工作壓力對滴灌管迷宮流道灌水器水力性能影響

為探明細小泥沙粒徑對迷宮流道灌水器抗堵塞性能的影響,該文以內鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器為研究對象,應用類短周期堵塞測驗方法對8種粒徑小于0.1mm的泥沙顆粒進行渾水測試。在此基礎上,分析了泥沙粒徑和含沙量對灌水器堵塞的影響,探討引起灌水器發(fā)生堵塞時的敏感粒徑范圍與含沙量水平。試驗結果表明:對于粒徑小于0.1mm的細小顆粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,當渾水含沙量水平大于1.25g/l時,影響尤其顯著,呈正相關關系;粒徑對堵塞的影響并不是單調的遞增或遞減,堵塞發(fā)生的敏感粒徑范圍在0.03～0.04mm之間。試驗結果有助于進一步提高含沙水源滴灌的應用水平。

滴灌滴頭水力性能優(yōu)化是滴灌技術不斷發(fā)展的需要。采用響應曲面法研究了梯形迷宮滴頭流道的流道寬度、長度、深度、轉角和流道單元數等5個關鍵參數對滴頭水力性能(流態(tài)指數和流量系數)的影響與最佳水平。試驗結果表明,所測試梯形迷宮滴頭最優(yōu)流道寬度、長度、深度、轉角和流道單元數分別為1.55mm、2.33mm、1.55mm、46.32°和20,優(yōu)化后滴頭的流態(tài)指數為0.4993、流量系數為0.4441,較優(yōu)化前流態(tài)指數提高了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因素,用混合水平均勻設計安排試驗方案。應用研制的地下滴灌灌水器流量測試系統,用稱重法來獲得不同試驗方案灌水器流量。根據試驗數據,建立了地下滴灌灌水器流量計算經驗公式。分析表明:在工作壓力不變時,灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個變化過程僅1～2min左右,可認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灌水器流量影響較小。

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

為研究不同質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計安排試驗。試驗結果表明,不同土壤中的灌水器出流規(guī)律一致:即當工作壓力不變時,灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個變化過程僅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象,通過計算流體力學(cfd)數值模擬、piv觀測和樣品測試相結合的方法,研究了齒形結構的不同齒底距、齒高下顆粒運動軌跡與流道內部速度場分布的關系,并初步探索了流道結構參數與灌水器抗堵塞性能的關系。結果表明:當流道內固體粒子運動速度小于0.5m/s時,易在齒底處旋轉,而大于此速度時,則易進入主流區(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,齒高與抗堵塞性呈負相關;流道設計時,單純增大齒底距或者減小齒高,可以有效降低粒子在流道中發(fā)生旋轉的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。

利用cfd數值模擬方法代替?zhèn)鹘y水力性能試驗對不同結構參數尺寸的齒形迷宮滴頭流道內流場進行模擬計算,充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢,選取流量系數、流態(tài)指數和水頭損失系數3個指標來分析齒形迷宮滴頭流道結構參數對滴頭工作性能影響的規(guī)律。結果表明,齒角度α對流量系數的影響最大,其次是偏差量j,齒高h對其影響最小;齒角度α對流態(tài)指數的影響最大,其次是偏差量j,齒高h對其影響最小。

利用cfd數值模擬方法代替?zhèn)鹘y水力性能試驗對不同結構參數尺寸的齒形迷宮滴頭流道內流場進行模擬計算,充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢,選取流量系數、流態(tài)指數和水頭損失系數3個指標來分析齒形迷宮滴頭流道結構參數對滴頭工作性能影響的規(guī)律。結果表明,齒角度α對流量系數的影響最大,其次是偏差量j,齒高h對其影響最小;齒角度α對流態(tài)指數的影響最大,其次是偏差量j,齒高h對其影響最小。

以均質壤土(l)、均質砂土(s)、上砂下壤(sl)和壤土中有砂土夾層(lsl)4種土壤質地結構為對象,利用室內土箱試驗,研究了土壤質地及其層狀結構對灌水器流量的影響,估算了灌水器出口正壓值。試驗選用10m水頭壓力下額定流量為1.1l/h的地下滴灌專用灌水器。土壤為層狀結構時,上層土壤厚度為20cm,砂土夾層的厚度為10cm。l、s、sl試驗的灌水器埋深為15cm;為了探討灌水器埋深與土壤質地變化相對位置對灌水器性能的影響,lsl的灌水器埋深設計為15、25和35cm。試驗采用的工作壓力為2、3、6和10m水頭。結果表明: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。灌水器流量隨時間的變化可近似用冪函數表示。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。土壤層狀質地對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土壤中的流量,尤其當灌水器位于lsl的砂土夾層中時,流量比在均質壤土中減少13%,比自由出流流量減少20%。利用試驗結果建立了地下滴灌灌水器流量與土壤飽和導水率、層狀土壤結構、灌水器工作壓力的經驗關系,對各影響因子的敏感性分析結果表明,對地下滴灌灌水器流量影響最明顯的是灌水器工作壓力,其次是層狀土壤結構,飽和導水率的影響較小。

