一體化壓力補(bǔ)償式熱塑性彈性材質(zhì)滴頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊小坤，牛文全,2※ ，張 亮

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌712100；

3.山東春雨節(jié)水灌溉設(shè)備有限公司，濟(jì)南271100）

0 引 言1

滴頭和過濾器是滴灌工程2個(gè)核心裝置，性能優(yōu)良的過濾器可以使進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)的水質(zhì)合格，防止滴頭堵塞，保證滴灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]，好的滴頭可以使灌溉水均勻地滴入灌溉區(qū)域，且具有較高的抗堵塞能力[2-3]。目前，根據(jù)流量對(duì)工作水壓的適應(yīng)能力，滴頭可以分為壓力補(bǔ)償式滴頭和一般滴頭。壓力補(bǔ)償式滴頭在較大的工作水壓變化范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)流量基本穩(wěn)定，因此，壓力補(bǔ)償?shù)晤^適應(yīng)范圍更廣[4-5]，在干旱缺水的丘陵山區(qū)地區(qū)的山坡地或起伏較大的田間進(jìn)行滴灌時(shí)，壓力補(bǔ)償式滴頭具有更好的適應(yīng)性和灌水均勻度[6-8]。據(jù)調(diào)查，對(duì)于壓力補(bǔ)償式滴頭在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料選擇和產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)控制技術(shù)等方面，中國節(jié)水灌溉企業(yè)還沒有完全掌握，不具備完全的自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。中國亟待攻克壓力補(bǔ)償式滴頭的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的控制技術(shù)[9]。

為了探明壓力補(bǔ)償式滴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系，探索壓力補(bǔ)償式滴頭的設(shè)計(jì)方法，中國節(jié)水灌溉科技人員開展了大量的研究[10-16]，為建立壓力補(bǔ)償式滴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法奠定了良好的基礎(chǔ)。但上述研究均是基于三件式結(jié)構(gòu)滴頭，即滴頭均由基底、硅膠片和蓋扣組成。目前，市場(chǎng)上使用的壓力補(bǔ)償式滴頭基本為國外進(jìn)口產(chǎn)品，這些產(chǎn)品生產(chǎn)過程復(fù)雜，需要多副模具，生產(chǎn)成本高，周期長[16]，產(chǎn)品質(zhì)量控制困難。同時(shí)，由于含有硅膠補(bǔ)償片，致使壓力補(bǔ)償式滴頭和滴灌帶回收利用難度更大，回收成本更高，閑置在田間的廢舊滴灌帶不僅造成浪費(fèi)，也會(huì)造成土壤環(huán)境污染[17]。因此，研制性能更優(yōu)良、便于回收利用的滴灌產(chǎn)品與設(shè)備，對(duì)推廣中國的滴灌技術(shù)具有重要意義[18-19]。

王棟[20]基于具有彈性的聚氨酯材料提出了一款扁平式壓力補(bǔ)償?shù)晤^的設(shè)計(jì)方法，該滴頭摒棄了硅橡膠材料作為補(bǔ)償元件，試圖通過改變彈性片覆蓋流道的長度達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，但該設(shè)計(jì)仍采用了基片、彈性膜片、蓋扣三件式結(jié)構(gòu)，并沒有簡化生產(chǎn)工藝，目前也未見類似產(chǎn)品面世。魏正英等[16]提出了一體式壓力補(bǔ)償圓柱式滴頭的設(shè)計(jì)構(gòu)想，雖然簡化了彈性膜片固定裝置，但仍需要硅橡膠等材料作為補(bǔ)償元件進(jìn)行二次組裝，且在滴頭回收時(shí)需要分揀出該硅橡膠材料，增加人工成本等。綜上所述，中國壓力補(bǔ)償式滴頭的研究與生產(chǎn)仍是以國外常見的傳統(tǒng)產(chǎn)品為主，主要包括管上式、內(nèi)鑲圓柱式和貼片式，且所用彈性材料都是以硅橡膠為主，并沒有一款真正的自主研發(fā)的創(chuàng)新性產(chǎn)品。

