劉 潔王 聰魏青松史玉升

(華中科技大學材料成形及模具技術國家重點試驗室,湖北武漢 430074)

波動水壓參數(shù)對灌水器水力性能影響試驗

劉 潔,王 聰,魏青松,史玉升

(華中科技大學材料成形及模具技術國家重點試驗室,湖北武漢 430074)

針對低壓灌溉系統(tǒng)雖然可以節(jié)省電能但卻容易發(fā)生堵塞的不利情況,將原來恒定不變的水壓改變?yōu)榘凑找欢l率和振幅波動的動態(tài)水壓模式,以期增強低壓運行時滴灌灌水器的抗堵塞能力。以基礎水壓、波幅和波動周期為變量參數(shù)來設計工作水壓的波動模式,通過正交方式實施波動參數(shù)與流量特性試驗,分析了3種波動參數(shù)對灌水器流量的影響規(guī)律,結果表明基礎水壓對灌水器流量的影響最大。

低壓灌溉;波動水壓;滴灌灌水器;灌水器水力性能

灌溉方式選擇將對滴灌系統(tǒng)的灌溉效率、應用成本以及系統(tǒng)的水力性能等產生較大影響,所以選擇合適的工作水壓對于滴灌系統(tǒng)來說至關重要,它將直接決定系統(tǒng)的灌溉效果。近年來低壓灌溉由于對滴灌系統(tǒng)電力驅動要求較低而得到廣泛關注,范興科等[1]研究了低壓滴灌條件下提高系統(tǒng)灌水均勻度的途徑;張國祥等[2]對滴灌系統(tǒng)滴頭設計水頭的取值依據(jù)進行了研究;張林等[3]對低壓滴灌灌水均勻度進行試驗研究;馬曉鵬等[4]針對常壓滴灌系統(tǒng)中使用較多的6種國產單翼迷宮和內鑲片式滴灌帶,在低壓條件下進行了滴灌帶鋪設長度、壓力水頭、地形坡度3個因素對滴灌帶灌水均勻系數(shù)影響規(guī)律的試驗研究;王威等[5]應用流體力學的一般原理分析了灌水器微小流道中的流體流態(tài)特征,并且利用N-S方程和灌水器的水頭損失描述灌水器微內流場,建立了微小流道中的流體K-E紊流模型;白丹等[6]對地下滴灌灌水器的壓力和流量關系進行研究,認為壓力和流量是最重要的水力要素之一。

研究者們大多采用Darcy-Weisbach方程和Hazen-Williams經驗方程計算管網內的水頭損失[7],但是在許多情況下,經驗方差由于計算準確性差和計算量大的弊端難以滿足工程需求。所以很多學者對經驗方差進行優(yōu)化和完善,以提高計算效率[8-9]。

Duan等[10]研究了低工作水壓和常壓(0～310 kPa)在污水滴灌試驗條件下壓力補償式灌水器的補償效果。李永光[11]研究了流態(tài)指數(shù)x對灌水器壓力補償?shù)囊?guī)律,認為當x＜0.4時灌水器為壓力補償灌水器,x越接近零則灌水器的補償性能越好。Kang[12]研究了工作水壓對灌溉均勻度的影響,發(fā)現(xiàn)灌水器的均勻度會以x=0.5為分界點:在0＜x＜0.5時,工作水壓增加則灌溉均勻度會出現(xiàn)增加或減少2種情況;當x＞0.5時,工作水壓的增加將使灌溉均勻度減小。Safi等[13]通過試驗研究了多種類型灌水器在不同工作水壓(最低達到49 kPa水壓)和鋪設長度下的出水均勻度;Li等[14]通過有限元模擬的方法研究微壓(9.8～49 kPa)條件下迷宮式灌水器內的流場狀態(tài),發(fā)現(xiàn)在低壓情況下灌水器內流場處于紊流流態(tài)。

低壓灌溉雖然可以在一定程度上節(jié)省電能,但滴灌系統(tǒng)中使用的灌水器因其流道曲折且尺寸微小,在恒定低壓工作條件下容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象,從而影響低壓灌溉系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。在相對較低工作水壓運行基礎上,將原來恒定不變的水壓改變?yōu)榘凑找欢l率和振幅波動的動態(tài)水壓模式,利用灌水器內流場的連續(xù)波動效應,實現(xiàn)水流對固體懸浮物的擾動和沖擊,從而增強低壓運行時灌水器的抗堵塞能力。該種思路不同于已有的脈沖式滴灌方式[15-16]。本文研究的波動水壓動態(tài)模式是通過自動控制技術,實時改變和控制加壓水泵的運行頻率,使工作水壓值按特定波動模式動態(tài)變化,時間頻率可短至秒級,波動幅度可低至9.8 kPa水壓左右,屬于一種微觀層面的供壓方式。采用該種波動水壓后,宏觀上灌水器的出水形式有異于傳統(tǒng)恒壓狀態(tài),微觀上灌水器內流場的流動特征發(fā)生了較大的改變。

