工作壓力對(duì)滴灌管迷宮流道灌水器水力性能影響

為探明細(xì)小泥沙粒徑對(duì)迷宮流道灌水器抗堵塞性能的影響,該文以內(nèi)鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器為研究對(duì)象,應(yīng)用類短周期堵塞測(cè)驗(yàn)方法對(duì)8種粒徑小于0.1mm的泥沙顆粒進(jìn)行渾水測(cè)試。在此基礎(chǔ)上,分析了泥沙粒徑和含沙量對(duì)灌水器堵塞的影響,探討引起灌水器發(fā)生堵塞時(shí)的敏感粒徑范圍與含沙量水平。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于粒徑小于0.1mm的細(xì)小顆粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,當(dāng)渾水含沙量水平大于1.25g/l時(shí),影響尤其顯著,呈正相關(guān)關(guān)系;粒徑對(duì)堵塞的影響并不是單調(diào)的遞增或遞減,堵塞發(fā)生的敏感粒徑范圍在0.03～0.04mm之間。試驗(yàn)結(jié)果有助于進(jìn)一步提高含沙水源滴灌的應(yīng)用水平。

滴灌滴頭水力性能優(yōu)化是滴灌技術(shù)不斷發(fā)展的需要。采用響應(yīng)曲面法研究了梯形迷宮滴頭流道的流道寬度、長(zhǎng)度、深度、轉(zhuǎn)角和流道單元數(shù)等5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)滴頭水力性能(流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù))的影響與最佳水平。試驗(yàn)結(jié)果表明,所測(cè)試梯形迷宮滴頭最優(yōu)流道寬度、長(zhǎng)度、深度、轉(zhuǎn)角和流道單元數(shù)分別為1.55mm、2.33mm、1.55mm、46.32°和20,優(yōu)化后滴頭的流態(tài)指數(shù)為0.4993、流量系數(shù)為0.4441,較優(yōu)化前流態(tài)指數(shù)提高了5.624%,滴頭水力性能得到了改善。

為了研究灌水器流量變化規(guī)律,該文以灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為試驗(yàn)因素,用混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案。應(yīng)用研制的地下滴灌灌水器流量測(cè)試系統(tǒng),用稱重法來獲得不同試驗(yàn)方案灌水器流量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了地下滴灌灌水器流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。分析表明:在工作壓力不變時(shí),灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個(gè)變化過程僅1～2min左右,可認(rèn)為灌水器流量是不變的;在同一壓力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌減小5%～20%,壓力越大,二者值越接近;影響地下滴灌灌水器流量的主要因素是灌水器工作壓力,而土壤容重和土壤初始含水率對(duì)灌水器流量影響較小。

在室內(nèi)將3種類型的灌水器置于自制水槽中,進(jìn)行了灌水器的淹沒出流試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:灌水器在淹沒出流時(shí)的出流規(guī)律與自由出流相同,但淹沒時(shí)的流量略小于對(duì)應(yīng)壓力下自由出流的流量,其流量變化率多在10%以內(nèi);相比之下,低壓時(shí)流量變化率比高壓時(shí)大,即在灌水器額定工作壓力(10m)附近,淹沒出流對(duì)其影響較小。統(tǒng)計(jì)特征表明,灌水器淹沒后出流更加均勻。不同灌水器類型對(duì)淹沒與否的敏感程度有所差異,微管灌水器最為明顯,其次是內(nèi)鑲式,補(bǔ)償式變化很小。升降壓過程中,降壓過程的淹沒出流對(duì)灌水器的流量變化率均小于升壓過程。

為研究不同質(zhì)地土壤中灌水器水力要素的變化規(guī)律及其差異,選取灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為因素,分別在粘土、壤土和砂土中采用混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同土壤中的灌水器出流規(guī)律一致:即當(dāng)工作壓力不變時(shí),灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個(gè)變化過程僅1~2min;在相同壓力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌小5%~20%,壓力越大,二者越接近;灌水器流量隨工作壓力的增加而增大;土壤因素對(duì)灌水器流量有微弱的制約作用,使流量減小。相同條件下,土壤質(zhì)地越輕,灌水器流量越大;但隨著土壤容重和土壤初始含水率的增加,土壤質(zhì)地越輕,流量減小程度越大。

