改進(jìn)型雙向流流道滴灌灌水器參數(shù)設(shè)計研究

李嘉露，周穎明，史可梅

(陜西華地勘察設(shè)計咨詢有限公司，西安 710018)

滴灌是有壓水流通過與毛管相連的灌水器，均勻、緩慢地滴入作物根部土壤，在毛細(xì)管作用或重力作用下將水流分散至根系各處，被作物吸收利用的一種灌水方式，它具有增產(chǎn)增收、節(jié)水節(jié)肥、高效省工、有效控制溫濕度等特點[1,2]。灌水器是滴灌的主要配件，其內(nèi)部流道能夠有效消除有壓水流多余能量，保證出流穩(wěn)定[3]。因此，合理選擇灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)形式，對其水力性能的提高具有重要意義[4,5]。而流道流態(tài)指數(shù)是評價其水力性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，流態(tài)指數(shù)越小，水力性能越優(yōu)[6,7]。

Yuan等[8]針對迷宮流道，基于管道轉(zhuǎn)折消能的方式，提出了一種能夠增大局部損失的分流式灌水器流道，由水力性能測試可知，灌水器流態(tài)指數(shù)約為0.51。田濟(jì)揚(yáng)等[9,10]建立了一種滴灌雙向流流道灌水器，受分水件與擋水件影響，流道內(nèi)部形成正向水流與反向水流，經(jīng)過劇烈的混摻，達(dá)到明顯的消能效果，通過試驗測試獲得流態(tài)指數(shù)小于0.50，流道水力性能提升，且0.10 MPa壓力時的最小流量約為8.70 L/h。郭霖等[11,12]建立了一種雙向?qū)_流滴灌灌水器，該灌水器在壓力為0.10 MPa下最小流量約為2.80 L/h，在滿足滴灌流量壓力的條件下灌水器水力性能良好。白雨薇等[13]分析發(fā)現(xiàn)在低壓滴灌下，毛管敷設(shè)長度對灌水均勻度影響最大，且呈負(fù)相關(guān)。Almajeed等[14]使用新的滴灌系統(tǒng)布局代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)，通過優(yōu)化灌水器均勻性，改善灌水器的水力性能。

大量研究表明[8,9,11]，滴灌灌水器在0.10 MPa壓力下，最小流量約為2.80 L/h，流態(tài)指數(shù)約0.43～0.51，且灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著滴灌灌水器向小流量的發(fā)展趨勢及其水力性能的優(yōu)化，本文通過對灌水器結(jié)構(gòu)形式、流量和水力性能等方面的研究，設(shè)計了一種改進(jìn)型雙向流流道滴灌灌水器，通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的試驗測試，建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)間的量化關(guān)系，并分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對流道水力性能的影響，對滴灌灌水器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有參考意義。

1 改進(jìn)型雙向流流道設(shè)計與原理

1.1 流道設(shè)計

改進(jìn)型雙向流流道結(jié)構(gòu)主要包括外壁、分水件、過水通道和擋水件等4部分，如圖1為流道結(jié)構(gòu)圖，擋水件與分水件合稱1個單元，為流道的核心結(jié)構(gòu)，每組流道有20個單元。

圖1 流道結(jié)構(gòu)圖

1.2 流道原理

改進(jìn)型雙向流流道原理如圖2所示，有壓水流通過流道進(jìn)水口進(jìn)入后，在分水件影響下，水流被分成上下兩股，上股水流在擋水件影響下，產(chǎn)生反向水流，而下股水流即正向水流與反向水流在擋水件齒尖處聚集，兩股水流對沖混摻，形成漩渦，消除水體部分能量；同時水流在流經(jīng)過水通道時，由于斷面尺寸的收縮，消耗多余能量。在流道后一個單元影響下，持續(xù)穩(wěn)定消能，最終流出流道，從而具有較好的水力性能。