國外尚無學者涉及波動水壓對灌水器水力性能的研究,只有Assouline等[15]和Elmaloqlou等[16]人提出了脈沖式滴灌方式。而各學者研究的主要方向是研究具體情況下的灌水器堵塞、低工作水壓滴灌系統(tǒng)和低壓對灌水器水力性能的影響問題。

本文主要針對波動水壓工作模式下滴灌灌水器的流量與壓力特征、灌水均勻度等水力性能的演變及其調控規(guī)律進行深入研究,在微灌綜合水力性能測試平臺上對多種灌水器進行波動水壓測試,目的在于揭示清水條件下波動水壓對灌水器水力性能的影響規(guī)律,為該創(chuàng)新構思在實際滴灌工程中獲得應用奠定理論與技術基礎。不同波動模式對灌水器堵塞性能影響的試驗研究將在后續(xù)的論文中闡述。

1 試驗材料與方法

為了研究波動水壓對典型結構灌水器水力性能的影響,選取4種不同灌水器產品:NetafimST16125滴灌帶、NetafimST16150滴灌帶、熱壓折疊式滴灌帶和HWP繞流滴灌帶。各種灌水器的性能參數(shù)見表1。

不同的波動模式對波動水壓的影響較大,本文選取4種典型模式(圖1):矩形波形、梯形波形、鋸齒波形和正弦波形。每種波動模式的主要影響因素有基礎水壓H、波幅W和波動周期T。

在每種波動模式下,分別選取H、W和T為變量因素,考慮到波動水壓要適合在49 kPa(5 mH2O)低工作水壓下正常運行,將每個變量因素選取如表2所示的3種水平值。依據(jù)L9(33)的正交試驗表(表3)來安排各個因素,并考慮基礎水壓與波幅的交互作用因素。

試驗步驟如下:

a.根據(jù)SL/T 67.1—1994《水利技術標準匯編》灌溉排水卷節(jié)水設備與材料-微灌灌水器 滴頭,本文在壓力-流量試驗中,選取15個試驗樣安裝在微灌綜合水力性能試驗平臺上,在恒壓條件下測量15個試驗樣在9.8～98 kPa(1～10 mH2O)每一個壓力點的出水量,試驗時間不得少于2 min。記錄室溫、水溫、水壓、試驗時間和灌水器出水流量。重復上述試驗,保證每個試驗樣2次測得水量之差不大于2%,取平均值,并計算流量。按照上述方法,分別測試上述4種灌水器產品在各工作水壓下的流量,并記錄試驗相關數(shù)據(jù),計算獲得4種灌水器的壓力-流量特性參數(shù)。

b.在上述壓力-流量試驗測試標準下,按照正交試驗方案(表3)進行壓力-流量測試試驗,記錄試驗相關數(shù)據(jù),計算獲得4種灌水器的壓力-流量特性參數(shù)。

2 試驗結果與分析

按照上述步驟a得到9.8～98kPa(1～10mH2O)恒壓條件下4種灌水器的試驗數(shù)據(jù),并根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)計算獲得4種灌水器的壓力與流量試驗結果。

按照上述步驟b得到4種灌水器在4種不同波動模式下的試驗數(shù)據(jù),并根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)計算獲得4種灌水器在正交試驗條件下的壓力與流量試驗結果。正交表中各因素水平的組合參照表3。

對上述正交試驗數(shù)據(jù)進行直觀分析和方差分析,得到鋸齒波動模式下4種灌水器的波動因素對流量的影響關系(表4)。

由表4可以看出,對于灌水器A,在數(shù)據(jù)分析中的4個因素——H、W、H∧W和T對應的極差和均方差大小順序為H＞T＞W＞(H∧W),該結果表明:對灌水器流量影響最大的是基礎水壓,其次為波動周期,再次為波幅,影響最弱的是基礎水壓與波幅的交互作用。其最優(yōu)方案為H3W2T1。

對于灌水器B,各因素對灌水器流量的極差影響主次順序為:H＞W＞(H∧W)＞T,即基礎水壓的影響最明顯,波動周期影響最小。但是,根據(jù)方差分析可以看出,4個因素的均方差值在一個數(shù)量級,說明這4個因素對灌水器B的流量影響作用比較均衡。這是因為灌水器B為壓力補償式灌水器,鋸齒波波動水壓產生的波動效應在灌水器內部被墊片所吸收。其最優(yōu)方案為H3W2T1。

