滴灌管内嵌管状滴头的快速制造方法研究

针对我国干旱半干旱地区节水灌溉的需要，应用快速成型制造技术（RP&M）进行滴灌管内嵌管状滴头的快速制造方法研究的设计及其模具的快速制备，详细介绍了管状滴头CAD设计中所进行的工艺设计，RT工艺模型的生成，样件的制备和金属喷涂快速注塑模具的制造。利用快速成型制造技术，设计制造周期短，模具质量高，从而可以实现对市场的快速响应。     

地下滴灌毛管水力要素试验

地下滴灌毛管滴头的压力和流量分布是其主要的水力要素,研究这一问题对地下滴灌工程的设计和运行管理具有重要的意义。该文提出了地下滴灌毛管水力要素的试验方案,可用较短毛管获得其压力流量测试数据和分布规律。针对提出的试验方案,结合地下滴灌单滴头的水力特性研究成果,建立了描述地下滴灌毛管压力、滴头流量和局部水头损失系数之间关系的非线性方程组。将这一非线性方程组计算转化为一个函数优化问题,建立其求解的优化数学模型,采用遗传算法求解。用试验数据验证了计算结果,表明用此非线性方程组可反映地下滴灌毛管压力流量分布规律,求解方法具有较高的计算精度。该方法为进一步研究地下滴灌毛管的水力要素奠定了基础。     

点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究

滴头流量影响土壤湿润体的大小和形状,从而对作物根系生长也有影响。工程设计中应根据滴头流量与土壤湿润体的关系确定滴头流量的设计依据。该文以等效圆柱湿润体模型为基础,建立了点源滴灌滴头流量的数学模型,针对模型中各因子随滴头流量的变化过程进行实验分析,确定影响点源滴灌滴头流量设计的主要因素。实验所用土壤为重壤土、中壤土、砂壤土,滴头流量分别为1、2、3、4 L/h。结果表明：滴头流量对湿润锋水平运移的影响比对垂直运移的影响大;地表积水区的变化对土壤湿润锋水平运移有控制作用。点源滴灌设计中,除了土壤入渗特性外,设计湿润比(或湿润直径)也是选择滴头流量的重要依据。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。     

滴灌系统滴头设计水头的取值依据

滴头设计水头是滴灌系统中的重要技术参数,为解决其取值缺乏理论指导的问题,研究了滴头设计水头的取值实质、提出了评判灌区田面状况对系统灌水质量影响的指标——高差流量偏差率及其算式;用此指标对不同田面状况下现行滴灌系统进行评判,结果表明：滴头设计水头采用习惯取值,常使滴灌系统对地形的适应能力过高,造成投资和运行费用的浪费,是滴灌系统一项可以挖掘的潜力;进而按滴灌系统适应地形的能力与灌区田面状况相匹配的原则,导出了滴头设计水头的计算式。     

滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响

为探明滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响规律及堵塞机理,该文选取不同硬度水源和2种滴头(内镶圆柱式、内镶贴片式)进行滴灌试验,研究滴头的流量变化和堵塞规律,并用场发射扫描电镜技术观测了滴头内堵塞物的结构及成分。结果显示:硬水滴灌条件下,2种滴头的平均相对流量随着滴灌运行时间的增加呈均匀下降趋势,且水质越硬下降越明显;硬水滴灌会造成滴头堵塞,且水质越硬堵塞程度越严重。但同一硬度水源处理下,2种滴头的平均相对流量和堵塞程度基本一致。堵塞的滴头在毛管的前1/3段、中1/3段、后1/3段都有分布。堵塞物质分析显示,Ca CO3沉淀导致的化学堵塞是滴头堵塞的主要原因。研究结果为滴灌技术在灌溉水质较硬地区的推广使用提供参考。     

