不同特征波纹管内流动特性分析

为探究不同特征波纹管内部流场的分布特性,基于ANSYS CFX软件,采用进口质量流量和自由出流的数值计算条件,通过对k-ε湍流模型的数值模拟,揭示了不同弯度、波节数和大小的波纹管内部流动特性和压力场分布规律,计算了相应工况下的水头损失。结果表明:(1)波纹管的弯度、波节数和大小都对其内部流场和产生的水头损失有较大影响;(2)不同弯度波纹管内部流体域的静压和流速分布趋势整体相同,从进口至出口,管内流体的静压和流速逐渐减小,随着弯度增加,进口端流体的静压逐渐增大,出口端流体的静压逐渐减小,不同弯度波纹管波节边缘流体流速都较小,中间部位流体的流速较大;(3)波纹管弯度为180°时,随着波节数的增加,管内流体域静压的变化趋势整体相同,平均最大流速呈递增趋势;(4)波纹管弯度为180°且波节数为25时,随着波纹管整体逐渐缩小,管内流体静压与流速迅速增大,X-Y截面流体静压与流速变化趋势整体不变;(5)波纹管内流场产生的水头损失与弯度和波节数呈正相关,与大小呈负相关。为波纹管的优化设计和改进以及安装使用提供参考与合理建议。

隔膜式电磁阀内部流场数值模型构建与流动特性分析

基于k-ε(k为湍流动能,ε为湍流耗散率)湍流模型,以进口质量流量、出口静压为数值计算条件,建立了隔膜阀内部流场的数值模拟模型,并对模型的精度进行了试验验证。在此基础上,应用该模型分析了不同进口流量(2.787~33.273 kg/s)条件下阀体内部流动特性及压力场分布规律,并建立了进口流量与阀体水头损失的精确数量关系。结果表明:(1)数值模拟能较好的预测不同流量条件下阀体的水头损失,在进口流量分别为5.546、11.091和16.637 kg/s时,试验与数值模拟相对误差仅为-6.433%、4.619%和7.264%。(2)在进口流量恒定的条件下,从进口至出口,流道内的静压总体沿程呈减小趋势,在阀体内部由于阀坎的阻挡造成流道收缩以及水流撞击隔膜产生折流而出现较大的静压变化梯度。(3)水流在经过阀坎上的窄流道后,在阀体下游形成明显的空化区,伴随着有一定的回流现象,阀体下游的空化区主要出现在距出口1/3流体域处,随着进口流量的增大,阀体下游的涡流更加剧烈,回流现象更为显著,但回流区的范围并未显著增加。(4)在模型精度验证的基础上,应用该模型进一步分析了18种进口流量条件下阀体内部流动特性及压力场分布规律,并建立了进口质量流量Q与阀体水头损失?P的数量关系,当进口质量流量Q从2.787~15.428 kg/s,雷诺数从37927~215984时的拟合方程为?P=2076.31Q-7567.49,R^(2)=0.964;进口质量流量从17.141~33.273 kg/s,雷诺数从240097~467009时的拟合方程为?P=5688.02Q-67317.39,R^(2)=0.993,为灌溉管网水力计算提供了参考依据。

冬小麦生育期地下水补给量表征及水位阈值试验研究

作物生育期地下水补给量精量表征可准确量化灌区农田地下水的利用情况,对促进地下水资源合理使用及区域农业生产可持续发展具有重要的意义。为构建冬小麦生育期地下水补给量估算模型,探究冬小麦各生育期地下水水位临界埋深和适宜阈值,该研究通过群集式蒸渗仪开展不同地下水水位和不同灌溉处理下的冬小麦生长过程试验观测,利用率定和校核后的AquaCrop模型模拟了不同灌溉制度和地下水位埋深情景下的冬小麦生长发育和土壤水分动态变化过程。结果表明:1)不同处理冬小麦土壤含水率、冠层覆盖度、生物量和产量模拟值与实测值之间统计参数可同时达到决定系数不小于0.8、相对误差和标准化均方根误差均小于16%,可见AquaCrop模型能较好模拟冬小麦生长发育过程。2)利用校核后的AquaCrop模型模拟了52种不同灌溉处理和地下水位情景下冬小麦生长过程,构建了冬小麦生育期土壤储水量—地下水补给强度和地下水位埋深—土壤储水量的非线性回归方程;将地下水补给强度计算值与田间实测值对比验证,决定系数均在0.873及以上、相对误差不大于9.22%、均方根误差不大于0.316 mm/d、标准化均方根误差不大于11.89%。3)通过联立冬小麦生育期土壤储水量—地下水补给强度和地下水位埋深—土壤储水量的非线性回归方程,得到不同灌溉处理下冬小麦各生育期地下水水位临界埋深,可知灌溉越少地下水补给需求越强烈,临界埋深越深;分析52种模拟情景下冬小麦产量与地下水水位埋深之间的关系,可知其适宜生长的最优埋深阈值为2.0~2.5 m,此时冬小麦非充分灌溉处理(返青水+灌浆水)产量和水分利用效率均达到最优,分别为8.848 t/hm^(2)和2.18~2.43 kg/m^(3)。研究结果可为准确评估农田地下水贡献量以及精量灌溉决策与管理提供技术支撑。