圖2 流道原理圖

2 材料與方法

2.1 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

改進(jìn)型雙向流流道結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖3，取a、b、c、d、e、α6個關(guān)鍵參數(shù)作為流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中a是分水件與流道上壁間距，b是分水件與流道下壁間距，c是擋水件與流道下壁間距，d是分水件與擋水件間距，e是前擋水件與后分水件間距，α是擋水件與流道上壁間夾角(分水件與擋水件平行)，流道深0.5 mm，擋水件與分水件寬0.7 mm，進(jìn)口寬2.4 mm，出口寬0.4 mm。

圖3 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

根據(jù)滴灌灌水器對壓力與流量要求的實際情況值，進(jìn)行測試，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍。同時，為盡可能代表全面試驗，減少試驗次數(shù)，采用正交設(shè)計法[15,16]制定試驗方案，依據(jù)L25(56)正交表設(shè)計了25組方案，流道結(jié)構(gòu)參數(shù)取值及試驗結(jié)果如表1所示，其中x為流態(tài)指數(shù)，q為0.10 MPa壓力下的流量。

表1 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗方案及結(jié)果

續(xù)表1 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗方案及結(jié)果

2.2 流道樣件加工

流道樣件通過AutoCAD軟件進(jìn)行設(shè)計，制作材料選為透光度好的有機(jī)玻璃，并采用精度為0.01 mm的激光雕刻機(jī)按同比例加工切割樣件，以保證樣件測試與實際流動機(jī)理相吻合。最終，流道樣件由刻好的流道底板與蓋板用亞克力專用膠水黏結(jié)而成，流道樣件如圖4所示。

圖4 流道樣件

2.3 試驗方法

對每組流道結(jié)構(gòu)制作樣件后，按照建立的正交試驗方法對各組方案進(jìn)行壓力—流量試驗測試，其測試系統(tǒng)依據(jù)《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備-滴頭技術(shù)規(guī)范和實驗方法》[17]中的相關(guān)要求進(jìn)行裝配，試驗系統(tǒng)布置見圖5，測試時取進(jìn)口壓力為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 MPa。每組壓力試驗3次，取其平均值，每次試驗時間均維持3 min。

1-供水水箱；2-水泵；3-總控制閥(1)；4-總控制閥(2)；5-控水閥(1)；6-壓力表；7-控水閥(2)；8-流道樣件；9-堵頭

3 結(jié)果與分析

3.1 流道水力性能分析

流道壓力與流量的關(guān)系為：

q=khx

(1)

式中：q為流量，L/h；h為壓力，MPa；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)。

對式(1)進(jìn)行線性變換，得：

lnq=lnk+xlnh

(2)

對每組流道流量值與壓力值，利用線性回歸方法，計算得到25組流道結(jié)構(gòu)方案的流態(tài)指數(shù)，結(jié)果見表1。

由表1可知，25組方案中，方案5水力性能最好，方案22水力性能最差。以方案5和22為例，回歸擬合獲得流道壓力—流量關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 方案5和22的壓力-流量關(guān)系曲線

由圖6及表1分析可知，方案5和22相關(guān)系數(shù)為0.996，試驗點和擬合曲線較吻合，壓力和流量間相關(guān)性較好。根據(jù)計算得出的25組方案流態(tài)指數(shù)為0.401～0.498，說明流道流量的變化受壓力變化影響較小，水力性能較好。

3.2 流態(tài)指數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

由表1看出，不同結(jié)構(gòu)的流道流態(tài)指數(shù)與流量不同，說明流道的水力性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)間關(guān)系密切。試驗利用極差分析法，在不同因素水平下，分析流態(tài)指數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的影響關(guān)系，結(jié)果見表2。

表2 極差分析

依照表2極差R的值確定流態(tài)指數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系順序是：擋水件與上壁間夾角α>分水件與上壁間距a>擋水件與下壁間距c>分水件與下壁間距b>分水件與擋水件間距e>前擋水件與后分水件間距d。如圖7是流態(tài)指數(shù)x與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系圖，由圖7可以看出，x與b、c、d、α呈正相關(guān)，a與e呈負(fù)相關(guān)。