减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定

为探究引黄滴灌区水肥一体化灌溉过程中毛管冲洗周期对滴头堵塞风险的影响,该研究分别对浑水和浑水+尿素滴灌后不同毛管冲洗周期（3、5、7、10 d）对滴灌滴头堵塞的控制效果进行了研究。结果表明：毛管冲洗周期对滴头相对流量有极显著影响,在浑水滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高14.29%～47.77%（P<0.05）,在浑水+尿素滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高12.89%～126.67%（P<0.05）。按照毛管冲洗对滴头流量的保持能力可将滴灌系统运行为3个阶段：冲洗钝感期、冲洗敏感期和冲洗无效期,首次冲洗应在冲洗钝感期结束前进行。宁夏中卫段黄河水浑水滴灌和浑水+尿素滴灌后的首次冲洗应该分别在第2灌水和第9次灌水后进行,适宜的毛管冲洗周期分别为5和7 d。研究结果可为宁夏中卫段黄河水滴灌区采取适宜的抗堵塞措施提供参考。     

滴头堵塞程度分级和评价及堵塞风险预测方法

为了准确监测滴头的堵塞状态,预测滴头堵塞程度的发展变化趋势。该研究基于模糊综合评价法,以相对流量变化量、灌水均匀度变化量为评价指标,用熵权法和三角形隶属度函数计算各评价指标权重和隶属度,建立了滴头堵塞综合评价指标（Evaluation Index,EI）,利用灰色GM(1,1)预测模型预测滴头堵塞程度随灌水时间的变化情况。结果表明：滴头堵塞是一个随灌水时间增加而波动渐进的过程,滴头堵塞过程可分为波动平稳阶段和快速发展阶段2个过程,不同滴头的堵塞过程具有一致性规律,不同灌水时间的EI值间具有很好的相关性,可以根据前期试验数据预测滴头后期堵塞程度的变化趋势;提出了基于EI的滴头堵塞程度5级分级标准和方法,建立了基于5次测试灌水数据的滴头堵塞风险灰色GM(1,1)预测方法,可以预测不同滴头未来不同灌水时间后的滴头堵塞状态,对7种滴头堵塞程度的预测结果准确率为85.7%。该方法为滴头抗堵塞能力评价以及滴灌工程抗堵塞预防措施的配置提供了理论依据。     

地下滴灌影响要素及其敏感性分析

地下滴灌是一项具有广阔应用前景的高效节水灌溉技术之一。为分析不同影响因素对地下滴灌滴头流量的影响机制,以PLASSIM滴头、和平滴头2种滴头为研究对象,利用有机玻璃桶(直径40cm,高40cm)内埋设滴头(表层20cm下)系统分析了滴头工作压力(60,100,150,200,250,300,370kPa)、土壤初始含水量(12%,18%)及土壤容重(1.25,1.40g/cm~3)对地下滴灌滴头流量的影响及其敏感性。结果表明:工作压力是地下滴灌滴头流量的主要影响因素,且随工作压力增大,滴头流量增大;土壤初始含水率和容重对供试的滴头流量均起制约作用,其中对轻砂土的制约作用更为明显;土壤质地对各影响因素的敏感性存在差异,其中轻砂土最敏感,粉壤土居中,轻粘土最弱。PLASSIM滴头、和平滴头的敏感性指标均随工作压力、土壤初始含水率、容重的增加而降低。通过系统分析多种土壤物理特性对地下滴灌滴头流量的影响及其敏感性分析,将为设计经济、高效而又节水的地下滴灌系统,制定合理的地下滴灌制度提供理论依据。     