番茄地下滴灌施药对根系分布的调控效应试验研究

通过日光温室内的盆栽试验,研究了地下滴灌施药(氟乐灵)对番茄根系分布的影响及其对滴灌灌水器周围根系的控制效应。试验共设置了2个施药处理和1个不施药的对照。2个施药处理的施药量相同(均为50ppm的氟乐灵溶液300ml),施药日期取2个水平:处理1在定植后的第3d施药,处理2在定植后的第24d施药。收获后取根样,用WinRHIZ0软件对各处理的整根特征参数和根密度分布进行分析。结果表明:施药处理1的整根特征参数(包括总根长、总表面、总体积、总根干重)与不施药的对照的各相应参数均无显著差别,而施药处理2的各整根特征参数均明显小于不施药对照。同时,2个施药处理滴头附近的根密度均明显小于不施药的对照,说明施药可以对灌水器周围的根系进行一定的调控,缓解灌水器的根系堵塞问题;2个施药处理的果实中均无农药残留,且各处理与对照的地上部分的生物量无显著差异。

冬小麦地下滴灌氟乐灵注入制度对根系生长及作物产量影响的试验研究

通过田间试验，研究了地下滴灌施加氟乐灵对滴头根系入侵堵塞的控制效应及其对冬小麦产量、品质和根系分布的影响。试验选取施药日期和施药浓度2因素。施药日期取返青末期和抽穗初期2个水平，施药浓度取0，50，75mg／l和150mg／l共4个水平。冬小麦收获后，采用土钻法在滴头附近沿垂直方向分层取样，测定各土层的根长密度和氟乐灵含量．并统计各小区的产量。同时，在每个小区内随机抽取25个滴头，观测滴头流道内是否有根系残留，从而判断滴头是否发生根系入侵堵塞。试验结果表明，施药可以有效地削减滴头附近区域的根密度，从而减小根系入侵堵塞的发生。在对照小区内（0mg／l）抽取的25个滴头中有4个出现了根系堵塞现象（堵塞率16％），而在施药的各个处理中均未发现根系堵塞的滴头（堵塞率0）。施药浓度对根系分布及作物的产量、品质均无显著影响。而施药日期对冬小麦根系的垂直分布影响较为显著，晚期施药导致滴头埋设深度处小范围内（15～30cm深度）的根系有所减少，而早期施药则使滴头下方较大区域内（15～40cm深度）的根长密度显著减小。

排水循环灌溉驱动的稻区水循环模型与评价

排水循环灌溉可补充灌溉和减少涝水排放,具有缓解南方稻区旱涝急转和农业面源污染危害的潜力,但仍无有效的模型来模拟排水循环灌溉驱动下的水文过程。为此采用penman-monteith公式和作物系数法并考虑稻田渗漏与降雨有效性条件下应用水量平衡估算水稻灌溉需水量,改进SCS(soil conservation service)模型估算排水量,再以塘堰为对象建立调蓄排水和灌溉需水的水平衡演算模型。在漳河水库灌区应用该模型发现,水稻种植区存在大量的排水可供灌溉利用,而排水循环灌溉利用量受灌排面积比、塘堰容积率和塘堰初始蓄水率的影响;提高灌排面积比和塘堰容积率能明显提高补充灌溉率和排水再利用率,当两者达到一定值时补充灌溉率和排水再利用率便稳定在最高值,补充灌溉率高达20%;补充灌溉率随塘堰初始蓄水率的增加而缓慢增至20%,排水再利用率先随初始蓄水率的增加而稳定不变,随后逐渐降低。排水循环灌溉驱动的水循环模型为合理匹配排水循环灌溉的塘堰或排灌规模提供有效方法。

