率低、甚至不吸肥的现象,且有时由于压差过大,出现较大振动与噪声,降低了施肥效率。如何进一步优化文丘里施肥器内部结构设计,实现相同吸肥量下水头损失同比降低,或相同水头损失下提高其吸肥量,已成为当前施肥装备研发领域的关注焦点。论文以文丘里施肥器为研究对象,围绕文丘里施肥器在吸肥性能、水力性能、压力损耗及空化特性等综合性能方面开展试验和模拟研究。研究首先针对典型文丘里施肥器在压力能耗、吸肥效率以及振动与空化等综合性能指标开展了测试研究,并对其内部流道进行了数值模拟,探究了典型复杂结构文丘里施肥器内部水流运动特性和吸肥规律;针对有关学者所提出的非对称和对称结构文丘里施肥器进行了仿真模拟探究,研究分析了该结构与对称结构文丘里施肥器在吸肥量、内部流体运动及空化等性能指标上存在差异的内在原因;基于workbench仿真平台与OAISIS自动优化软件,以最大吸肥量为寻优目标,对PL型文丘里施肥器关键结构参数尺寸优化范围进行寻优求解计算,并结合3D打印技术对所构建的吸肥模型进行了验证;最后,基于所研发定型的大吸肥量文丘里施肥器,研究分析了施肥机不同管路布置方式对文丘里施肥器在吸肥性能与通道数量等方面的影响。论文取得的主要结论如下:(1)典型文丘里施肥器吸肥临界压差与进口压力存在显著的线性正相关;相同进口压力下,国内文丘里施肥器最大吸肥量普遍明显低于国外同类产品,且振动与空化现象受压差变化敏感性较强;同一模具下,收缩率较小材质的施肥器,制造偏差小,吸肥性能好,UPVC可作为生产施肥器的优选原料之一;此外,文丘里施肥器存在与其内部结构相对应的吸肥量上限,压差增大后导致振动与空化现象的加强是抑制文丘里施肥器吸肥能力进一步提升的重要原因,通过文丘里施肥器内部结构参数的优化,尽量减少或削弱其振动和空化现象发生是产品研发的重要方向。(2)对称与非对称结构文丘里施肥器相比,相同吸肥量条件下,非对称结构文丘里施肥器表现出明显降低能耗的优势,可减少25%～35%压力损失;对称结构文丘里施肥器喉部负压呈环状分布于喉管四周,非对称结构施肥器负压则呈半环状,位于喉管下部,因而相应空化区域较小,同等压差损失下有利于提高吸肥量;非对称文丘里施肥器收缩段与扩散段在喉管上部流线过渡平滑,多方向速度碰撞少,能量损耗相对小,在扩散段产生的回旋区较小。PL型文丘里施肥器具备较大的储肥腔体,可及时补给肥液,相比其它结构类型,该结构文丘里施肥器不易产生空化现象。但PL型文丘里施肥器结构中扩散段太短,渐变过快导致压力损失过大,存在进一步优化提升空间。(3)针对PL型文丘里施肥器结构,以进口压力0.3 Mpa,出口压力0.1 MPa为优化工况,在不同喷嘴直径(3.0～5.5 mm)下,收缩角最佳范围为20°～30°,扩散角最佳范围8°～10°,喉管长度最佳范围在40～50 mm,喉部直径与喉管直径的最佳比例为1.5～1.66;当收缩角、扩散角、喉管长度及喉管比例在优化组合范围内时,最大吸肥量与喷嘴直径呈线性正相关,其回归模型可用来预测不同喷嘴直径下的最大吸肥量;相同喷嘴直径(d1=4 mm)下,优化后的文丘里施肥最大吸肥量较原模型提升了2倍;通过最小二乘法,建立了此种结构文丘里施肥器结构参数与吸肥量之间的回归吸肥模型,回归模型和物理模型对比验证结果显示,所构建的吸肥回归模型具有较高可靠性,可用于快速有效设计或预测出不同结构参数文丘里施肥器的吸肥量。(4)定型后的大吸肥量施肥器在施肥机应用时,旁路吸肥式管路与旁路助肥式管路相比,可同时支配高效吸肥的通道数量较多,最多可达到6个,且对灌溉系统主管压力范围要求更宽泛,可同时满足多种营养液的精准配比施肥;当吸肥通道数量小于3个时,旁路助肥式单通道吸肥量随主管压力的增大而减小,而旁路吸肥式单通道吸肥流量随主管压力增大基本保持稳定值;相同通道数量下,旁路吸肥式管路布置下的总吸肥流量和注肥浓度明显大于旁路助肥式管路,“3吸肥通道+旁路吸肥式管路”可推荐作为多通道施肥机管路优化布置的首选方式。