新型小管穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

李嘉露，白丹，王新端，郭霖

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

小管出流灌溉是中國(guó)首創(chuàng)的一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)[1]，具有節(jié)能、省水、適應(yīng)性強(qiáng)、施肥方便、堵塞問題小、操作管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于樹木的灌溉和施肥[2-3].小管穩(wěn)流器是小管出流灌溉中最主要的部件，用于消除毛管中壓力水流的多余能量，保證水流均勻穩(wěn)定地灌溉到樹木根部[4]，即要求穩(wěn)流器具有較高的水力性能.而評(píng)價(jià)小管穩(wěn)流器水力性能的主要指標(biāo)是流態(tài)指數(shù)，其值越小，水力性能越好.

影響小管穩(wěn)流器流態(tài)指數(shù)的一個(gè)重要因素是流道結(jié)構(gòu)形式[5-7].目前常用的穩(wěn)流器有壓力補(bǔ)償式[8-10]和螺紋型流道[11]，但其中的彈性膜片易老化，致使調(diào)壓性能下降，影響其使用壽命，且成本較高.WEI等[12]研究表明開發(fā)新的流道結(jié)構(gòu)形式對(duì)水力性能的優(yōu)化具有重要影響，認(rèn)為通過改變流道自身結(jié)構(gòu)以提高其水力性能，為流道研發(fā)提供了新的思路.在此基礎(chǔ)上，郭霖等[13]研發(fā)了一種無彈性膜片的雙向流流道穩(wěn)流器，其結(jié)構(gòu)解決了過水?dāng)嗝娉叽缡芩畨鹤饔冒l(fā)生形變的問題，但在流道結(jié)構(gòu)形式方面仍較為單一，且其流態(tài)指數(shù)在0.5左右，水力性能仍有提升空間.

流道結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響小管穩(wěn)流器流態(tài)指數(shù)的另一個(gè)重要因素，主要影響流道內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)方式[14-16].文高峰[17]將流道寬度、長(zhǎng)度和深度作為主要結(jié)構(gòu)控制參數(shù)，分析了不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其水頭損失的影響，即壓力相同時(shí)，流道長(zhǎng)度與水頭損失系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，流道寬度和深度與水頭損失系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.喻黎明[18-19]研究表明不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)的顯著性影響各異，其中流道上底寬和轉(zhuǎn)角對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最為顯著，流道寬、流道高和偏移量對(duì)流態(tài)指數(shù)均無顯著影響.田濟(jì)揚(yáng)等[20]通過試驗(yàn)研究表明，在同一流道形式、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，流道的水力性能有很大差異.因此，開發(fā)更多小管穩(wěn)流器流道結(jié)構(gòu)形式、研究流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其水力性能影響，對(duì)小管穩(wěn)流器在實(shí)際工程應(yīng)用中的推廣具有一定的參考價(jià)值.

綜上所述，文中研發(fā)一種穩(wěn)流器流道，并通過不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的試驗(yàn)測(cè)試，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)間的量化關(guān)系，分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流道水力性能的影響，為后續(xù)穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究提供一定的理論基礎(chǔ).

1 新型穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)主要由分水板、過水板和外殼3大部分組成，且均為圓柱型，其中2組分水板和過水板是核心部件.圖1為穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)示意圖，右圖為橫截面圖，其腔內(nèi)2組分水板均通過2個(gè)寬度為0.5 mm的縱向支架固定.該穩(wěn)流器主要通過流道斷面尺寸收縮，使水流相互對(duì)沖混摻，消耗有壓水流的多余能量，達(dá)到穩(wěn)流目的.

圖1 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

穩(wěn)流器流道截面工作原理如圖2所示，從進(jìn)水方向，前后2組分水板和過水板作用基本相同.當(dāng)有壓水進(jìn)入流道后，在前一組分水板的作用下，水流從其兩端邊壁空隙流過，流經(jīng)過水板使得水流受到阻擋，并在過水板中部孔口處匯聚，發(fā)生強(qiáng)烈對(duì)沖混摻，達(dá)到消能的效果，而在后一組分水板和過水板的作用下，進(jìn)一步使水流相互對(duì)沖混摻，消除流道內(nèi)多余能量，提高穩(wěn)流器的水力性能.