為此，牛文全等[21-22]提出了一種一體化的壓力補(bǔ)償式滴頭設(shè)計(jì)方法并給出了該滴頭的生產(chǎn)工藝技術(shù)，該滴頭采用熱塑性彈性材料（thermoplastic elastomer， TPE）代替硅橡膠材料實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果，生產(chǎn)工藝簡單，彈性材料可完全回收利用，生產(chǎn)成本明顯降低。TPE，是指在常溫下顯示橡膠狀彈性、高溫下能夠塑化成型的一類新型高分子材料，因其既具有橡膠的彈性，又具有塑料的易加工性，已被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，同時(shí)被用于塑料改性劑以提高塑料的抗沖擊能力[23]。為了驗(yàn)證該滴頭成型技術(shù)的可行性以及一體化壓力補(bǔ)償式滴頭的基本性能，本文研究了TPE流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭基本性能的影響，并測(cè)試了該結(jié)構(gòu)滴頭的抗堵塞性能，以期為該結(jié)構(gòu)滴頭的優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 一體化壓力補(bǔ)償式TPE 滴頭設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

研制一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保、成型工藝簡單、水力性能及抗堵塞性能優(yōu)良的一體化壓力補(bǔ)償式滴頭。利用TPE代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅橡膠彈性片，實(shí)現(xiàn)降低回收利用成本的目的，摒棄傳統(tǒng)三件式結(jié)構(gòu)，全部采用塑料一次性注塑成型滴頭。要求滴頭有良好的水力性能和抗堵塞性能，流量在1.5～2.0 L/h之間，流態(tài)指數(shù)≤0.1，起調(diào)壓力≤40 kPa，補(bǔ)償區(qū)間最大值≥250 kPa[24]，流量補(bǔ)償效果不差于國外常見滴頭，抗堵塞性能不差于一般貼片式滴頭。

1.2 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

滴頭主要由固定流道與可變形流道2個(gè)部分組成。其中，固定流道采用低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）材料注塑而成，可變形流道由TPE材料注塑而成。選用雙色注塑機(jī)，先注塑產(chǎn)生固定流道部分，再用TPE材料注塑成型變形流道結(jié)構(gòu)部分組合成型，結(jié)構(gòu)見圖1。

水流從進(jìn)水口進(jìn)入固定迷宮流道，經(jīng)過第1次消能后進(jìn)入可變迷宮流道；由水力學(xué)能量守恒定理知，經(jīng)過消能后的水流流速減緩，水流壓強(qiáng)降低，從而與圖1b中彈性片一側(cè)的水流形成壓差，在壓差的作用下彈性片發(fā)生變形，彈性片向彈性齒方向靠近，可變迷宮流道過水?dāng)嗝婷娣e減小。在可變迷宮流道內(nèi)，水流進(jìn)行第2次消能，流速進(jìn)一步減小，并在彈性體變形與流體壓強(qiáng)耦合作用下，水流最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)毛管水流壓力較小時(shí)，迷宮流道內(nèi)水流流速較小，彈性體變形較小，可變迷宮流道過水?dāng)嗝孑^大；反之，過水?dāng)嗝孑^??；由Q=S·V（Q為流量，m3/s；S為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；V為水流流速，m/s）知，滴頭出水口流量能達(dá)到流量保持不變或變化量較小的補(bǔ)償效果。在可變流道內(nèi)，當(dāng)灌水壓強(qiáng)小于一定值時(shí)，滴頭內(nèi)的TPE彈性片脫離迷宮流道，此時(shí)過水?dāng)嗝嬖龃?，附著在齒間、彈性片表面的沙?？梢暂p易地被水流帶走，因此該滴頭還具有一定的沖洗功能，可以減緩滴頭堵塞的問題。

圖1 一體化壓力補(bǔ)償?shù)晤^結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure diagram of integrated pressure-compensating emitter

