滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究

为从结构设计上解决灌水器的堵塞问题,针对滴灌灌水器的各种微小迷宫流道形式,应用计算流体力学(CFD)数值模拟可视化地揭示了迷宫流道内部流动场的情况,并通过流体力学相似实验,用激光多普勒测速仪(LDV)测量了流道中的速度流场,验证了流态模拟计算的正确性.在此基础上,分析了迷宫流道的堵塞机理,针对流道中存在的流动滞止区结构,提出迷宫流道主航道抗堵优化设计方法,使优化后流道中不存在流动滞止区,提高迷宫型灌水器的抗堵性能,并通过了实验验证.     

基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果表明,迷宫式流道灌水器流态指数浑水条件下相比清水增大74.85%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%,41.26%,46.25%,流道中泥沙的沉积使其水力性能变差;双向流道灌水器浑水流态指数均小于迷宫式流道灌水器;随着浑水试验次数的增加,4种灌水器浑水流态指数总体趋势是逐渐增大,成因是流道中泥沙沉积的累积效应,反映了浑水条件下水力性能的动态变化过程;相同压力变化,浑水条件下迷宫式流道灌水器流量变化率比清水时增大40.43%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大17.23%,19.43%,22.33%,迷宫式流道灌水器增大程度大于双向流道灌水器,导致其水力性能相对双向流道灌水器下降较大;4种灌水器水力性能与抗堵性能差异均显著,且双向流道灌水器的水力性能与抗堵性能均优于迷宫式流道灌水器,说明灌水器流道结构形式及结构参数是影响灌水器整体性能的重要因素。     

地下滴灌灌水器水力性能试验研究

地下滴灌与地表滴灌的最大差异在于地下滴灌的灌水器出水口被土壤包围，其出流受到土壤的限制。在室内将灌水器埋入土槽中，模拟研究了灌水器类型、自由出流时的流量、工作压力、土壤初始含水率等因素，对地下滴灌条件下灌水器水力性能的影响。试验结果表明：灌水器埋入土壤后，流量是其自由出流时流量的1/2～1/4。方差分析表明，影响地下滴灌灌水器水力性能的主要因素是自由出流时的水力特性和土壤特性。针对测试土壤，建立了地下滴灌灌水器流量计算的修正关系式。     

自适应滴灌灌水器的水力性能试验

为检验自适应滴灌灌水器的流量自动调节效果,根据自适应滴灌灌水器的工作原理,利用负压吸气泵模拟土壤负压,进行了AD-1型自适应滴灌灌水器在流量补偿、流量自适应2种工作模式的流量均匀性、供水压力-流量关系、模拟土壤负压-流量关系等水力性能试验与研究,并分析了其适宜的工作压力。结果表明：AD-1型自适应滴灌灌水器增添的滴水状态控制结构,不仅保留了常规滴灌灌水器的流量补偿特点,还增添了感知土壤水分含量、智能化控制灌溉和流量自动调节的多重使用功效。在流量补偿模式下,灌水器在额定供水压力100 kPa时的平均流量为14.71 L/h,且流量均匀度高,流量偏差系数为9.79%;在流量自适应模式下,灌水器的流量均匀度基本不变,在供水压力30 kPa和土壤负压最小值20 kPa的共同作用时即可开始正常工作,并确定出最小、最大的适宜供水压力分别为30、50 kPa。在适宜供水压力30～50 kPa范围内,灌水器能根据土壤实际水分状况在0～11.22 L/h之间实时、自动调节滴水流量,改变了常规灌水器被动出水的工作方式,真正实现作物、土壤的按需主动连续取水,明显地提高了节水灌溉设备的精准灌溉水平,既保证了作物正常生长的适宜土壤水分,又促进了灌溉系统应用模式向智能化、自动化方向的进一步发展。     

基于Fluent软件的滴灌双向流流道灌水器水力性能数值模拟

开展滴灌双向流流道数值模拟研究,对提高灌水器研发效率,降低研发成本,分析流道消能机理具有重要意义。通过Fluent软件计算的数值模拟结果和试验数据的对比,重点研究了网格划分和湍流模型选取对模拟精度的影响,以及流道的消能机理。结果表明:当网格划分为0.2 mm,分别采用Realizable k-ε模型与标准k-ω模型模拟时,模拟值与实测值的相关系数均高于0.998,数值模拟精度和计算效率较高;且流道的进口压力越大,反向水流与正向水流的比值越大,流态指数越小,水力性能越好,特别是在灌水器压力低于0.10 MPa区间,流态指数低于迷宫式流道;从流道的速度矢量图可以明显的看出正向水流与反向水流的分布与混掺过程;分析流道压力分布图,发现流道内压力在正、反向水流混掺后大幅度下降,进一步验证了双向流流道的消能机理与消能效果。     