圖7 x與各結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系圖

根據(jù)極差結(jié)果分析可知，影響流態(tài)指數(shù)最大的參數(shù)是擋水件與上壁間夾角α，影響流態(tài)指數(shù)最小的參數(shù)是分水件與擋水件間距d和分水件與擋水件間距e。由表2中k值大小可知，參數(shù)取值范圍內(nèi)，當(dāng)a=0.7 mm，b=0.4 mm，c=0.3 mm，d=0.6 mm，e=0.9 mm，α=20°時，流道水力性能最好，這對流道的優(yōu)化具有重要意義。

3.3 建立回歸模型

根據(jù)正交試驗結(jié)果，現(xiàn)假設(shè)流道各結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)x之間存在線性關(guān)系如下：

x=β0+β1a+β2b+β3c+β4d+β5e+β6α

(2)

式中：βi(i=0,1,2,3,4,5,6,7) 為回歸系數(shù)；a,b,c,d,e,α為結(jié)構(gòu)參數(shù)。

利用多元線性回歸法，對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，獲得回歸系數(shù)如表3所示。

表3 回歸系數(shù)

由表3得各結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)之間的回歸模型如下：

x=0.365 8-0.079 7a+0.022 2b+0.062 8c+0.014 6d-0.023 4e+0.002 6α

(3)

計算得到回歸模型方差分析結(jié)果如表4。模型R2=0.949(P=1.18×10-10<0.01)，通過自由度(6,18)和置信度取95%，得到F0.05(6,18)=2.66<55.777，故該回歸模型在0.05水平下十分顯著，構(gòu)建模型有效，相關(guān)性較好。

表4 方差分析

針對回歸模型，t檢驗分析結(jié)果如表5，可知結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b、c、e、α的t檢驗絕對值大于2.101，說明這5個參數(shù)對流態(tài)指數(shù)具有顯著影響，而參數(shù)d的t檢驗值小于2.101，說明參數(shù)d對流態(tài)指數(shù)的影響不顯著，且b、c、d、α均與x呈正相關(guān)，a、e均與x呈負(fù)相關(guān)。

表5 t檢驗分析

3.4 驗證回歸模型

根據(jù)表6中3組方案，對改進(jìn)型雙向流流道進(jìn)行試驗測試，驗證回歸模型可靠性，結(jié)果見圖8。

表6 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 驗證結(jié)果

通過水力性能測試，獲得3組方案的流態(tài)指數(shù)分別為0.447、0.471、0.493；回歸模型中代入各結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算獲得3組方案流態(tài)指數(shù)分別為0.444、0.470、0.496。可知計算值和試驗值之間相對誤差在0.21%～0.67%之間，小于5%，結(jié)果表明構(gòu)建的回歸模型可靠性較高，并能較準(zhǔn)確地反映改進(jìn)型雙向流流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)間的量化關(guān)系，可預(yù)測流道壓力為0.05～0.25 MPa范圍的水力性能。

4 結(jié) 語

(1)本文提出了一種改進(jìn)型雙向流流道滴灌灌水器，其主要通過正、反雙向流的互相混摻，以及斷面尺寸的收縮，消耗水體多余能量。試驗表明，25組流道流態(tài)指數(shù)為0.401～0.498，水力性能優(yōu)良，且在進(jìn)口壓力0.10 MPa下的最小流量是1.50 L/h，流量相對較小，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)壓性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景較好。

(2)由極差分析可知，流道擋水件與上壁間夾角α對流態(tài)指數(shù)的影響最大，分水件與擋水件間距d對流態(tài)指數(shù)影響最?。涣鲬B(tài)指數(shù)x與分水件與下壁間距b、擋水件與下壁間距c、分水件與擋水件間距d、擋水件與上壁間夾角α呈正相關(guān)，與分水件與上壁間距a和前擋水件與后分水件間距e呈負(fù)相關(guān)。

(3)構(gòu)建了改進(jìn)型雙向流流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)之間的預(yù)測模型，t檢驗分析表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b、c、e、α對流態(tài)指數(shù)具有顯著影響；驗證回歸模型中計算值和試驗值之間的相對誤差小于5%，證實了模型的可靠性，對滴灌灌水器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有參考意義。