滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品技术

本发明专利技术涉及一种滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品。该方法在设计过程中综合考虑了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能，主要包括模拟方法建立、流道构型选择、结构参数确定、流道边界优化等阶段；借助最优数值模拟模型确定了滴灌灌水器流道的最优流道构型及结构参数取值范围，明确了滴灌灌水器初级雏形结构设计方法；提出了一种滴灌灌水器流道边界的漩涡洗壁优化设计方法，确定了边界优化设计的控制阈值范围，确定了二级精细结构设计方法；应用本发明专利技术所提出的设计方法结合分形几何理论，设计了片式和圆柱式两种分形流道灌水器产品，具有极高的水力性能和抗堵塞性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高效节水灌溉
，特别是一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品。
技术介绍
滴灌系统的滴灌灌水器(即滴头)堵塞问题解决的好坏程度直接影响系统灌水均匀度、使用寿命和运行效益。尤其是目前全球水资源紧缺和水污染严重并存，再生水、地表微污染水、高含沙水、微咸水等非常规水源也常常回用于农田灌溉，其复杂的水质情况极大的增加了滴灌灌水器堵塞的风险，也使得堵塞机理更为复杂。解决滴灌灌水器堵塞问题，关键就是提升自身抗堵塞能力。对滴灌灌水器结构进行优化设计，提升滴灌灌水器对颗粒物的输移能力及壁面的自清洗能力是提升滴灌灌水器自身抗堵塞能力的有效途径。滴灌灌水器结构设计关键在于消能流道设计。迷宫流道是消能流道设计中最为常见的形式，但由于迷宫流道的复杂性，消能机理与设计理论研究的缺失，导致传统的滴灌灌水器设计开发过程缺乏设计知识的积累，主要依托注塑模具设计与制造工艺，仿造国外先进的滴头结构，一个产品的定型需要若干次反复修改，尤其在模具加工阶段，并且若零件试验性能不能满足产品要求，必须从模具修改开始，甚至模具还有报废的风险。这样的设计开发周期一般为4-5个月，成本一般在5万元以上，不仅费时费力，造价极高，最为重要的是产品精度得不到保证。也有部分专家学者提出了滴灌灌水器的优化设计方法。如：中国农业大学杨培岭等提出了一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法，通过减小流道特征部位结构尺寸对流道结构进行了优化(中国专利，申请号为CN200710063794.6)；中国水利水电科学研究院王建东等提出一种低压滴灌锯齿形灌水器流道结构优化设计方法，该方法通过试验与模拟相结合的方式对灌水器结构进行优化设计(中国专利，申请号为CN201220669437.0)。上述方法均只是着重于对灌水器流道边界进行优化设计，但是并未确定流道边界设计的控制阈值范围，更未提出面向流量设计需求的一整套滴灌灌水器流道结构设计方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术在已有产品开发理论与过程中存在弊端的基础上，提出了一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，该方法在设计过程中综合考虑了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能，本专利技术应用该方法开发了片式和圆柱式两种水力性能与抗堵塞性能俱优的分形流道滴灌灌水器产品，本专利技术使得在国际范围内滴灌灌水器设计开发产生质的提升。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，包括如下步骤：步骤1，根据用户所提出的流量设计需求，在若干用户所提出的流道构型中，确定最优流道构型；步骤2，通过试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值，来确定最优流道构型的最优流道结构参数；所述流道结构参数包括：宽度W、长度L和深度D；所述抗堵塞性能评估参数P用于评估滴灌灌水器的抗堵塞性能的优劣，P的值越高，抗堵塞性能越好；所述流量系数k用于评估滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度，k的值越小，滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度越小，水力性能越好；步骤3，通过最优流道结构参数，得到最优流道结构原形。所述结构参数的单位为mm。在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值时，选择若干组流道结构参数参与试算。在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述步骤1包括如下步骤：1)使用初始粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型(如分形流道、齿形流道、三角形流道、矩形流道和梯形流道)为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各不同的流道构型的内壁近壁面流动剪切力均值(单位为Pa)模拟结果；所述初始粗糙度条件下的模拟模型中的边壁粗糙度均值为默认值；2)将步骤1)得到的的模拟结果分别代入公式(1)：中，得到各不同的流道构型的堵塞物质粗糙度均值(单位为μm)；所述公式(1)为本专利技术专利技术人通过对再生水、高含沙水、地表微咸水、高含沙水和地表微咸水混配水等多水源滴灌条件以及常用的片式、圆柱式、单翼迷宫式、贴条式等多类型灌水器抗堵塞试验，得到的在滴灌灌水器堵塞程度为5％时滴灌灌水器流道的内壁近壁面流动剪切力均值和堵塞物质粗糙度均值的相关关系；所述公式(1)适用于不同类型(如片式、圆柱式、单翼迷宫式)的滴灌灌水器及滴灌灌水器不同的流道构型；3)将步骤2)得到的各作为对应的流道构型的边壁粗糙度均值，代入初始粗糙度条件下的模拟模型，得到各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型；4)使用步骤3)得到的各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各流道构型内部的湍流强度；选择湍流强度最大的流道构型确定为最优流道构型。