圖2 流道截面工作原理圖

2 材料與方法

2.1 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化影響著穩(wěn)流器整體的水力性能.新型穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)的核心部件主要由2組分水板和過水板構(gòu)成，其具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示，由于縱向支架尺寸微小，故設(shè)置參數(shù)時(shí)可忽略不計(jì).選取第1組分水板與邊壁間距a、第1組過水板中部過水孔徑b、第2組分水板與邊壁間距c、第2組過水板中部過水孔徑d、第1組分水板與過水板間距e1、第1組分水板與第2組過水板間距e2、第2組分水板與過水板間距e3，共7個(gè)參數(shù)作為流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中分水板和過水板均厚2 mm.

圖3 穩(wěn)流器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

以穩(wěn)流器對(duì)壓力和流量要求的實(shí)際情況值，作為各結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值依據(jù)，進(jìn)行預(yù)研試驗(yàn)，選定結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍(見表1).預(yù)研結(jié)果表明該新型穩(wěn)流器流態(tài)指數(shù)在0.5以下，其水力性能較好，可進(jìn)一步研究分析.

表1 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍

由表1可知，7個(gè)試驗(yàn)因素的相應(yīng)水平變化范圍較小，且因素水平數(shù)不等.為了盡可能地代表全面試驗(yàn)并減少試驗(yàn)次數(shù)，采用混合水平正交設(shè)計(jì)法[21-22]制定試驗(yàn)方案，依據(jù)L16(44×23)混合水平正交表設(shè)計(jì)了16組試驗(yàn)方案，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)e1，e2，e3由于取值范圍變化較小，且設(shè)置較密水平時(shí)流態(tài)指數(shù)變化不大，尤其對(duì)于影響較小的因素，水平靠近就可能檢測(cè)不出水平的影響，故在混合水平正交表中取2水平即可滿足要求[21-22].試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2，其中x為流態(tài)指數(shù)，k為流量系數(shù)；q為工作壓力130 kPa下的流量.

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2 穩(wěn)流器試件加工

穩(wěn)流器試件通過CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作材料均選擇透光度好的有機(jī)玻璃，并采用精度為0.01 mm的激光雕刻機(jī)按同比例加工切割試件，以保證試件測(cè)試與實(shí)際流動(dòng)機(jī)理相吻合.最終，穩(wěn)流器試件由刻好的有機(jī)玻璃板用亞克力專用膠水黏結(jié)而成，其中2組分水板和過水板樣件如圖4所示.

圖4 穩(wěn)流器有機(jī)玻璃板樣件

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)每組穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行試件制作后，按照建立的混合水平正交試驗(yàn)方法對(duì)各組方案進(jìn)行流量-壓力試驗(yàn)測(cè)試，其測(cè)試系統(tǒng)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50485—2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求進(jìn)行裝配.試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖5所示，測(cè)試時(shí)進(jìn)口工作壓力分別為50，90，130，170，210，250 kPa；每個(gè)壓力點(diǎn)測(cè)試3次，每次測(cè)試時(shí)間均持續(xù)5 min，取其平均值作為對(duì)應(yīng)壓力的流量，若3次測(cè)試中流量偏差大于10%，則需重測(cè).試驗(yàn)采用量筒收集穩(wěn)流器中出水量5 min，待量筒中水面平靜，精讀水的容積并計(jì)算其流量，單位為L(zhǎng)/h.記錄系統(tǒng)工作壓力、穩(wěn)流器出水量與出水時(shí)間，不同工作壓力下，重復(fù)上面的流量-壓力試驗(yàn).

圖5 流量-壓力試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)流器的水力性能

穩(wěn)流器壓力與流量關(guān)系[23]為

q=khx，

(1)

式中：q為流量，L/h；h為工作壓力，kPa；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù).

