Structural Design of a Bionic Anti-Clogging Drip Irrigation Emitter Based on Shark Dorsal Fin

Due to the poor anti-clogging performance of the common drip irrigation emitters, this paper designed a new bionic flow channel in the emitter based on the shape of shark dorsal fin. After preliminary structural design, the computational fluid dynamics (CFD) simulation showed that the bionic emitter exhibited superior anti-clogging performance and reasonable hydraulic performance. The passage rate of particles of the bionic emitter in simulation reached 96.3% which was 37.6% higher than 70% of traditional emitter, and the discharge exponent reached 0.4995 which was close to traditional emitter. Physical experiments were consistent with the CFD results, which confirmed the correctness of simulation. After a short cycle anti-clogging performance experiment, the bionic emitter still maintained 96.09% of the initial flow rate.

河套灌区暗管外包滤料的透水效果及防淤堵性能研究

为探究不同外包滤料条件下的暗管透水效果、保土和防淤堵性能,设置5种暗管外包滤料方案,分别为砂滤料(A)、68 g/m^(2)土工布(B)、90 g/m^(2)土工布(C)、68 g/m^(2)土工布+砂滤料(D),以及无外包滤料(E)方案作为对照,通过室内渗透试验,田间春灌和秋浇排水过程的监测调查,综合分析不同外包滤料对暗管透水效果、保土和防淤堵性能的影响。结果表明:方案A、B和D的排水流量衰减率平均稳定在5.60%,方案C的衰减率仅次于方案E(15.094%),为11.15%。不同外包滤料达到稳定状态时的渗透系数在7.46×10^(-4)~9.46×10^(-4)cm/s之间,且GR≤3;各方案秋浇的土壤流失量较春灌时平均减少42%,方案D的土壤流失量衰减率仅为35%,低于其他方案(P<0.05),同时方案A~D的流失土壤d90分别为14.8、18.50、9.0和15.50μm与方案E(d90=23.33μm)相较,保土性能显著;B、C和D方案内的淤土量分别为12.54、17.64和7.00 g,方案D的淤土量显著低于其他单一铺设土工布的方案,可见方案D的防淤堵效果最优。综上,针对河套灌区下游土壤性质,推荐优先选择方案D(68 g/m^(2)土工布+砂滤料)作为灌区暗管外包滤料,该研究结果可为河套灌区下游选择适宜暗管外包滤料提供参考。

基于沙粒运动特性的分流对冲式滴头抗堵优化

针对灌溉水源泥沙含量高导致灌水器易堵塞的难题,对分流对冲式滴灌灌水器开展抗堵塞优化研究.通过短周期浑水试验确定出易造成灌水器堵塞的沙粒敏感粒径区间,应用CFD模拟分析流道的流场分布和敏感粒径区间沙粒的运移特性,最后根据数值模拟结果划分出流道边壁中的敏感区域并据此开展结构优化.结果表明:沙粒粒径越大,跟随性越差,造成灌水器堵塞的进程越快,0.10 mm以上的沙粒极易造成灌水器的堵塞.流道边壁上存在敏感区域,沙粒与敏感区域发生碰撞后其运动方向会发生改变并进入旋涡区聚集,导致流道被堵塞的风险显著增加.针对流道边壁敏感区域开展结构优化可显著改善沙粒的运移特性,使沙粒能够顺畅通过灌水器内部的流道单元,优化后灌水器的水力性能降低1.5%,但其抗堵塞性能大幅提高30.0%~60.0%.基于沙粒运动特性提出的结构优化方案可为灌水器流道的抗堵优化设计提供参考.

微灌滴头内流Micro-PIV测量及流道结构优化研究

以600 m方形断面锯齿形微灌滴头为研究对象,利用Micro-PIV技术测量了滴头流道内流流场。实验平台通过显微装置、滤光技术以及采用高像素、高灰阶CCD相机进行升级,得到了详细的微通道内流流场分布信息,针对流场中存在的低速回流区进行了局部放大测量,从测量得到的速度矢量图和流线图中发现,齿尖部位存在大小不等、方向相反的2个叠加涡,下部的大涡相对稳定,上部的小涡流速更低。在此基础上,尝试采用多孔介质模拟壁面粗糙元,配合realizablek-ε模型对锯齿形滴头内流进行数值模拟,依据实验结果验证了该数值方法适用于复杂结构微通道内流流场计算,并且数值分析了锯齿形滴头的水力性能和防堵性能,进一步提出流道结构的抗堵性优化设计并进行数值计算,数值结果证实优化流道结构在抗堵和水力性能方面均得以提高。