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 彈性片力學(xué)分析

水流進(jìn)入可變流道后，部分水流從彈性齒組成的迷宮流道通過，另一部分從彈性齒面與彈性片圍成的五邊形(圖2a 虛線部分)流道通過。補(bǔ)償效果發(fā)生時(shí)，彈性片兩側(cè)的壓力差F 使得彈性片發(fā)生一定變形，進(jìn)而通過改變迷宮流道過水?dāng)嗝娴姆椒ㄟ_(dá)到流量平衡的效果[25]，補(bǔ)償區(qū)迷宮流道結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2 所示。下面對(duì)彈性片變形過程進(jìn)行受力分析。

圖2 可變流道剖面及彈性片變形示意圖 Fig.2 Variable channel section and structure diagram of deformation of elastic diaphragm

彈性片發(fā)生變形時(shí)形成凸起（圖2b），從材料力學(xué)來講，是彈性片受到了軸向拉伸的作用，設(shè)該軸向拉力為N，并選取彈性片的一半進(jìn)行受力分析。

由弧長公式得：

流量穩(wěn)定時(shí)，彈性片基本處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，由ΣY=0，即彈性片在Y 軸方向所受合力為0，得到：

式中f 為彈性片在流道中的長度，mm。

由材料力學(xué)知：

式中m 為彈性片的厚度，mm；E 為彈性片的彈性模量，MPa。

由幾何關(guān)系，得彈性片凸起高度：

式中h 為彈性片變形后凸起的高度，mm。

同時(shí)，橡膠彈性模量和硬度之間存在如下關(guān)系[26]：

式中Ha為邵氏硬度，HA。

聯(lián)立式（1）～（5）得：

當(dāng)流道結(jié)構(gòu)尺寸確定后，最大要求工作壓強(qiáng)下△P 就可以確定，由于彈性片凸起后的最大高度hmax≈c，分別代入式（7）和式（8）即可求得E 值，再代入式（6），進(jìn)而確定彈性片的硬度。

△P 值的范圍確定：彈性片兩邊的壓強(qiáng)差值△P 的大小不僅與工作壓強(qiáng)有關(guān)，還與流道結(jié)構(gòu)有關(guān)。由水力學(xué)知，固定迷宮流道消能效果越好，△P 的值越大，同時(shí)可變流道調(diào)節(jié)流量的作用就會(huì)越小甚至消失，因此有必要控制固定迷宮流道與可變迷宮流道的比例。本文通過數(shù)值模擬的方法確定△P。

2.2 迷宮流道結(jié)構(gòu)與參數(shù)

滴頭流道結(jié)構(gòu)不僅與滴頭的水力性能有關(guān)[11,27]，還對(duì)滴頭的抗堵塞性能起決定性作用[12,28]。以Netfim、Plastro等產(chǎn)品鋸齒型滴頭流道結(jié)構(gòu)為參考，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)滴頭水力性能進(jìn)行CFD 模擬計(jì)算[29-30]，篩選較優(yōu)的參數(shù)組合作為滴頭的設(shè)計(jì)依據(jù)。為了減少流道中死角、低流速區(qū)等易產(chǎn)生泥沙停滯區(qū)域，對(duì)齒尖進(jìn)行了倒圓角處理[31-32]。迷宮流道結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如圖3 所示。

圖3 迷宮流道結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 Structure diagram of labyrinth channel

1） 固定流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

本滴頭通過可變迷宮流道結(jié)構(gòu)過水?dāng)嗝娴淖兓瘜?shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定的效果，固定迷宮流道的主要作用是穩(wěn)定初始流量、保證在低壓條件下滴頭也能保持水流形態(tài)為紊流。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接設(shè)定固定迷宮流道的尺寸，其中，齒尖角為30°，齒寬0.6 mm，齒間距1.5 mm，流道深度0.9 mm，齒尖進(jìn)行倒圓角處理，流道中心的齒尖倒圓角半徑為0.1 mm，邊壁的齒尖倒圓角半徑為0.3 mm，齒尖參差量為0，流道單元個(gè)數(shù)為4。