對(duì)式(1)取對(duì)數(shù)，得

lnq=lnk+xlnh.

(2)

利用線性回歸方法，將試驗(yàn)結(jié)果代入式(2)，回歸計(jì)算得到16組穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)方案的流態(tài)指數(shù)，見表2.由表2可知，方案4的流態(tài)指數(shù)最小，方案9的流態(tài)指數(shù)最大.以具有代表性的試驗(yàn)方案4和9為例，進(jìn)口工作壓力h作為橫坐標(biāo)、流道流量q為縱坐標(biāo)，回歸擬合得出穩(wěn)流器流道的流量-壓力關(guān)系曲線，如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)方案4和9的流量-壓力關(guān)系曲線

Fig.6 Flow rate-pressure curves of Cases 4 and 9

由圖6及表2分析可知，試驗(yàn)方案4和9的相關(guān)系數(shù)均為0.999，測(cè)試點(diǎn)與曲線擬合程度高，工作壓力與流量之間相關(guān)性良好.根據(jù)計(jì)算得出的16組方案流態(tài)指數(shù)為0.475～0.498，說明穩(wěn)流器流道流量對(duì)工作壓力的敏感程度較小，流道流量的變化受壓力變化的影響較小，其水力性能良好.

3.2 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響

從表2可以看出，不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案的流量和流態(tài)指數(shù)差異較大，表明結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響流道水力性能的重要因素.試驗(yàn)采用混合水平的極差分析，對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同水平下與流態(tài)指數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見表3，表中Κi表示任1列上水平號(hào)為i時(shí)，所對(duì)應(yīng)的流態(tài)指數(shù)之和；ki表示Κi的算術(shù)平均值.

表3 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

根據(jù)表3中調(diào)整極差R′,確定結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響主次順序?yàn)閑3，b，a，c，d(e2)，e1；進(jìn)一步分析各參數(shù)與流態(tài)指數(shù)關(guān)系的趨勢(shì)，圖7即為結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響，可看出流態(tài)指數(shù)x隨a，c，d，e2，e3增大而增大，但隨b和e1增大而減小.

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響

Fig.7 Influence of geometric parameters on flow regime indexx

由圖7可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)e1和e2對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響較小，設(shè)置更密水平時(shí)，檢測(cè)不出水平的影響；而對(duì)于影響較大的參數(shù)e3，對(duì)其增加水平進(jìn)行試驗(yàn)，得到e3對(duì)x的影響關(guān)系如圖8所示，其他參數(shù)均取固定值，其中a為0.6 mm，b和d均為1.6 mm，c為1.2 mm，e1為2.0 mm，e2為1.5 mm.從圖8可看出，e3對(duì)x的影響趨勢(shì)與圖7結(jié)果大致相同，且其極差為0.009 5，相比混合水平調(diào)整后的極差仍為最大，說明該混合水平極差分析結(jié)果可信.

圖8 結(jié)構(gòu)參數(shù)e3對(duì)流態(tài)指數(shù)x的影響

通過極差分析對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)影響流態(tài)指數(shù)的結(jié)果可知，流道第2組分水板與過水板間距e3對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最大，第1組分水板與過水板間距e1對(duì)流態(tài)指數(shù)影響最小.根據(jù)表3中各結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同水平i下的平均流態(tài)指數(shù)ki值，確定在結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍內(nèi)，水力性能最優(yōu)的組合方案為a=0.6 mm，b=1.6 mm，c=0.6 mm，d=1.0 mm，e1=2.0 mm，e2=1.5 mm，e3=1.5 mm，可為穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù).

3.3 建立多元回歸模型

根據(jù)正交試驗(yàn)得到的結(jié)果，初步擬定流態(tài)指數(shù)x與7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)間呈線性關(guān)系，其形式為

x=α0+α1a+α2b+α3c+α4d+α5e1+α6e2+α7e3，

(3)

式中：α0為回歸常數(shù)項(xiàng)(截距)；αi(i=1，2，3，…，7)為偏回歸系數(shù)；a，b，c，d，e1，e2，e3為結(jié)構(gòu)參數(shù).