毛管逆滤渗污水净化反应器原理研究及室内试验验证

污水回用是解决城市缺水问题的一条有效途径。该文提出了一种新方法,尝试利用多孔介质毛细管作用过滤生活污水。制造了4个毛管逆滤渗污水净化器,采用普通河砂作为过滤介质进行了室内试验。试验采用两个因素:水势差、滤池内外径比。水势差选取4个水平:0.11、0.26、0.41、0.56m,外层与内层水池直径比选取3个水平:14/6、12/6、10/6,以研究利用毛细管作用净化污水的可行性,并定量确定水势差及内外层水池的相对大小对该系统运行效果的影响。用反应器去除污水COD的多少来评价过滤效果。结果表明,过滤速度及净化效果与水势差之间呈极显著的对数相关关系,两者都随着水势差的增大而提高。当水势差为0.56m时,COD的去除率可高达80%左右,过滤速度可以高达0.15m/h。外层与内层水池的直径比(D/d)越大滤速越小,但该比值对COD的去除率无明显影响。该装置在运行过程中,污水被过滤介质所覆盖,有效地避免了污水的刺激性气味和蚊蝇孳生对周边环境的影响。

华北地区夏玉米水分生产率多参数全局敏感性分析

量化限制因素的敏感性对协同提升作物水分生产率具有重要意义,为了探讨作物水分生产率在不同土壤、气象以及田间管理措施下参数的敏感性,以华北地区夏玉米为研究对象,采用扩展傅里叶幅度检验法,量化了基于DNDC模型的夏玉米水分生产率对土壤、气象和田间管理(灌溉水量、施肥量)等10个参数的敏感程度,结果表明: DNDC模型能够有效地模拟0~50 cm土壤水分、作物蒸发蒸腾量、作物生长过程以及产量;灌溉水量、土壤初始氨氮浓度、CO-2浓度、第二次施肥量、降雨量以及日最高温度是不同水文年条件下对夏玉米水分生产率敏感程度高的限制因素。当水文年型由丰水年-平水年-枯水年转变时,灌溉水量的敏感性呈高于施肥量的敏感性的变化趋势,因此,考虑限制因素的敏感程度将更有助于提出区域分异下水分生产率多要素协同提升的技术途径。

滴灌模式对农田土壤水氮空间分布及冬小麦产量的影响

大田作物最优滴灌模式的研究是滴灌技术深入推广应用过程中的重要研究内容,通过田间试验,选取地表滴灌和地下滴灌两种滴灌类型,研究其在4种不同灌溉制度下农田水、氮空间分布规律以及冬小麦产量的差异。试验结果表明,在土壤水分控制范围相同时,不同滴灌类型下冬小麦生育期内所需的灌水总量和灌水频率不存在显著差异;在施肥量和灌水定额基本相同时,地下滴灌较地表滴灌促使硝态氮向深层土壤运移的几率更大。但总体而言,不同滴灌类型相同灌溉制度下,硝态氮运移规律基本相似;同种滴灌类型不同滴灌制度下的各处理冬小麦产量存在显著差异。而且,在充分灌时,不同滴灌模式下的冬小麦产量差异性不显著;非充分灌时,滴灌模式对冬小麦产量存在显著影响。

华北地区滴灌灌水频率对春玉米生长和农田土壤水热分布的影响

针对华北地区春玉米田间灌溉和降雨相结合的灌溉模式,以北京为典型试验区,在保证作物最优土壤水分下限和灌溉定额相同的基础上,研究了滴灌灌水频率对土壤水、热分布及春玉米根系分布和产量的影响。试验结果表明:在春玉米抽雄期以前阶段实施的滴灌各处理中,高频滴灌下土壤平均含水率和不同深度处的土壤基质势波动幅度较小,高频滴灌下土壤水分能保持在一个比较稳定的范围;土壤温度受灌水过程、土壤含水率及作物生育阶段的影响较明显,滴灌能显著延迟气温对土壤温度的影响;灌水频率对春玉米根系分布存在一定影响,高频灌溉能显著促进春玉米根系在上层土壤(0～40 cm)中的分布;此外,在这种典型的灌溉和降雨相结合灌溉模式下,不同灌水频率下玉米产量差异不显著。因此,建议华北地区春玉米滴灌模式采用低频滴灌。