對于灌水器C,各因素對灌水器流量的極差影響主次順序為:H＞W＞T＞(H∧W),即基礎水壓對灌水器的流量影響最顯著,而基礎水壓與波幅的互交因素影響最小。方差分析表明,W、(H∧W)、T與H的影響程度相差近3個數(shù)量級以上,表明除基礎水壓H以外,其他3個因素可以歸入誤差。其原因為:鋸齒形波動模式下水壓變化幅度大,且灌水器C的流道尺寸較長,波動水壓產生的波動效應在較長的流道內通過撞擊和摩擦被弱化。其最優(yōu)方案為H3W1T1。

對于灌水器D,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞W＞T＞(H∧W),即基礎水壓對灌水器流量的影響最顯著,由方差分析得到(H∧W)與其他3個因素相差近3個數(shù)量級,可以被歸入誤差。其最優(yōu)方案為H3W3T2。

對正交試驗數(shù)據(jù)進行直觀分析和方差分析,得到正弦波動模式下4種灌水器的波動因素對流量的影響關系如表5所示。

由表5可以看出,對于灌水器A,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T對灌水器流量影響最小。其最優(yōu)方案為H3W3T1。

對于灌水器B,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,但是由均方差值看出各因素的影響程度較均衡,即各因素對灌水器流量都有較大的影響作用。其最優(yōu)方案為H3W3T1。

對于灌水器C,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞T＞W,即H對灌水器流量的影響最顯著,而W的影響最小,且由均方差值看出,W、(H∧W)、T均與H相差2個數(shù)量級。其最優(yōu)方案為H3W3T1。

對于灌水器D,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T的影響最小。其最優(yōu)方案為H3W1T2。

對正交試驗數(shù)據(jù)進行直觀分析和方差分析,得到梯形波動模式下4種灌水器的波動因素對流量的影響的關系如表6所示。

由表6可以看出,對于灌水器A,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T的影響最小,其中T與其他3個因素相差2個數(shù)量級,所以可以歸入誤差。其最優(yōu)方案為H3W3T1。

對于灌水器B,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T的影響最小,從均差值看出各因素對灌水器流量的影響較均衡。其最優(yōu)方案為H2W3T1。

對于灌水器C,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞T＞(H∧W)＞W,即H對灌水器流量的影響最顯著,而W的影響最小,這是因為灌水器為三角形流道,流道較長,由波幅產生的波動效應被流道削弱。其最優(yōu)方案為H3W1T2。

對于灌水器D,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,T的影響最小。其最優(yōu)方案為H3W2T1。

對正交試驗數(shù)據(jù)進行直觀分析和方差分析,得到矩形波動模式下4種灌水器的波動因素對流量的影響關系如表7所示。

由表7可以看出,對于灌水器A,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T的影響最小。其最優(yōu)方案為H2W2T1。

對于灌水器B,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T的影響最小。其最優(yōu)方案為H3W2T1。

對于灌水器C,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞T＞W,即H對灌水器流量的影響最顯著,而W的影響最小,且從均方差看出W、H∧W和T與H相差2個數(shù)量級。其最優(yōu)方案為H3W2T1。

對于灌水器D,各因素對灌水器流量的極差影響主次關系為:H＞(H∧W)＞W＞T,即H對灌水器流量的影響最顯著,而T的影響最小,且從均方差看出T與其他3個因素相差2個數(shù)量級,所以可以歸入誤差。其最優(yōu)方案為H3W2T1。

3 結 語

清水條件下的波動因素——基礎水壓H、波幅W和波動周期T對灌水器流量影響的正交試驗結果表明,波動因素影響流量的主次關系為:基礎水壓H＞波幅W＞波動周期T,基礎水壓對灌水器流量影響最大,影響率超過50%。

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Experimental study of effect of fluctuating water pressure factors on hydraulic properties of drip emitters

LIU Jie,WANG Cong,WEI Qingsong,SHI Yusheng
(State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Although a low-pressure irrigation system can save power energy,it is prone to clogging.In this study, the constant water pressure was changed to dynamic pressure fluctuating with a certain frequency and amplitude,in order to increase the drip emitter's anti-clogging capability during the runtime at a low pressure.The dynamic model of operating pressure was designed by taking the base pressure,fluctuation amplitude,and fluctuation cycle as variable parameters.With orthogonal experiments,the fluctuation parameters and flow properties were tested.The effects of three fluctuation parameters on the emitter flow were analyzed.The study results show that the water base pressure has the most significant effect on the emitter flow.

low-pressure irrigation;fluctuating water pressure;drip emitter;hydraulic properties of drip emitter

S277

:A

:1000-1980(2014)04-0361-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.04.015

2013-06 07

國家自然科學基金(51109087)

劉潔(1972—),女,廣西南寧人,副教授,博士,主要從事節(jié)水產品快速制造研究。E-mail:hustliuj@mail.hust.edu.cn