三级流道结构滴灌带的水力性能试验

该试验测定了两种三级流道结构滴灌带压力－流量关系和出水口流量偏差系数，并采用模拟堵塞方法对各级流道堵塞情况下出水口流量变化进行观测，试验表明：相同的流道断面，不同的流道结构对出水口流量和流态指数产生较大的影响；当某一级流道堵塞时，全程贯通式多级流道具有明显的流量互补效果；第I级流道堵塞影响范围较大、出水口流量减少率较高。     

边缝式迷宫滴灌带灌水器流道内泥沙沉积影响因素分析

为研究灌水器流道内泥沙颗粒淤积特性的影响因素,进一步降低物理堵塞发生的风险,该研究配置不同浓度（1.8、2.8、3.8 g/L）和不同粒径（0 $leqslant $ d < 0.054 mm、0.054 mm $leqslant $ d < 0.075 mm、0.075 mm $leqslant $ d < 0.1 mm）的含沙水,进行全组合间歇滴灌堵塞试验,对含沙水灌溉下灌水器泥沙沉积特性进行分析并对灌水器内流态进行数值模拟研究。结果表明：灌溉结束后,经由边缝式迷宫灌水器输出的泥沙中,黏粒与砂粒比例下降,粉粒比例上升,即灌水器弯曲流道对小于0.002 mm和大于0.05 mm粒径的泥沙具有明显阻滞作用,流道内堵塞的泥沙集中在0.054～0.1 mm的中大粒径范围内。灌水器流道内部流线在主流区呈波浪状前进,主流区水流流速大于近壁区,中部转角处流速均偏大。沙粒易受上转角和下转角处产生的漩涡影响而沉降集中在漩涡中心及背水面。滞留在漩涡区内的泥沙颗粒是引起灌水器堵塞的主要因素。为减少灌水器堵塞风险,在设计优化时宜考虑减少直角、锐角区域以减少漩涡区的形成。     

工作压力对滴灌管迷宫流道灌水器水力性能的影响

降低滴灌系统灌水器工作压力有望成为减少滴灌系统能耗以及运行费用的一种有效途径,但目前低压灌水器还十分少见。基于此,选取了国内应用较为广泛的5种典型迷宫流道灌水器,分析了不同工作压力区间对灌水器水力性能及消能特征的影响。结果表明：5种灌水器在低压条件下运行对于灌水器流量系数Kd和流态指数x具有一定影响,但对于流态指数x的影响未达显著水平。同一流道类型的灌水器流量系数Kd与无量纲数A/L2呈显著的线性相关关系,不同流道类型之间差异显著。5种灌水器流道内流态为紊流,未发生流态转捩行为,采用常规管道流态转捩雷诺数2200去判断流道内流态是不合适的。     

流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究

对滴灌系统的滴头进行试验研究表明，影响流态指数的主要因素是流道结构形式，包括流道齿形、齿角、齿距、齿高和流道的深度，流态指数基本不随滴头流道长度而变化。通过比较不同滴头流道的流态指数、流道长度及流道断面积，分析了其抗堵塞性能，并建立了描述滴头流量与流道长度及工作压力关系的回归模型。     

流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究

对滴灌系统的滴头进行试验研究表明,影响流态指数的主要因素是流道结构形式,包括流道齿形、齿角、齿距、齿高和流道的深度,流态指数基本不随滴头流道长度而变化.通过比较不同滴头流道的流态指数、流道长度及流道断面积,分析了其抗堵塞性能,并建立了描述滴头流量与流道长度及工作压力关系的回归模型.     

滴灌双向流流道灌水器水力特性分析

滴灌双向流流道是一种新型滴灌灌水器流道。为了研究流道结构参数对水力特性的影响,分别以流态指数和流量系数为评价指标,取流道的9个主要结构参数为因素,采用均匀试验设计的方法,安排了12组试验方案。根据试验结果,应用多元回归计算方法,分别建立了流态指数和流量系数与9个结构参数之间的量化关系式,其相关系数分别为0.999和0.998,同时还用另外一组结构参数的试验方案验证了建立的量化关系式。T检验结果显示,9个主要结构参数对流态指数的影响均较显著,而V字形挡水件的张角α对其影响最大;出口宽度a、八字形分水件张角β对流量系数的影响较显著,而出口宽度a对其影响最大,为双向流流道的设计提供了参考。初步研究表明双向流流道的流态指数在0.40~0.47之间,其水力性能优良,结构简单,有一定应用前景。     

再生水滴灌系统滴头抗堵塞性能试验研究

为了得到再生水灌溉对滴灌流量的影响规律及滴头抗堵塞性能,该文通过试验对再生水灌溉条件下11种不同滴头流道的流量变化进行了研究。结果表明：再生水灌溉条件下滴头流量的降幅与流道长度、流道截面积呈现正相关关系,具有反冲洗功能的滴头可以有效防止堵塞。田间试验表明,再生水处理滴头流量与地下水处理相比明显下降,流道沉积物富集是导致滴头流量衰减的主要原因。建议再生水滴灌系统选择具有反冲洗功能的滴头或者滴头流道较短、流道截面积较小的滴头,可有效降低堵塞的发生,为再生水灌溉系统科学选型与配套提供依据。     