將表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸計(jì)算，得到回歸系數(shù)見表4，方差分析見表5.

表4 回歸系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表4得出流態(tài)指數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的回歸方程為

x=0.456 2+0.012 4a-0.014 9b+0.003 9c+

0.003 4d-0.000 3e1+0.001 8e2+0.015 8e3.

(4)

模型R2=0.968(P=2.4×10-5<0.01)，其自由度為(7，8)，置信度取95%時(shí)，查得F0.05(7,8)=3.5<34.216，即所建立的回歸方程在0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，模型建立有效，且相關(guān)性良好.

表5 回歸方程的方差分析

進(jìn)一步對(duì)回歸模型進(jìn)行t檢驗(yàn)分析，結(jié)果見表6.可知結(jié)構(gòu)參數(shù)a，b和e3的t檢驗(yàn)絕對(duì)值大于2.306，表明這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且a和e3均與x呈正相關(guān)，b與x呈負(fù)相關(guān)，而結(jié)構(gòu)參數(shù)c，d，e1和e2對(duì)流態(tài)指數(shù)影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.根據(jù)表6中t檢驗(yàn)的絕對(duì)值確定7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)影響的主次順序?yàn)閑3，b，a，c，d，e2，e1，其中d和e2的影響順序與極差分析略有差異，但兩者對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)的t檢驗(yàn)

注：t0.05/8=2.306

3.4 回歸模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證回歸模型的可行性，在結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍內(nèi)取a=0.8 mm，b=1.0 mm，c=1.4 mm，d=1.6 mm，e1=1.5 mm，e2=2.0 mm，e3=2.0 mm進(jìn)行穩(wěn)流器流道回歸模型的驗(yàn)證.

將該組穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行試件制作，黏結(jié)處理后的整體結(jié)構(gòu)如圖9所示.

圖9 穩(wěn)流器流道試件

采用試驗(yàn)測(cè)試的方法，得到不同壓力下的流量實(shí)測(cè)值，如圖10所示，并擬合得到流量-壓力關(guān)系式為q=3.145 5h0.498 9.將這組結(jié)構(gòu)參數(shù)值代入回歸方程(4)，計(jì)算得出其流量-壓力關(guān)系式為q=3.264 3h0.496 9.

圖10 回歸模型與試驗(yàn)驗(yàn)證的q-h曲線

該流道流量通過回歸模型得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差為3.06%～5.33%，小于10%；流態(tài)指數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為0.40%，小于5%.結(jié)果表明建立的回歸模型具有一定的準(zhǔn)確性和可行性，能較好地反映流態(tài)指數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的量化關(guān)系，可用于穩(wěn)流器流道結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化.

4 結(jié) 論

1) 提出了一種穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)，其主要通過流道斷面尺寸收縮，使水流相互對(duì)沖混摻，消耗有壓水流多余能量，達(dá)到穩(wěn)流目的.試驗(yàn)表明，其流態(tài)指數(shù)為0.475～0.498，水力性能良好，即具有良好的穩(wěn)流效果，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)壓性能穩(wěn)定，有一定的應(yīng)用前景.

2) 由極差分析可知，流道第2組分水板與過水板間距e3對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最大，第1組分水板與過水板間距e1對(duì)流態(tài)指數(shù)影響最??；流態(tài)指數(shù)x隨a，c，d，e2，e3增大而增大，隨b和e1增大而減小.

3) 建立了穩(wěn)流器流道流態(tài)指數(shù)與7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)間的預(yù)測(cè)模型，t檢驗(yàn)分析表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)a，b，e3對(duì)流態(tài)指數(shù)影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；同時(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證模型計(jì)算值與試驗(yàn)值間的相對(duì)誤差小于5 %，證實(shí)了回歸模型的準(zhǔn)確性和可行性.

研究結(jié)論為穩(wěn)流器流道進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一定的理論參考.