再生水滴灌对滴头堵塞的影响

研究以再生水（二级处理出水）为灌溉水源时,3种滴头（单翼迷宫式滴头、内镶式滴头和压力补偿孔口式滴头）的流量、灌水均匀度和堵塞的变化过程及规律,并和自来水灌溉条件下的结果进行对比,分析了滴头堵塞的主要原因。研究结果显示：再生水灌溉条件下3种滴头的流量和灌水均匀度都要明显小于自来水条件下的结果,其中单翼迷宫式滴头的流量和灌水均匀度下降最大,而压力补偿孔口式滴头的变化最小。水质和滴头内沉淀物质的分析显示,化学沉淀（主要成分为CaCO3和MgCO3）是引起滴头堵塞的主要方式,滴头流量小、流道尺寸小和流态指数偏高也增加了滴头堵塞的风险。建议实际中利用再生水灌溉的滴灌系统,可选用压力补偿孔口式滴头。     

压力补偿灌水器分步式计算流体动力学设计方法

为提高压力补偿灌水器的设计和研发效率,该文采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)分析方法,结合有限元分析技术,提出一种压力补偿灌水器的分步式CFD设计方法,研制了圆柱式压力补偿灌水器,并进行了灌水器流量预测,得到其设计压力-流量曲线。利用光固化快速成型技术,快速制作出压力补偿灌水器试验件,进行了水力性能试验,得到了灌水器试验压力-流量曲线,发现通过分步式CFD计算得到的预测压力-流量曲线,与水力性能试验得到的试验压力-流量曲线在压力补偿灌水器的有效工作压力区间内吻合度良好,验证了分步式CFD设计方法。在此基础上研究了压力补偿灌水器补偿区结构对其压力补偿性能的影响,发现补偿区高度对灌水器补偿性能影响显著,可以通过改变补偿区高度来设计不同补偿性能的灌水器。该研究对指导压力补偿灌水器的设计和开发具有一定的意义。     

迷宫型灌水器快速模具设计及加工参数优化

针对迷宫型灌水器传统注塑模具加工周期长,加工成本高的问题,为适应产品快速开发的需要,该研究开发了一种灌水器模具的快速制造技术和注塑成型工艺。利用数字ABS作为模具材料,采用聚合物喷射技术成型模具确保精度和强度。为确定不同加工参数对成型质量的影响,以翘曲变形量和缩痕估算为分析指标,通过Moldflow软件进行了单因素试验和四因素五水平的正交试验。建立了翘曲变形和缩痕估算与各参数间的回归模型,并通过粒子群算法得到了最优工艺参数。试验结果表明,冷却时间对翘曲变形量和缩痕无影响,熔体温度、保压压力和保压时间对翘曲变形和缩痕产生决定性的影响,最佳工艺参数组合为熔体温度230℃,保压压力3 MPa,保压时间4 s。优化成型工艺参数后,翘曲变形下降8.72%,缩痕估算下降20.68%,熔接痕减少,塑件质量得到提高,达到设计要求。在注塑机中使用快速模具进行了注塑试验验证,证明了结构和工艺的正确性。相较于传统模具加工,快速模具实现了灌水器快速开发,在保证灌水器质量的情况下大幅度缩短了加工时间,降低了加工成本,该研究可为新型灌水器的设计与开发提供一定的理论基础。     

重力式地下滴灌点源入渗特征的数值模拟与验证

基于非饱和土壤水动力学理论，建立了重力式地下滴灌条件下土壤水分运动轴对称三维数值模拟模型，利用Galerkin有限元法进行了数值模拟。通过试验对比验证，表明所建模型可以用于分析地下滴灌土壤水分人渗规律，具有较高的精度。对不同灌水技术要素条件下的地下滴灌湿润特征及入渗规律进行了数值模拟。结果表明，在相同灌水量下，供水压力与滴孔孔径对湿润圈影响微弱，重力式地下滴灌管道设计时可以不考虑其影响，但它对滴孔出流量影响较大，而其它因素对滴孔出流量的影响微弱。因此在地下滴灌管道设计时，只需根据田块长度和渗水管损失设计孔径和供水压力，并可选择较小的供水压力；在相同灌水量情况下，管道埋深对湿润圈具有较明显的影响，应按田间实际进行合理选择，这些结论可为地下滴灌合理的设计及运行提供理论依据。     