2） 可變流道結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

滴頭通過改變彈性片與可變迷宮流道間的過水?dāng)嗝婷娣e進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，因此可變迷宮流道的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)滴頭的水力性能起決定性作用。對(duì)于迷宮流道，本設(shè)計(jì)固定1 個(gè)單元長度為1.1 mm，當(dāng)齒夾角α 及其所對(duì)應(yīng)的流道寬度w 確定時(shí)，該流道的結(jié)構(gòu)就已確定，因此選取齒夾角、流道寬度、流道深度、單元數(shù)為試驗(yàn)因素，每個(gè)試驗(yàn)因素取3 個(gè)水平，如表1 所示。根據(jù)選定的模擬試驗(yàn)因素和水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取正交試驗(yàn)表L9（34）。同時(shí)根據(jù)固定迷宮流道尺寸的規(guī)格，設(shè)定彈性片與邊壁彈性齒間的距離a 為0.3 mm，彈性片寬度b 為3 mm，且為了使彈性片能夠充分變形，彈性齒形狀呈中間窄兩邊寬形狀，c 為0.9 mm，見圖2；流道中心的齒尖倒圓角半徑為0.1 mm，邊壁的齒尖倒圓角半徑為0.2 mm。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平表 Table 1 Factors and levels of orthogonal experimental design

2.3 CFD 計(jì)算過程及結(jié)果

滴頭流量受流道最小過水?dāng)嗝娉叽缬绊戄^大，且補(bǔ)償式滴頭在工作時(shí)補(bǔ)償片的具體運(yùn)動(dòng)形式不明確[15]，為了得到設(shè)計(jì)流量所對(duì)應(yīng)的流道結(jié)構(gòu)，令250 kPa 時(shí)彈性片基本貼附在迷宮流道上，此時(shí)水流僅從迷宮流道通過，并假設(shè)100、150 kPa 時(shí)彈性片的變形情況，簡化后的可變迷宮流道過水截面結(jié)構(gòu)如圖4 陰影部分所示。

圖4 不同壓力下彈性片變形簡化示意圖 Fig.4 Simplified diagram of deformation of elastic diaphragm for different pressures

本文采用ANSYS15.0 數(shù)值模擬軟件，模型網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量為9.9～16.5 萬個(gè)，計(jì)算選用k-e 湍流模型?？勺兞鞯澜Y(jié)構(gòu)CFD 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表2 所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，滴頭N4、N5、N7 在250 kPa 時(shí)滴頭流量分別為2.1、1.6 和1.7 L/h，接近流量為1.5～2.0 L/h 的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)三者的流量變化幅度及本文設(shè)計(jì)流量要求，選取N5 滴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)作為滴頭尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮到彈性片可能完全貼附流道壁面時(shí)的流量情況以及結(jié)合N4、N5流道單元數(shù)，將兩者可變迷宮流道單元數(shù)取均值，調(diào)整為12個(gè)。最終可變流道結(jié)構(gòu)尺寸：齒尖角34°，流道寬度0.4 mm，流道深度0.4 mm，流道單元數(shù)12 個(gè)。

彈性片的尺寸及彈性（或硬度）對(duì)滴頭的補(bǔ)償性能起到關(guān)鍵作用，為了確定合適的彈性片尺寸及物理性能，需要確定彈性片的使用條件，圖5 為計(jì)算過程中不同結(jié)構(gòu)尺寸條件下部分滴頭的計(jì)算壓強(qiáng)云圖。在進(jìn)水口壓強(qiáng)為250 kPa，彈性片貼附在彈性齒上時(shí)，彈性片兩側(cè)的壓強(qiáng)△P 為 70～150 kPa，擬選用的彈性片厚度為 0.5 mm，當(dāng)流道結(jié)果尺寸確定后，據(jù)式（6）～式（8）可得出，彈性片的硬度為26～44 HA。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果 Table 2 Orthogonal experimental design and results of numerical simulation

圖5 不同流道結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)各滴頭的壓力云圖 Fig.5 Pressure nephogram of emitters with different structure size