地面灌灌水频率对土壤水与温度及春玉米生长的影响

针对华北地区降雨分布规律,以北京为典型试验区,在保证作物最优土壤水分下限和灌溉定额相同的条件下,研究了地面灌(水平格田灌)灌水频率对土壤水、热状况及春玉米根系分布和产量的影响。试验结果表明,在春玉米抽雄期以前实施的地面灌各处理中,高频灌溉下土壤平均含水率波动幅度较小,土壤水分能保持在一个比较稳定的范围;灌溉显著延迟气温对地温的影响,具有显著地平抑地温作用,地温受灌水过程、土壤含水率及作物冠层面积的影响较明显。灌水频率对春玉米根长密度在行间和行上的分布存在一定影响,高频灌溉能显著促进春玉米根系在上层土壤中的分布。此外,在人工灌溉和降雨相结合灌溉模式下,地面灌不同灌水频率下春玉米产量差异不显著,北京地区的春玉米地面灌水方法宜采用低频灌。

西瓜和蜜瓜咸水滴灌的作物系数和耗水规律

在采用测渗仪测得内蒙古河套地区进行的西瓜、蜜瓜咸水滴灌田间试验的数据,利用水量平衡原理,计算出在不同灌水量条件下的耗水规律,得出作物在适宜生长条件下的耗水量,即作物需水量。根据美国A级蒸发皿和中式皿的自由水面蒸发量的关系以及美国A级皿的蒸发量和参照作物需水量之间的关系,推算出了作物各生育期的参照作物需水量ETr,计算出作物各生育期的作物系数KC和以中式蒸发皿为基础的作物需水系数。所得参数可为类似地区的西瓜和蜜瓜滴灌系统灌溉制度的设计提供参考。

递推关系概化前期产流条件改进SCS模型

降雨径流的精准模拟和预测是开展水资源管理和水土环境质量评价的重要依据之一,但现有SCS模型不能有效表征前期降雨蓄存和消耗对产流的影响,进而限制了其径流预测精度。该文基于潜在初损和有效降雨影响系数形成日有效影响雨量的递推关系,将前期产流条件概化成前期日降雨量对降雨初损的影响函数,从而构建了改进SCS模型。其中潜在初损量明确了产流前流域的最大降雨蓄存潜力和日降雨量的有效影响阈值,而前期有效降雨影响系数则表示了在蒸发蒸腾或渗漏过程作用下前期有效日降雨量的动态消耗。在小区、田间、流域3种排水面积下的模型应用结果表明,改进SCS模型能更准确地预报产流的变化,验证期的确定系数R2和纳什系数NSE比SCS原模型分别提高了27.0%~30.9%和1.0%~78.3%。前期有效降雨影响系数的稳定性较好,两模型的曲线数的拟合值比较一致。该改进SCS模型为更准确预测蒸发蒸腾或渗漏较为剧烈地区的径流提供参考。

灌水模式对冬小麦根系空间分布及多年产量的影响

以田间连续多年试验为手段，探讨了精细地面灌（水平格田灌）、地表滴灌和地下滴灌3种灌水模式分别在4种灌溉制度下对冬小麦根系空间分布以及多年产量的影响，试验结果表明，在灌水下限和灌溉定额相同时，灌水方式对冬小麦根系在行上和行间的空间分布规律存在显著影响，精细地面灌和地表滴灌显著促进根系在0—50cm土壤中的分布，而地下滴灌条件下作物根系在0～100cm土壤中分布的相对均匀一些；冬小麦的产量与灌溉定额呈现一定正相关性，灌溉制度对冬小麦产量存在显著影响，滴灌模式下作物产量多年连续稳定的几率大于精细地面灌。此外，非充分灌条件下，滴灌模式较精细地面灌提高作物产量的优势明显。