广西赤红壤甘蔗田间滴灌带合理布设参数确定

赤红壤是广西蔗区主要土壤类型之一,为探讨赤红壤蔗区滴灌条件下土壤水分运动规律,该文在试验基础上,利用HYDRUS-3D建立了双点源土壤水分运动数学模型,通过对照试验和模拟情况表明,HYDRUS-3D能较好地模拟试验土样的湿润锋运移规律和土壤含水率变化规律。在此基础上,利用HYDRUS-3D建模分析滴头间距、滴头流量对滴灌灌水均匀性的影响,结果表明:滴头间距对滴灌灌水均匀性影响较大,当滴头流量为1.38 L/h时,30、40、50 cm 3种滴头间距的滴灌带中,仅滴头间距30 cm的滴灌带满足试验土样灌水均匀性的要求;滴头流量对滴灌灌水均匀性也有一定影响,采用较大滴头能提高滴灌的灌水均匀性,但会增加单位灌溉面积设计供水能力,进而增加工程造价。综合考虑灌水均匀度、工程造价、工程运行管理模式以及糖料蔗不同生育期的用水需求,确定广西赤红壤蔗区滴灌带合理的滴头流量为1.38 L/h、滴头间距为30 cm、糖料蔗生育初期的适宜灌水时间为3.5 h,糖料蔗生育旺盛期适宜灌水时间为6.5 h。该结果可为广西赤红壤蔗区滴灌系统田间滴灌带合理设计提供参考。     

滴灌管主流道沿程压力分布模型及验证

为揭示滴灌管的沿程流动特性,简化滴灌水力计算,分析了能量方程应用于滴灌管水力计算的局限性,并以质量守恒和动量守恒定理为依据,建立了以滴灌管为典型的变质量流动数学模型,并结合测压试验数据,获得了滴灌管主流道沿程压力分布表达式。变质量流动的动量方程表明:多孔管路主流道压力变化取决于摩阻项和动量交换项两部分,沿程压力分布的具体形式取决于二者作用的相对强弱,滴灌管压力分布归结为求解滴灌管轴向流速分布、摩阻系数和动量交换系数,动量方程建立的合理之处在于不必追究其详细机制,将复杂的流动机理进行了合理概化。测压-测流试验表明:滴灌管轴向流速分布指数与滴头自身特性参数无关,而与滴头安装个数呈线性关系。基于理论分析和试验数据回归得到了动量交换系数的表达式,并结合Blasius摩阻公式进行方程求解,压力计算值与实测值吻合良好,最大相对误差为4.27%。该文可为滴灌管水力计算及多孔管水动力学研究提供一定参考。     

地下滴灌专用滴头的研制及初步应用

介绍一种既具有防负压堵塞性能又具备较佳压力补偿性能的地下滴灌专用滴头的设计思路和结构，通过室内试验，对滴头的防负压性、出流均匀性及压力—流量补偿关系等进行测试，并在田间进行实际应用考核。结果表明，这种滴头的结构不仅可以有效地防止因系统负压引起的滴头流道堵塞，同时滴头自身还具有良好的水力学性能。与传统的枣树穴灌方法对比，采用地下滴灌技术可节水约42%，增产26%，节水增产效果显著。     

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。     

地下滴灌土壤水运动和溶质运移数学模型的应用

利用建立的地埋点源土壤水运动和溶质运移数学模型描述地下滴灌条件下土壤水、肥运动的分布规律,将土壤质地结构、滴头出流量、滴头埋深和单次灌水历时等因素对土壤水分布的影响进行模拟分析。结果表明,在确定的土壤质地条件下,滴头出流量和埋深是影响地下滴灌系统性能的两个最重要的灌水设计参数,应尽量采用增加滴头数量而不是选用大流量滴头的方法来满足作物的需水要求。此外,合理的灌溉施肥时机应依据当地的土壤质地条件予以确定