以齒形迷宮流道灌水器為研究對(duì)象,通過計(jì)算流體力學(xué)(cfd)數(shù)值模擬、piv觀測(cè)和樣品測(cè)試相結(jié)合的方法,研究了齒形結(jié)構(gòu)的不同齒底距、齒高下顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與流道內(nèi)部速度場(chǎng)分布的關(guān)系,并初步探索了流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與灌水器抗堵塞性能的關(guān)系。結(jié)果表明:當(dāng)流道內(nèi)固體粒子運(yùn)動(dòng)速度小于0.5m/s時(shí),易在齒底處旋轉(zhuǎn),而大于此速度時(shí),則易進(jìn)入主流區(qū)被水流帶出流道;齒形迷宮流道齒底距與抗堵塞性能呈正相關(guān),齒高與抗堵塞性呈負(fù)相關(guān);流道設(shè)計(jì)時(shí),單純?cè)龃簖X底距或者減小齒高,可以有效降低粒子在流道中發(fā)生旋轉(zhuǎn)的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。

利用cfd數(shù)值模擬方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力性能試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的齒形迷宮滴頭流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢(shì),選取流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)和水頭損失系數(shù)3個(gè)指標(biāo)來分析齒形迷宮滴頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭工作性能影響的規(guī)律。結(jié)果表明,齒角度α對(duì)流量系數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小;齒角度α對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小。

利用cfd數(shù)值模擬方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力性能試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的齒形迷宮滴頭流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢(shì),選取流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)和水頭損失系數(shù)3個(gè)指標(biāo)來分析齒形迷宮滴頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭工作性能影響的規(guī)律。結(jié)果表明,齒角度α對(duì)流量系數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小;齒角度α對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小。

以均質(zhì)壤土(l)、均質(zhì)砂土(s)、上砂下壤(sl)和壤土中有砂土夾層(lsl)4種土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)為對(duì)象,利用室內(nèi)土箱試驗(yàn),研究了土壤質(zhì)地及其層狀結(jié)構(gòu)對(duì)灌水器流量的影響,估算了灌水器出口正壓值。試驗(yàn)選用10m水頭壓力下額定流量為1.1l/h的地下滴灌專用灌水器。土壤為層狀結(jié)構(gòu)時(shí),上層土壤厚度為20cm,砂土夾層的厚度為10cm。l、s、sl試驗(yàn)的灌水器埋深為15cm;為了探討灌水器埋深與土壤質(zhì)地變化相對(duì)位置對(duì)灌水器性能的影響,lsl的灌水器埋深設(shè)計(jì)為15、25和35cm。試驗(yàn)采用的工作壓力為2、3、6和10m水頭。結(jié)果表明:灌水開始后,出口正壓的迅速增大致使灌水器流量迅速減少,而后逐漸趨于穩(wěn)定。灌水器流量隨時(shí)間的變化可近似用冪函數(shù)表示。灌水器在土壤中的流量比在空氣中的自由出流流量有所減小,灌水器自由出流流量越小,減小幅度越大。土壤層狀質(zhì)地對(duì)灌水器流量影響明顯,一定壓力下,灌水器在層狀土壤中的流量小于在均質(zhì)土壤中的流量,尤其當(dāng)灌水器位于lsl的砂土夾層中時(shí),流量比在均質(zhì)壤土中減少13%,比自由出流流量減少20%。利用試驗(yàn)結(jié)果建立了地下滴灌灌水器流量與土壤飽和導(dǎo)水率、層狀土壤結(jié)構(gòu)、灌水器工作壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,對(duì)各影響因子的敏感性分析結(jié)果表明,對(duì)地下滴灌灌水器流量影響最明顯的是灌水器工作壓力,其次是層狀土壤結(jié)構(gòu),飽和導(dǎo)水率的影響較小。

壓力和流量的關(guān)系是地下滴灌灌水器最重要的水力要素之一,通過地下滴灌灌水器試驗(yàn)裝置,測(cè)量了流量和壓力關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:壓力不變情況下,地下滴灌灌水器流量是恒定的;地下滴灌灌水器流量對(duì)壓力變化的敏感程度高于地表滴灌。

為分析迷宮灌水器流道內(nèi)水流流態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù),該文對(duì)5種流道尺寸的模型中水流流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)與分析,并進(jìn)一步分析了迷宮流道內(nèi)水流水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系以及相應(yīng)斷面尺寸直流道內(nèi)水流沿程水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系。結(jié)果表明:迷宮灌水器不斷轉(zhuǎn)折的流道對(duì)水流有很大的干擾,可以使其中水流在雷諾數(shù)為41.5時(shí)就失去穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡區(qū);迷宮流道進(jìn)口段單元中可能出現(xiàn)層流,出現(xiàn)層流的單元數(shù)占總單元數(shù)的10%～12%。從整體來看,可認(rèn)為迷宮灌水器中水流流態(tài)為紊流或過渡區(qū);與經(jīng)典雷諾試驗(yàn)結(jié)果不同,迷宮流道中水流水頭損失與斷面平均流速的2.0～2.5次方成比例;迷宮灌水器的流態(tài)指數(shù)可達(dá)到0.4～0.5;該試驗(yàn)迷宮流道中水流過渡區(qū)與紊流區(qū)相互轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù)為87.5～125.0。

