水肥一体化技术在我国农业生产中发挥着重要的作用,也是未来农业发展的主要方向之一。目前,水肥一体化施肥设备的应用率还处于较低水平,灌溉施肥仍然采用传统的大水漫灌或简易的水肥一体化设备,自动化、智能化程度低,不利于农业生产全程机械化的发展。本论文基于Fluent仿真技术设计了一款水肥一体化施肥机,主要对原液制备和首部枢纽部分进行了设计和优化,针对现阶段施肥机灌溉压力不可调整的问题对首部枢纽部分进行设计和优化,提出通过泄压回流的方式进行灌溉压力调节。利用数值模拟的方法对混肥过程进行仿真分析,揭示了混肥过程中的流体运动学机理;搭建了混肥试验平台,通过试验研究的方法对数值模拟的结果进行试验验证。主要研究内容和结论如下:(1)灌溉压力可调式首部枢纽设计。应用三维建模软件设计了基于泄压回流方式的灌溉压力调节首部枢纽,并对首部枢纽进行了加工制造。经过调试和优化,泄压回流的方式可以实现灌溉压力的调节,能够满足不同面积的施肥灌溉作业要求,滴箭的流量均匀性良好。(2)回流混合模式的数值模拟与试验研究。对回流混合过程进行数值模拟,提取了流体域中压力、速度矢量和流线等特征。发现射流回流混合模式和切向回流混合模式下的压力梯度分布不明显,轴向截面内的速度矢量值较小;轴向回流混合模式下压力梯度比较明显,轴向截面内的速度矢量值有所增加;轴向叠加切向回流混合模式下压力梯度分布最为明显,速度矢量充满整个轴向截面,流线充满了整个流体域。试验结果表明,射流回流混合模式和切向回流混合模式下固态粉末型肥料混合均匀所用时间较长,不适合混肥作业;固态粉末型肥料在轴向回流混合模式下经过140s后混合均匀,轴向叠加切向混合模式下经过100s混合均匀。轴向叠加切向回流混合模式适合进行液态型肥料和固态粉末型肥料的混肥作业。(3)搅拌叠加回流混合模式的数值模拟与试验研究。对搅拌叠加回流混合过程进行数值模拟,发现轴向截面内压力梯度分布明显,形成明显的涡结构。试验结果表明,在搅拌模式下,固态粉末型肥料经过65s后混合均匀,固态颗粒型肥料经过170s后混合均匀。在搅拌叠加回流混合模式下,固态颗粒型肥料在经过110s后混合均匀,相对于搅拌桨模式节省了60s。搅拌桨叠加回流混合模式适合进行固态颗粒型肥料的混肥作业。(4)样机制作与性能测试。根据整机三维模型进行了样机制作,并进行了整机性能测试。测试结果表明,施肥机具有良好的稳定性与连续性,灌溉作业中不同滴箭流量之间的误差在5%以内。本论文设计的水肥一体化施肥机的方案是合理可行的,样机运行稳定可靠,可以满足水肥一体化灌溉要求。