憎水剂对透水混凝土抗堵塞性能及透水性能的影响研究

为探究憎水剂SHP60对透水混凝土抗堵塞性能的影响及作用机理,采用水滴润湿边角试验观测SHP60对材料憎水性影响;通过SEM观察冲水前后试件的孔隙及颗粒形状变化;研究了SHP60掺量对透水混凝土初始孔隙率及使用过程中抗堵塞性能的影响,优选最佳SHP60掺量。结果表明:SHP60使材料水滴润湿边角增大2倍左右,使材料具有憎水性;SHP60对透水混凝土抗堵塞性能由对初始透水能力的削弱和对使用过程中透水能力的增强耦合。优先考虑透水性能的提高,其次考虑抗压强度条件下,SHP60最佳掺量为透水混凝土配合比干料质量的0.35%。

分流漩涡型灌水器结构设计及其优化

分流漩涡型灌水器是一种先分流再产生漩涡从而达到消能目的的灌水器。为研究灌水器流道结构参数对水力特性和抗堵塞性能的影响,选取分水体与流道边壁的距离、分水体与阻水体头部的距离、阻水体齿倾斜角度和阻水体齿到流道边壁的距离4个特征参数研究其水力性能,选取粒径为0.125 mm、密度为2500 kg/m3的泥沙颗粒研究其抗堵塞性能。结果表明,灌水器流态指数为0.4812~0.5068,分水体与流道边壁的距离对流态指数影响最大;灌水器流量系数为2.2093~3.2906,分水体与流道边壁的距离和阻水体齿端到流道边壁的距离均对流量系数有影响。研究发现主漩涡区是易堵塞区域,在多数情况下流态指数与颗粒滞留时间呈负相关规律。最后对该结构进行了优化设计,以提高其水力性能和抗堵塞性能,可为分流漩涡型灌水器水力性能评估和结构优化提供技术支撑。

肥料种类与浓度对灌水器堵塞特征的影响及防堵策略

为降低堵塞风险,延长灌溉系统使用寿命,提高灌溉施肥均匀度,研究通过3种滴灌带(管)水肥一体化长周期堵塞试验,测试尿素、硫酸钾、氯化钾、磷酸一铵、磷酸二铵在不同浓度(0、0.4、0.8、1.0、1.2 g/L)滴灌时各灌水器堵塞性能,结合场发射扫描电镜、EDS表面能谱分析和X射线衍射仪等物质分析方法,探究肥料种类及浓度对灌水器堵塞及堵塞物质累积的影响,并揭示水肥一体化滴灌灌水器化学堵塞形成过程。结果显示:不同肥料种类、浓度对迷宫灌水器造成的影响不同。随着浓度增加,尿素灌溉下侧翼迷宫滴灌带相对流量下降速率加快,存在堵塞风险;磷酸二铵灌溉下,发生明显堵塞;片状滴灌带相对平均流量和灌溉均匀系数随灌水次数增加而降低,且降幅随肥液浓度增大而增大。堵塞物干质量都随着灌水次数的增加而增加,与灌水器的相对流量和灌溉均匀系数随着灌水次数的增加而降低的趋势吻合。随着肥液浓度的升高,水流剪切力对堵塞物质影响越小。因此,磷酸二铵的施肥浓度以不超过1.2 g/L为宜。研究可为控制滴灌系统化学堵塞、延长灌水器使用寿命提供依据。

新型自密实透水混凝土抗堵塞性能及堵塞模型

为研究直通孔孔径、积水深度和水平径流速度对新型自密实透水混凝土(NSPC)抗堵塞性能的影响规律,测试了堵塞和高压水枪冲洗后NSPC的透水系数,并基于堵塞物被直通孔道捕获的概率建立了NSPC堵塞模型。结果表明,NSPC堵塞循环后的透水系数随直通孔孔径增加而增大,当直通孔孔径与堵塞物粒径之比大于5时,堵塞物形成的颗粒流仍会造成NSPC堵塞。积水深度的升高会降低NSPC堵塞后的透水系数,水平径流速度对NSPC的透水系数影响较小,但会延迟透水系数降低的时间。高压水枪清洗后NSPC的透水系数恢复率最高可达到85%。建立的NSPC堵塞模型能够预测直通孔道内堵塞物质量和透水系数衰减率的变化规律。