針對(duì)涌泉根灌灌水原理,提出了一種新型的螺紋式涌泉根灌灌水器,并運(yùn)用pro/e三維造型、cfd數(shù)值模擬、快速成形及試驗(yàn)驗(yàn)證等方法對(duì)該新型灌水器的水力性能進(jìn)行了研究,得到了不同長(zhǎng)度流道的壓力流量關(guān)系曲線和內(nèi)部壓力、速度分布圖。結(jié)果表明,該流道水力性能良好,流態(tài)指數(shù)約為0.5,處于紊流狀態(tài),消能形式以局部水頭損失為主,試驗(yàn)驗(yàn)證得出的水力特征曲線與數(shù)值分析得出的水力特征曲線基本吻合,該研究結(jié)果為涌泉根灌產(chǎn)品開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

為了研究滴頭工作壓力和土壤物理特性對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響,采用分形理論分析各種級(jí)配土壤的分形特征;以土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)、灌水器工作壓力、土壤容積密度、土壤初始含水率為試驗(yàn)因素,運(yùn)用混合水平均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明,粘粒含量大小是土壤分形維數(shù)的主要影響因素,土壤分形維數(shù)隨著粘粒含量的增加而增大;plassim公司地下滴灌灌水器流量隨土壤分形維數(shù)的增大而減小,即土壤質(zhì)地越細(xì)地下滴灌滴頭流量就越小;通過試驗(yàn)所建立的包含有土壤分形維數(shù)因素的地下滴灌灌水器流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的普適性較高。

為提高圓柱灌水器流量設(shè)計(jì)精度及滴灌系統(tǒng)的均勻度,以7種圓柱灌水器和4種壁厚組成的25種滴灌管作為研究對(duì)象,利用精密微小物體三維掃描儀mcs-60型測(cè)量灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù),并采用自動(dòng)化程度較高的灌水器水力性能測(cè)試平臺(tái)測(cè)試此25種滴灌管,得出其流量壓力曲線關(guān)系、流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明,使用不同聚乙烯(pe)管厚度對(duì)同一灌水器的流量確實(shí)產(chǎn)生影響,其最大影響率能達(dá)到20%;不同的pe管壁厚對(duì)流量系數(shù)影響較大,但對(duì)流態(tài)指數(shù)影響較小;灌水器流道寬度也是造成不同pe管壁厚對(duì)灌水器出流的因素,流道越寬,對(duì)灌水器出流影響越大。

地下滴灌灌水器流量由于受到土壤因素的制約而比地表滴灌流量有所減小,研究土壤物理特性對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度對(duì)地下滴灌水力計(jì)算與工程設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。文中分別選取灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為因素,采取混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案,將歸一化處理后的各因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,估算各試驗(yàn)因素對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度。結(jié)果表明:地下滴灌中工作壓力是決定灌水器流量的主要因素,土壤容重和土壤初始含水率對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響較弱,但在地下滴灌水力計(jì)算與工程設(shè)計(jì)中也不可忽略。

通過對(duì)現(xiàn)有滴灌灌水器類型的分析及試驗(yàn)篩選,結(jié)果表明,內(nèi)鑲式滴灌管最適宜應(yīng)用于地下滴灌,在低壓運(yùn)行時(shí),孔口式滴頭在土壤中穩(wěn)定出流量為空氣中的3/5,基本可以滿足地下滴灌的要求;在較高供水壓力時(shí),所選取的幾種滴頭基本上都可以用于地下滴灌。通過對(duì)濕潤(rùn)鋒的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)出流量較大的滴頭,其濕潤(rùn)鋒向上運(yùn)移速度較快。因此,為防止地下滴灌產(chǎn)生深層滲漏,應(yīng)選取出流量較大的滴頭

通過試驗(yàn),研究了灌水器類型、流量、工作壓力和土壤初始含水量對(duì)地下滴灌灌水器出口正壓的影響規(guī)律。結(jié)果表明:灌水器埋入土壤后,其出流由于受土壤等因素的限制,在灌水器出口處產(chǎn)生了一定的正壓,該正壓隨著灌水歷時(shí)的延長(zhǎng)而增大。影響地埋灌水器出口正壓的主要因素是灌水器的額定流量和土壤初始含水量