在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述步骤2包括如下步骤：5)使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在满足流道消能需求(即不产生射流)和流态指数x为0.50—0.55，且流道消能需求和流态指数x随所述最优流道构型的流道结构参数变化不敏感的前提下，确定所述最优流道构型的流道结构参数的取值范围(即控制阈值)，具体包括：宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围；6)在步骤5)得到的取值范围内，分别在宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围中，取相同个数的代表值(代表值的个数越多，最后得到的最优流道结构参数越准确)，且各代表值按均等间距选取；使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在不同进口压力H条件下，分别模拟各代表值从小到大依次组合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2)：Q＝kHx，公式(2)中的Q为出流流量，k为流量系数，H为进口压力，x为流态指数；得到各组合所代表的滴灌灌水器的流量系数k，将各组合所代表的流道结构参数与流量系数k进行拟合，得到滴灌灌水器流量系数k的预报模型；7)将步骤6)各组合或按照步骤6)的方法设置的各组合按照流道结构参数从小到大的顺序排列，计算各组合抗堵塞评估指数P值，再计算相邻两个组合的P值间的偏差(即)，从相邻两个组合的P值间的偏差小于s％(s为小于100的正数，可取s为1)的流道结构参数较小的若干组合(即时的第i个组合，i代表不同组合)中，选取一定数量的组合，将其结构参数的值分别代入步骤6)滴灌灌水器流量系数k的预报模型中，计算流量系数k，将k值最小的组合中的流道结构参数确定为滴灌灌水器最优流道结构参数。在最优流道构型的流道结构参数的取值范围(即控制阈值)内，水力性能参数即流态指数x仅受流道构型的影响，对于流道结构参数的改变较为不敏感，但对滴灌灌水器抗堵塞性能产生显著影响，因此本专利技术主要通过试算抗堵塞性能评估参数P值来确定最优的滴灌灌水器流道结构参数，进而得到滴灌灌水器流道最优结构原形。具体为选择多组长度、宽度、深度组合进行抗堵塞评估参数P的试算。在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，步骤6)滴灌灌水器流量系数k的预报模型为公式(3)：其中，a、b、c为待定系数，L、W、D分别为流道结构参数中的长度、宽度和深度。在上述面向流量设计需求的滴灌灌水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，包括如下步骤：步骤1，根据用户所提出的流量设计需求，在若干用户所提出的流道构型中，确定最优流道构型；步骤2，通过试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值，来确定最优流道构型的最优流道结构参数；所述流道结构参数包括：宽度W、长度L和深度D；所述抗堵塞性能评估参数P用于评估滴灌灌水器的抗堵塞性能的优劣，P的值越高，抗堵塞性能越好；所述流量系数k用于评估滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度，k的值越小，滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度越小，水力性能越好；步骤3，通过最优流道结构参数，得到最优流道结构原形。

【技术特征摘要】
1.一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，包括如下步骤：步骤1，根据用户所提出的流量设计需求，在若干用户所提出的流道构型中，确定最优流道构型；步骤2，通过试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值，来确定最优流道构型的最优流道结构参数；所述流道结构参数包括：宽度W、长度L和深度D；所述抗堵塞性能评估参数P用于评估滴灌灌水器的抗堵塞性能的优劣，P的值越高，抗堵塞性能越好；所述流量系数k用于评估滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度，k的值越小，滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度越小，水力性能越好；步骤3，通过最优流道结构参数，得到最优流道结构原形。2.如权利要求1所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：1)使用初始粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各不同的流道构型的内壁近壁面流动剪切力均值模拟结果；所述初始粗糙度条件下的模拟模型中的边壁粗糙度均值为默认值；2)将步骤1)得到的的模拟结果分别代入公式(1)：中，得到各流道构型的堵塞物质粗糙度均值3)将步骤2)得到的各作为对应的流道构型的边壁粗糙度均值，代入初始粗糙度条件下的模拟模型，得到各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型；4)使用步骤3)得到的各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各流道构型内部的湍流强度；选择湍流强度最大的流道构型确定为最优流道构型。3.如权利要求1所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：5)使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在满足流道消能需求和流态指数x为0.50—0.55，且流道消能需求和流态指数x随所述最优流道构型的流道结构参数变化不敏感的前提下，确定所述最优流道构型的流道结构参数的取值范围，具体包括：宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围；6)在步骤5)得到的取值范围内，分别在宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围中，取相同个数的代表值，且各代表值按均等间距选取；使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在不同进口压力H条件下，分别模拟各代表值从小到大依次组合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2)：Q＝kHx，公式(2)中的Q为出流流量，k为流量系数，H为进口压力，x为流态指数；得到各组合所代表的滴灌灌水器的流量系数k，将各组合所代表的流道结构参数与流量系数k进行拟合，得到滴灌灌水器流量系数k的预报模型；7)将步骤6)各组合或按照步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云开，周博，冯吉，杨培岭，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11