3 滴頭測(cè)試內(nèi)容與方法

3.1 測(cè)試材料與測(cè)試裝置

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)滴頭補(bǔ)償效果及小流道結(jié)構(gòu)尺寸下滴頭的堵塞情況，選取TPE 硬度分別為30 和40 HA，結(jié)構(gòu)完全相同的一體化壓力補(bǔ)償式滴頭2 種（分別記為A30和A40，由山東春雨節(jié)水灌溉設(shè)備有限公司代生產(chǎn)加工）進(jìn)行水力性能和抗堵塞試驗(yàn)，滴頭樣式如圖6 所示。其中，可變流道結(jié)構(gòu)參數(shù)：齒間距1.1 mm，齒尖角34°，流道寬度0.4 mm，流道深度為0.4 mm 可變流道單元數(shù)12 個(gè)；彈性片寬度3.5 mm，厚度0.5 mm，彈性齒與彈性 片之間距離0.3 mm。同時(shí)選取2 種流量相當(dāng)?shù)膲毫ρa(bǔ)償?shù)晤^（一種為國外滴頭Corona-2L，記為Corona，另外一種為國內(nèi)楊凌錦川管業(yè)有限公司生產(chǎn)滴頭，記為JC）進(jìn)行水力性能對(duì)比試驗(yàn)；選取2 種一般貼片式迷宮流道滴頭（分別記為滴頭B 和滴頭C）進(jìn)行3 種滴頭抗堵塞性能的對(duì)比試驗(yàn)。抗堵塞試驗(yàn)所用的泥沙選自渭河灘地淤泥，去雜質(zhì)、風(fēng)干研磨后過0.1 mm 篩網(wǎng)，取小于0.1 mm粒徑的土樣作為試驗(yàn)材料，過篩后的泥沙級(jí)配（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：0～0.002（13.24%），＞0.002～0.005（3.61%），＞0.005～0.01（4.85%），＞0.01～0.02（11.98%），＞0.02～0.05（41.4%）和＞0.05～0.1 mm（24.92%）。試驗(yàn)用水為楊凌自來水，測(cè)試水溫平均為29.5 ℃。

試驗(yàn)裝置參照《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備－灌水器－技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》[33]組裝，主要由水沙混合桶（高0.55 m、直徑0.6 m）、水泵（上海哈單機(jī)電有限公司-DBZ 單相自吸泵，最高揚(yáng)程60 m）、攪拌機(jī)（擺線針輪減速攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速1 390 r/min）、壓力表（上海自動(dòng)化儀表股份有限公司，精密度0.25 級(jí)）等組成，如圖7 所示。

圖6 一體化壓力補(bǔ)償?shù)晤^成品試樣 Fig.6 Integrated pressure-compensating emitter samples

圖7 水力性能測(cè)試平臺(tái) Fig.7 Diagram of hydraulic performance test bed

3.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)前將水壓分別調(diào)至最小、最大壓強(qiáng)并保壓5 min，測(cè)試過程以20 kPa 為極差從20 kPa 測(cè)試壓強(qiáng)開始測(cè)量，至260 kPa 測(cè)試壓強(qiáng)結(jié)束。每次壓強(qiáng)穩(wěn)定后，將量筒放至各滴頭下，單個(gè)水頭測(cè)試時(shí)間5 min，重復(fù)2 次，2 次質(zhì)量誤差小于2%并取平均值作為滴頭的流量。

采用周期性間歇渾水滴灌試驗(yàn)法測(cè)試滴頭抗堵塞性能，試驗(yàn)選用粒徑小于0.1 mm 的泥沙。在100 kPa 測(cè)試壓強(qiáng)下，先測(cè)定清水條件下的滴頭平均流量Q0，再分別對(duì)泥沙濃度為0.50、0.75 和1.00 g/L 的3 種水質(zhì)進(jìn)行滴頭抗堵塞測(cè)試。每次灌水時(shí)間30 min，間歇30 min，共25次灌水，每條毛管含7 枚滴頭，設(shè)3 條毛管為重復(fù)。每次灌水結(jié)束后，記錄各滴頭流量并取平均流量記為Qi，取Qr=Qi/Q0為該次灌水的相對(duì)平均流量，另采用每次灌水時(shí)各滴頭流量的變差系數(shù)Cv（表征滴頭流量灌水均性，%）對(duì)滴頭的抗堵塞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)果與分析