壓力和流量的關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裝置,測量了流量和壓力關系。試驗結果表明: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水流流態(tài)及其相互轉換的臨界雷諾數,該文對5種流道尺寸的模型中水流流動現象進行觀測與分析,并進一步分析了迷宮流道內水流水頭損失與斷面平均流速之間的關系以及相應斷面尺寸直流道內水流沿程水頭損失與斷面平均流速之間的關系。結果表明:迷宮灌水器不斷轉折的流道對水流有很大的干擾,可以使其中水流在雷諾數為41.5時就失去穩(wěn)定轉變?yōu)檫^渡區(qū);迷宮流道進口段單元中可能出現層流,出現層流的單元數占總單元數的10%～12%。從整體來看,可認為迷宮灌水器中水流流態(tài)為紊流或過渡區(qū);與經典雷諾試驗結果不同,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)指數可達到0.4～0.5;該試驗迷宮流道中水流過渡區(qū)與紊流區(qū)相互轉換的臨界雷諾數為87.5～125.0。

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

為了研究滴頭工作壓力和土壤物理特性對地下滴灌灌水器流量的影響,采用分形理論分析各種級配土壤的分形特征;以土壤顆粒質量分形維數、灌水器工作壓力、土壤容積密度、土壤初始含水率為試驗因素,運用混合水平均勻設計方法進行試驗。結果表明,粘粒含量大小是土壤分形維數的主要影響因素,土壤分形維數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的增大而減小,即土壤質地越細地下滴灌滴頭流量就越小;通過試驗所建立的包含有土壤分形維數因素的地下滴灌灌水器流量計算經驗公式的普適性較高。

為提高圓柱灌水器流量設計精度及滴灌系統的均勻度,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象,利用精密微小物體三維掃描儀mcs-60型測量灌水器流道結構參數,并采用自動化程度較高的灌水器水力性能測試平臺測試此25種滴灌管,得出其流量壓力曲線關系、流量系數和流態(tài)指數。測試結果表明,使用不同聚乙烯(pe)管厚度對同一灌水器的流量確實產生影響,其最大影響率能達到20%;不同的pe管壁厚對流量系數影響較大,但對流態(tài)指數影響較小;灌水器流道寬度也是造成不同pe管壁厚對灌水器出流的因素,流道越寬,對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地下滴灌灌水器流量的影響程度對地下滴灌水力計算與工程設計具有重要的理論和實用價值。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計安排試驗方案,將歸一化處理后的各因素實測數據進行回歸分析,估算各試驗因素對地下滴灌灌水器流量的影響程度。結果表明: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地下滴灌灌水器流量的影響較弱,但在地下滴灌水力計算與工程設計中也不可忽略。

通過對現有滴灌灌水器類型的分析及試驗篩選,結果表明,內鑲式滴灌管最適宜應用于地下滴灌,在低壓運行時,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,所選取的幾種滴頭基本上都可以用于地下滴灌。通過對濕潤鋒的觀測,發(fā)現出流量較大的滴頭,其濕潤鋒向上運移速度較快。因此,為防止地下滴灌產生深層滲漏,應選取出流量較大的滴頭

通過試驗,研究了灌水器類型、流量、工作壓力和土壤初始含水量對地下滴灌灌水器出口正壓的影響規(guī)律。結果表明:灌水器埋入土壤后,其出流由于受土壤等因素的限制,在灌水器出口處產生了一定的正壓,該正壓隨著灌水歷時的延長而增大。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

對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行了田間試驗研究。經過多次灌水試驗,結果表明,4種滴灌管(帶)灌水器出流量均隨灌水次數的增加和距離毛管進水口長度的增加呈減小趨勢,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;隨著灌水次數的增加在滴灌管(帶)的管腔內有細小泥沙淤積,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,管內泥沙的沉積大大增加了灌水器的堵塞幾率,因此定期對滴灌帶進行沖洗可以有效減小堵塞。

通過設置灌溉量和滴灌管埋深的二因素三水平田間小區(qū)試驗,研究灌溉量和滴灌管埋深對無膜地下滴灌棉花產量的影響,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。結果表明,無膜灌溉量為4200m3/hm2,滴灌管埋深5cm時,產量最高,為最佳無膜覆蓋滴灌量和滴灌管埋深設置,當灌溉量較低時,滴灌管要深埋,反之,則要淺埋。僅從經濟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計安排試驗,對各因素實測數據進行相關、回歸和通徑分析,利用通徑系數直接評價和比較各試驗因素對地下滴灌灌水器流量的影響程度。結果表明:工作壓力對灌水器流量的直接通徑系數最大,土壤初始含水率和土壤容重通過工作壓力對灌水器流量的間接通徑系數次之,其它直接或間接通徑系數很小,剩余通徑系數較小。這說明試驗所選的三個因素可反映地下滴灌灌水器水力要素之間的關系,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灌水器流量的作用不可忽略。

滴灌系統管網的壓力損失引起的壓力偏差,是造成灌水不均勻的主要原因之一。該文介紹了一種能夠穩(wěn)定壓力的裝置及其結構,通過對其水力性能的測試和分析,提出了該裝置適宜的工作范圍,同時對測試過程中出現的若干問題進行了探討。

節(jié)水灌溉主要方式之一是采用滴灌,目的是提高灌溉用水有效利用系數,從而節(jié)約水量,使糧食產量大幅度增加。從灌溉方式、制度、定額、輸水管道及水量損失等方面進行了闡述,并對水源工程設計進行了初步探討。