改進型雙向流流道滴灌灌水器參數設計研究

李嘉露，周穎明，史可梅

(陜西華地勘察設計咨詢有限公司，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，它具有增產增收、節水節肥、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，其內部流道能夠有效消除有壓水流多余能量，保證出流穩定[3]。因此，合理選擇灌水器流道結構參數與結構形式，對其水力性能的提高具有重要意義[4,5]。而流道流態指數是評價其水力性能優劣的重要指標，流態指數越小，水力性能越優[6,7]。

Yuan等[8]針對迷宮流道，基于管道轉折消能的方式，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，灌水器流態指數約為0.51。田濟揚等[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，流道內部形成正向水流與反向水流，經過劇烈的混摻，達到明顯的消能效果，通過試驗測試獲得流態指數小于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]建立了一種雙向對沖流滴灌灌水器，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]分析發現在低壓滴灌下，毛管敷設長度對灌水均勻度影響最大，且呈負相關。Almajeed等[14]使用新的滴灌系統布局代替傳統系統，通過優化灌水器均勻性，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，流態指數約0.43～0.51，且灌水器內部結構復雜。隨著滴灌灌水器向小流量的發展趨勢及其水力性能的優化，本文通過對灌水器結構形式、流量和水力性能等方面的研究，設計了一種改進型雙向流流道滴灌灌水器，通過對不同結構參數下的試驗測試，建立了結構參數與流態指數間的量化關系，并分析各結構參數對流道水力性能的影響，對滴灌灌水器結構的優化具有參考意義。

1 改進型雙向流流道設計與原理

1.1 流道設計

改進型雙向流流道結構主要包括外壁、分水件、過水通道和擋水件等4部分，如圖1為流道結構圖，擋水件與分水件合稱1個單元，為流道的核心結構，每組流道有20個單元。

圖1 流道結構圖

1.2 流道原理

改進型雙向流流道原理如圖2所示，有壓水流通過流道進水口進入后，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，持續穩定消能，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 流道結構參數設計

改進型雙向流流道結構參數見圖3，取a、b、c、d、e、α6個關鍵參數作為流道的結構參數，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，進口寬2.4 mm，出口寬0.4 mm。

圖3 流道結構參數圖

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

表1 流道結構參數試驗方案及結果

續表1 流道結構參數試驗方案及結果

2.2 流道樣件加工

流道樣件通過AutoCAD軟件進行設計，制作材料選為透光度好的有機玻璃，并采用精度為0.01 mm的激光雕刻機按同比例加工切割樣件，以保證樣件測試與實際流動機理相吻合。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

對每組流道結構制作樣件后，按照建立的正交試驗方法對各組方案進行壓力—流量試驗測試，其測試系統依據《農業灌溉設備-滴頭技術規范和實驗方法》[17]中的相關要求進行裝配，試驗系統布置見圖5，測試時取進口壓力為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 結果與分析

3.1 流道水力性能分析

流道壓力與流量的關系為：

q=khx

(1)

式中：q為流量，L/h；h為壓力，MPa；k為流量系數；x為流態指數。

對式(1)進行線性變換，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組流道結構方案的流態指數，結果見表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—流量關系曲線，如圖6所示。

圖6 方案5和22的壓力-流量關系曲線

由圖6及表1分析可知，方案5和22相關系數為0.996，試驗點和擬合曲線較吻合，壓力和流量間相關性較好。根據計算得出的25組方案流態指數為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 流態指數與結構參數的關系

由表1看出，不同結構的流道流態指數與流量不同，說明流道的水力性能與結構參數間關系密切。試驗利用極差分析法，在不同因素水平下，分析流態指數與結構參數間的影響關系，結果見表2。

表2 極差分析

依照表2極差R的值確定流態指數與結構參數間的關系順序是：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是流態指數x與結構參數間的關系圖，由圖7可以看出，x與b、c、d、α呈正相關，a與e呈負相關。

圖7 x與各結構參數的關系圖

根據極差結果分析可知，影響流態指數最大的參數是擋水件與上壁間夾角α，影響流態指數最小的參數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，參數取值范圍內，當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，這對流道的優化具有重要意義。

3.3 建立回歸模型

根據正交試驗結果，現假設流道各結構參數與流態指數x之間存在線性關系如下：

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；a,b,c,d,e,α為結構參數。

利用多元線性回歸法，對表1中數據進行計算，獲得回歸系數如表3所示。

表3 回歸系數

由表3得各結構參數與流態指數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，構建模型有效，相關性較好。

表4 方差分析

針對回歸模型，t檢驗分析結果如表5，可知結構參數a、b、c、e、α的t檢驗絕對值大于2.101，說明這5個參數對流態指數具有顯著影響，而參數d的t檢驗值小于2.101，說明參數d對流態指數的影響不顯著，且b、c、d、α均與x呈正相關，a、e均與x呈負相關。

表5 t檢驗分析

3.4 驗證回歸模型

根據表6中3組方案，對改進型雙向流流道進行試驗測試，驗證回歸模型可靠性，結果見圖8。

表6 流道結構參數

圖8 驗證結果

通過水力性能測試，獲得3組方案的流態指數分別為0.447、0.471、0.493；回歸模型中代入各結構參數，計算獲得3組方案流態指數分別為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%，結果表明構建的回歸模型可靠性較高，并能較準確地反映改進型雙向流流道結構參數與流態指數間的量化關系，可預測流道壓力為0.05～0.25 MPa范圍的水力性能。

4 結 語

(1)本文提出了一種改進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組流道流態指數為0.401～0.498，水力性能優良，且在進口壓力0.10 MPa下的最小流量是1.50 L/h，流量相對較小，結構簡單，調壓性能穩定，應用前景較好。

(2)由極差分析可知，流道擋水件與上壁間夾角α對流態指數的影響最大，分水件與擋水件間距d對流態指數影響最小；流態指數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，與分水件與上壁間距a和前擋水件與后分水件間距e呈負相關。

(3)構建了改進型雙向流流道結構參數與流態指數之間的預測模型，t檢驗分析表明，結構參數a、b、c、e、α對流態指數具有顯著影響；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，對滴灌灌水器結構的優化具有參考意義。