不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞特征

为确定硬水滴灌条件下影响灌水器堵塞的主要特征参数,研究6种灌水器在硬水滴灌条件下的平均相对流量和堵塞率的变化规律,通过有序回归方法分析影响灌水器堵塞的特征参数,灌水结束后解剖并观察灌水器内的堵塞情况。结果表明:硬水滴灌条件下6种灌水器的平均相对流量均发生了不同程度的下降,其中灌水器E1和E6因具有较大的过流截面尺寸而表现出了较好的抗堵塞性能;SPSS回归分析显示,显著影响灌水器的抗堵塞性能(P0.01)的特征参数为灌水器内过流截面宽W和深H中的最小者min(W,H),且灌水器发生堵塞所需要的时间与min(W,H)成正相关关系;解剖灌水器发现,堵塞主要发生在灌水器内具有min(W,H)的截面处。建议硬水滴灌时选择内部过流截面尺寸较大的灌水器,且灌水器内部应避免易引发固体颗粒沉积附着的截面形状和过流结构。     

内镶片式齿型迷宫滴头抗堵塞试验研究

依据ISO滴头堵塞检测方法中“短周期堵塞测试程序”,测试了国内外15种内镶片式齿型迷宫滴头的抗堵塞性能。结果表明：用单一结构参数(流道宽度W、流道深度D、齿高度h和齿角度θ)表征其抗堵塞性能存在局限性;结构特征参数(断面最小尺寸min(D,W)、水力半径R和齿间距l)能较好反映滴头流道横、纵断面的结构特征,在不同程度上表征了流道的抗堵塞性能,且在试验条件下各自均存在抗堵塞临界值;滴头额定流量Q_r和迷宫滴头径粒比η与抗堵塞性能相关性较好,且存在抗堵塞临界值。当各参数小于其临界值时,滴头极易堵塞,且抗堵塞性能随结构特征参数、额定流量和迷宫滴头径粒比的增大而明显提高;反之,滴头抗堵塞性能较强,滴头抗堵塞性能对各参数的增大不敏感。该试验结果可为滴头流道优化设计提供参考。     

肥料种类与浓度对灌水器堵塞特征的影响及防堵策略

为降低堵塞风险,延长灌溉系统使用寿命,提高灌溉施肥均匀度,研究通过3种滴灌带（管）水肥一体化长周期堵塞试验,测试尿素、硫酸钾、氯化钾、磷酸一铵、磷酸二铵在不同浓度（0、0.4、0.8、1.0、1.2 g/L）滴灌时各灌水器堵塞性能,结合场发射扫描电镜、EDS表面能谱分析和X射线衍射仪等物质分析方法,探究肥料种类及浓度对灌水器堵塞及堵塞物质累积的影响,并揭示水肥一体化滴灌灌水器化学堵塞形成过程。结果显示：不同肥料种类、浓度对迷宫灌水器造成的影响不同。随着浓度增加,尿素灌溉下侧翼迷宫滴灌带相对流量下降速率加快,存在堵塞风险;磷酸二铵灌溉下,发生明显堵塞;片状滴灌带相对平均流量和灌溉均匀系数随灌水次数增加而降低,且降幅随肥液浓度增大而增大。堵塞物干质量都随着灌水次数的增加而增加,与灌水器的相对流量和灌溉均匀系数随着灌水次数的增加而降低的趋势吻合。随着肥液浓度的升高,水流剪切力对堵塞物质影响越小。因此,磷酸二铵的施肥浓度以不超过1.2 g/L为宜。研究可为控制滴灌系统化学堵塞、延长灌水器使用寿命提供依据。     

分流式灌水器结构优化设计与试验

水力性能和抗堵性能是评价灌水器性能的2个重要指标,但两者在对灌水器流道的结构要求上存在本质的矛盾,目前缺少有效的灌水器结构优化方法。为了定量优化出2方面性能都比较优越的流道结构,该文将渐缩、渐扩、分流等增大局部压力损失的方法应用到灌水器流道设计中,设计了一种分流式灌水器,提出基于灰靶理论的灌水器流道多目标优化方法;将正交试验方法和灰靶理论相结合,进行面向水力性能和抗堵性能的灌水器流道多目标优化。研究结果表明,当给定水力性能和抗堵性能权重均为0.5时,最优结构参数水平组合为A3B4C2D4,此结构的流道流态指数为0.5150,粒子通过率为88.504%,综合考虑了水力性能和抗堵性能2个目标。通过试验验证,该方法是灌水器流道结构设计与定量优化的有效方法。