4.1 滴頭的補(bǔ)償性能

圖8 為A30、A40 及其他滴頭壓力—流量實(shí)測(cè)曲線。各曲線均在40～60 kPa 區(qū)間存在拐點(diǎn)，其中JC 滴頭在灌水壓強(qiáng)小于40 kPa 時(shí)無流量，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到各滴頭的擬合Q—H 曲線，見圖8。

圖8 不同滴頭水力性能測(cè)試曲線 Fig.8 Curve of hydraulic performance of different emitters

4.2 抗堵塞性能

4.2.1 泥沙濃度對(duì)一體化滴頭抗堵塞性能的影響

從圖9 可以看出，在壓力補(bǔ)償區(qū)間，滴頭Qr隨著灌水次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)，滴頭Cv呈上升趨勢(shì)，與其他類型滴頭堵塞情況一致。當(dāng)泥沙濃度較高時(shí)，滴頭的Qr和Cv都出現(xiàn)了突然減小或增大，說明滴頭堵塞程度并不一定是一直加重，而是具有一定的波動(dòng)性與隨機(jī)性，這得益于一體化壓力補(bǔ)償?shù)晤^的特殊結(jié)構(gòu)。當(dāng)泥沙濃度為0.50、0.75 g/L 時(shí)，Qr在第25 次灌水時(shí)下降到75%，Cv在第22 次灌水后大于20%，該一體化壓力補(bǔ)償?shù)晤^有效灌水次數(shù)達(dá)到22 次以上，抗堵塞性能良好。

壓力補(bǔ)償式滴頭的水力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括起調(diào)壓力、流態(tài)指數(shù)、補(bǔ)償區(qū)間等，補(bǔ)償區(qū)間范圍按標(biāo)壓 （100 kPa）下流量的15%偏差確定，各指標(biāo)如表3 所示。A30、A40 滴頭在100 kPa 時(shí)流量均為2.4 L/h，流量系數(shù)分別為2.25 和1.79，起調(diào)壓力在34～35 kPa；流態(tài)指數(shù)分別為0.07 和0.13，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[24]小于0.2 的要求，性能優(yōu)良；補(bǔ)償區(qū)間分別為35～300 及34～250 kPa，補(bǔ)償范圍大于150 kPa。Corona 滴頭起調(diào)壓力為49 kPa，流態(tài)指數(shù)0.02；JC 滴頭起調(diào)壓力為52 kPa，流態(tài)指數(shù)0.12，由此看出，國內(nèi)壓力補(bǔ)償式滴頭性能距離國際水平仍有差距。對(duì)比分析知，當(dāng)彈性片硬度為30 HA 時(shí)，滴頭流態(tài)指數(shù)為0.07＜0.2，補(bǔ)償區(qū)間最大壓力265 kPa＞150 kPa，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[24]要求，故該一體化壓力補(bǔ)償?shù)晤^設(shè)計(jì)及功能屬于恒流灌水器-壓力補(bǔ)償式滴頭范疇。

圖9 泥沙濃度對(duì)滴頭流量的影響 Fig.9 Influence of sediment concentrations on flow rate of emitter

表3 不同滴頭水力性能測(cè)試結(jié)果 Table 3 Results of hydraulic performance of different emitters

4.2.2 不同類型滴頭抗堵塞性能對(duì)比

采用2 種一般貼片滴頭B 和C 與一體化壓力補(bǔ)償?shù)晤^（記為A）進(jìn)行對(duì)比，3 種滴頭主要參數(shù)如表4 所示，分別在50、100 kPa 測(cè)試壓力下對(duì)滴頭進(jìn)行短周期堵塞試驗(yàn)，泥沙濃度為1.00 g/L。