以運(yùn)行2年的日光溫室番茄地下滴灌系統(tǒng)為對(duì)象,通過對(duì)灌水器流量進(jìn)行測(cè)試,分析了滴灌帶埋深、施肥次數(shù)、施肥量和土壤層狀結(jié)構(gòu)等對(duì)灌水器堵塞程度及灌水均勻性的影響。滴灌系統(tǒng)包括滴灌帶埋深為0、15和30cm的33個(gè)小區(qū),2年累計(jì)施肥次數(shù)的變化范圍為0~19,累計(jì)施尿素量變化范圍為0~1023kg/hm2。結(jié)果表明,運(yùn)行2年后地表和地下滴灌灌水器發(fā)生了輕微堵塞,其中流量降低超過25%的灌水器占2.7%,完全堵塞的灌水器占2.1%;施肥次數(shù)、施肥量和土壤層狀結(jié)構(gòu)對(duì)堵塞的發(fā)生沒有明顯影響,地表滴灌比地下滴灌堵塞略為嚴(yán)重;未發(fā)現(xiàn)根系入侵造成的灌水器堵塞。對(duì)發(fā)生堵塞灌水器在系統(tǒng)中的位置進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn),大部分堵塞灌水器位于毛管的最末端。為了定量評(píng)價(jià)灌水器堵塞程度對(duì)灌水均勻性的影響,建立了灌水器流量變差系數(shù)與流量降低百分?jǐn)?shù)之間的回歸關(guān)系,結(jié)果表明灌水器流量均勻系數(shù)隨堵塞引起的流量降低百分?jǐn)?shù)的增大而線性增大。

針對(duì)最為節(jié)水、高效用水的地下滴灌技術(shù),主要分析了目前地下灌水器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、使用特點(diǎn)和功能,并運(yùn)用土-水系統(tǒng)中土壤水分理論知識(shí),提出并設(shè)計(jì)了一種非電子控制的地下滴灌灌水器產(chǎn)品。該產(chǎn)品以土壤負(fù)壓為控制動(dòng)力,以土壤水分為控制條件,當(dāng)灌水器附近土壤發(fā)生干濕變化時(shí),土壤表現(xiàn)出不同大小的負(fù)壓,并作用于灌水器內(nèi)部的彈性膜囊,使之發(fā)生變形,從而改變灌水器內(nèi)部流道的通斷,使灌水器的出流狀況始終與土壤含水量自動(dòng)相適應(yīng),具有出流量自調(diào)節(jié)的功能。

對(duì)4種不同滴灌管(帶)在含沙水滴灌條件下灌水器的出流量變化及淤積堵塞情況進(jìn)行了田間試驗(yàn)研究。經(jīng)過多次灌水試驗(yàn),結(jié)果表明,4種滴灌管(帶)灌水器出流量均隨灌水次數(shù)的增加和距離毛管進(jìn)水口長(zhǎng)度的增加呈減小趨勢(shì),最后完全堵塞的灌水器均發(fā)生在毛管的末端;在相同水質(zhì)和灌水壓力下,大流量灌水器抗堵塞性能較好,即大流道灌水器的抗堵塞性能優(yōu)于小流道灌水器;隨著灌水次數(shù)的增加在滴灌管(帶)的管腔內(nèi)有細(xì)小泥沙淤積,小流量滴灌管(帶)在70～80m處泥沙淤積量驟然增加,大流量滴灌管(帶)在80～90m處驟然增加,管內(nèi)泥沙的沉積大大增加了灌水器的堵塞幾率,因此定期對(duì)滴灌帶進(jìn)行沖洗可以有效減小堵塞。

通過設(shè)置灌溉量和滴灌管埋深的二因素三水平田間小區(qū)試驗(yàn),研究灌溉量和滴灌管埋深對(duì)無膜地下滴灌棉花產(chǎn)量的影響,以明確在無膜條件下地下滴灌棉田灌溉量和滴灌管埋深的最優(yōu)指標(biāo)。結(jié)果表明,無膜灌溉量為4200m3/hm2,滴灌管埋深5cm時(shí),產(chǎn)量最高,為最佳無膜覆蓋滴灌量和滴灌管埋深設(shè)置,當(dāng)灌溉量較低時(shí),滴灌管要深埋,反之,則要淺埋。僅從經(jīng)濟(jì)效益來看棉花種植采用地膜覆蓋更好,但無膜覆蓋具有較好的社會(huì)效益和生態(tài)效益。

分別選取灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為因素,采取混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn),對(duì)各因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)、回歸和通徑分析,利用通徑系數(shù)直接評(píng)價(jià)和比較各試驗(yàn)因素對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度。結(jié)果表明:工作壓力對(duì)灌水器流量的直接通徑系數(shù)最大,土壤初始含水率和土壤容重通過工作壓力對(duì)灌水器流量的間接通徑系數(shù)次之,其它直接或間接通徑系數(shù)很小,剩余通徑系數(shù)較小。這說明試驗(yàn)所選的三個(gè)因素可反映地下滴灌灌水器水力要素之間的關(guān)系,其中地下滴灌中工作壓力是決定灌水器流量的主要因素,土壤初始含水率和土壤容重通過工作壓力對(duì)灌水器流量的作用不可忽略。