滴灌灌水频率对土壤水热分布和夏玉米产量的影响

通过大田试验研究了北京地区夏玉米滴灌灌水频率对田间土壤水、热分布及夏玉米生长的影响。结果表明,整个生育期内,高频滴灌下土壤水分变化波动较小,土壤水分保持在一个比较稳定的范围;土壤温度受土壤含水率、气温及作物生育阶段的影响较为明显,表层土壤温度(10 cm以上)的变化受气温的影响比较显著,50 cm土层深度及以下的土壤温度基本趋于稳定,但会随气温上升而缓慢升高;高频滴灌下作物产量最高,但其水分利用效率较低。研究表明:华北地区夏玉米宜采用中频滴灌模式。

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一,基于土壤水、热运动基本方程,结合地表滴灌水分运动特点,建立了地表滴灌水、热运移数学模型,利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解,并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。结果表明,所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果;当土壤、气象以及灌水资料等可知时,利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律,模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外,数值模拟值和实测结果都显示,地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。

低压条件下滴灌带灌水均匀系数试验研究

对常压滴灌系统中使用较多的6种国产单翼迷宫和内镶片式滴灌带,在低压条件下进行了滴灌带铺设长度、压力水头、地形坡度3个因素对滴灌带灌水均匀系数影响规律的试验研究,试验结果表明,0坡低压条件下,在试验的滴灌带铺设长度范围内（60～120 m）,滴灌带长度较短时,影响滴灌带均匀系数的主要因素为制造偏差,随着滴灌带长度的增加,滴灌带流量大小成为影响滴灌带灌水均匀系数的主要因素,而制造偏差变为次要因素;随着滴灌带进口压力的增大,各规格滴灌带均匀系数也有所增加,当滴灌带铺设长度较大时,滴灌带的规格类型对滴灌带的灌水均匀系数存在显著影响;试验结果还表明,当滴灌带铺设坡度从逆坡-1%到顺坡1%变化时,灌水均匀系数呈逐渐增加的趋势,低压条件下逆坡对滴灌带灌水均匀系数影响尤为显著。

地下滴灌条件下水热运移数学模型与验证

基于土壤水、热运动基本方程,结合地下滴灌水分运动特点,建立了地下滴灌水热运移数学模型。利用HYDRUS-2D软件对模型进行了求解,并用田间实测数据进行验证。模拟和验证结果表明,模型对地下滴灌条件下的土壤水分和土壤温度运移变化动态的模拟效果较好,该水热运移数学模型可以用来监测和调控作物生长所需的土壤水、热环境条件。模拟值和实测值的结果对比表明,上层土壤的水分和温度的模拟值较下层土壤值差异较明显,且数值波动大,主要原因是上层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。

额定压力及低压下内镶片式滴头抗堵塞性能试验

依据ISO短周期滴头堵塞测试方法,测试了12种内镶片式齿型迷宫滴头在额定压力和低压情况下的抗堵塞性能。结果表明:滴头抗堵塞性能随着流道断面最小尺寸增加而提高,当滴头流道断面最小尺寸大于等于0.6 mm时滴头将获得较好的抗堵塞性能,但在0.04 MPa时滴头流道设计形式对滴头抗堵塞性能有更为明显的影响。在过滤器滤网孔径大小选择方面,压力为0.10 MPa时,可选用流道断面最小尺寸的1/5作为有效孔径,而压力为0.04 MPa时,则应按流道最小断面尺寸的1/7来选择。研究还表明,滴灌系统在低压运行时,可通过间歇灌溉的方式来预防和减少滴头的堵塞。

地下滴灌不同土壤水分下限对番茄生长发育及产量的影响

通过大田试验,研究了地下滴灌条件下不同土壤水分控制下限对番茄生长发育以及产量、根系的影响。结果表明：只在番茄的生育阶段末期采用45%～50%田持的水分下限处理不仅能获得了最高的产量,而且水分生产率也最高,滴头附近的根密度最小,有利于减少滴头根系入侵堵塞的几率；在番茄的后3个生育阶段都控制土壤水分为45%～50%田持时,番茄产量最低,滴头附近的根密度最大；全生育期土壤水分都控制在70%～75%田持时,得到的番茄株高最高,但水分生产率最低。