由圖10 可知，50、100 kPa 工作壓力下，3 種滴頭的Qr都隨著灌水次數(shù)的增加而減小。當(dāng)系統(tǒng)壓力為50 kPa，15 次灌水后，A、B、C 滴頭的相對(duì)流量分別下降至93.1%、54.2%、81.8%，滴頭的抗堵塞性能為A＞C＞B；當(dāng)壓力為100 kPa 時(shí)，滴頭的抗堵塞性能為C＞B≥A。對(duì)于流道結(jié)構(gòu)不可變的非補(bǔ)償式滴頭，其抗堵塞性能與流道最小斷面尺寸有關(guān)[13,34-35]，一般而言，流道結(jié)構(gòu)斷面尺寸越大，相同情況下發(fā)生堵塞的程度的概率越小，因此對(duì)于B、C 滴頭，C 的抗堵塞性能優(yōu)于B。在100 kPa工作壓力下，A 滴頭可變形流道過水?dāng)嗝娲蠓葴p小，導(dǎo)致泥沙迅速淤積，致使滴頭較快地出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；但在50 kPa 工作壓力時(shí)，彈性片變化較小，流道結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，且每次管網(wǎng)系統(tǒng)開啟或關(guān)閉時(shí)，通過彈性片的震動(dòng)，可以排出附著、停留的泥沙而達(dá)到減緩滴頭堵塞情況。

表4 3 種滴頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 4 Main structure parameters of 3 different emitters

圖10 不同滴頭堵塞情況 Fig.10 Clogging of different emitters

與傳統(tǒng)硫化橡膠相比，TPE 的生產(chǎn)不需硫化、成型加工簡單，生產(chǎn)流程短、節(jié)約能耗、效率高10 倍以上，被人們稱為繼天然橡膠、合成橡膠后的第三代橡膠[36]。設(shè)計(jì)滴頭采用一體化結(jié)構(gòu)，精簡了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了模具使用數(shù)量，量產(chǎn)時(shí)單個(gè)滴頭成本在0.05～0.1 元，是傳統(tǒng)“三件式”滴頭成本的15%～35%，生產(chǎn)效率提升50%～150%。設(shè)計(jì)滴頭采用TPE 作為壓力補(bǔ)償元件，屬于國內(nèi)首例產(chǎn)品。由于補(bǔ)償效果發(fā)生時(shí)彈性片處于波動(dòng)或震動(dòng)狀態(tài)，為了真實(shí)地觀測(cè)滴頭的補(bǔ)償狀態(tài)情況以及彈性結(jié)構(gòu)對(duì)泥沙顆粒的響應(yīng)，建議采用數(shù)字式粒子圖像測(cè)速儀（digital particle Image velocimetry，DPIV）與平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)相結(jié)合的方式觀測(cè)滴頭內(nèi)部的水沙流動(dòng)情況。

5 結(jié) 論

1）基于壓力補(bǔ)償式滴頭補(bǔ)償原理，借助計(jì)算力體力學(xué)仿真軟件設(shè)計(jì)了一體化壓力補(bǔ)償式滴頭，滴頭流態(tài)指數(shù)為0.07，補(bǔ)償區(qū)間為35～300 kPa，起調(diào)壓力35 kPa， 水力性能指標(biāo)滿足壓力補(bǔ)償式滴頭設(shè)計(jì)要求。

2）與流道結(jié)構(gòu)相似的一般貼片式滴頭相比，在低壓灌水壓力時(shí)，滴頭A 的抗堵塞性能優(yōu)于滴頭B、C，且滴頭具有一定自沖洗功能，能夠減緩滴頭堵塞問題。

3）滴頭采用一體化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)工藝簡單，降低了生產(chǎn)成本，且材料可完全回收利用，該產(chǎn)品的研制有助于中國節(jié)水灌溉滴灌技術(shù)的推廣。