不同内齿结构的迷宫流道特性分析和结构优化

通过分析对比在不同条件下、不同内齿结构的灌水器迷宫流道内流场的流动特性和堵塞成因,得出具有更优抗堵塞性能的流道结构,结合FLUENT数值模拟,分析在3种不同内齿结构(矩形、三角形、弧形)以及不同内齿组合形式(单内齿、双内齿、组合内齿)迷宫流道中的流速特性和湍动能特性,同时研究在3种不同的压力条件下(0.06、0.11、0.15 MPa)以及3种不同粒径颗粒(0.05、0.085、0.130 mm)的运移状况等。分析结果表明:相较于其余8种流道结构,在抗堵塞性上组合型三角形内齿结构为最优流道结构。对比改进前的组合型三角形内齿流道,优化改进后,流道流速和湍动能均明显提升,不仅增大了流体在流道中保持和运行湍流状态的能力,而且提高了低速区的流速和湍动能在流道的范围和数值大小,更加便于颗粒运移,抗堵塞性能更好。结果表明:流道内各划分区域的流速、湍动能和颗粒运移速率都受流道的结构参数影响;加入内齿面积的大小影响内齿流道的抗堵塞性能,对比分析仿真模拟的各项数据得出最优流道内齿组合方式为组合型,最优内齿结构为三角形内齿。

滴灌灌水器研究进展综述

滴灌是高效节水且应用较广的灌溉技术之一,灌水器是滴灌设备的核心部件,灌水器的综合性能是影响整个滴灌系统效果的关键。因此,如何发挥灌水器更优良的抗堵塞性能和水力性能,一直是研究灌水器综合性能的重中之重。本文首先对当前灌水器的主要分类进行总结,其次指出灌水器当前的重要研究方向是水力特性和抗堵塞性能,最后总结了灌水器发展中存在的问题并提出建议。

透水沥青混合料抗堵塞性能及功能恢复研究

为获得透水沥青混合料在服役期间的性能衰变规律,对其在颗粒堵塞及水-荷耦合作用下的堵塞性能及透水功能恢复性能进行了研究。首先,制备了PA-13型透水沥青混合料试件,对其路用性能进行了测试。然后,自行设计了抗堵塞性能试验方案,通过全级配砂分批次堵塞和分次浸水轮碾试验,研究了在颗粒堵塞及水-荷耦合作用下透水沥青混合料的抗堵塞性能,模拟了透水混凝土路面通车运行后的服役情况。最后,采用细砂、粗砂和全级配砂作为堵塞材料,分析了不同级配堵塞物对透水沥青混合料的堵塞效果,并利用高压水冲清洁方式对试件的透水性能进行恢复,研究了冲刷水压对透水沥青混合料功能恢复的影响。结果表明:1^(#)级配的抗堵塞性能优于3^(#)级配,每15 g堵塞材料将造成9.6%~23.2%的透水损失,试件第2次堵塞造成的透水损失较为严重,第1次轮碾后试件的渗透系数有所增大,车轮的初次“泵吸”作用有助于透水性能局部恢复;不同堵塞物堵塞效果优劣排序为细砂>全级配砂>粗砂,0.15~0.3 mm和0.3~0.6 mm粒径范围内的颗粒是造成透水沥青混合料堵塞的关键粒径;采用高压水冲养护方式对透水沥青混合料的透水功能恢复较好,恢复效果能达到初始状态的80%~90%,其中15 MPa水压为高压水冲养护方式的最佳水压。

迷宫流道转角对灌水器抗堵塞性能的影响

以转角分别为45.0°、60.0°、67.5°和75.0°的齿形流道灌水器为研究对象,应用CFD流场速度数值分析、PIV颗粒运动轨迹线和速度观测对比以及浑水抗堵塞测试相结合的方法,研究了转角对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响。结果表明转角与流量系数及流态指数均呈负相关关系,而灌水器的抗堵塞能力随着转角的增加呈下降趋势。综合分析转角对水力性能和抗堵塞性能的影响,提出迷宫流道结构灌水器的合理转角为60.0°。

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。

迷宫流道偏差量对灌水器水力性能及抗堵塞性能的影响

以齿尖偏差量分别为-0.25、0、0.25和0.50 mm的齿形流道结构形式的灌水器为研究对象,应用CFD单相流流场速度数值分析、CFD两相流沙粒浓度分布数值分析、试验样品清水和浑水测试相结合的方法,研究了偏差量对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响。结果表明:偏差量与流态指数呈正相关关系,与流量系数呈负相关关系,而随着偏差量的增加灌水器的抗堵塞能力也在下降,综合分析偏差量对水力性能和抗堵塞性能的影响,认为在满足流态指数的要求下应尽量减小偏差量以提高抗堵塞能力。

不同结构滴灌双向流道灌水器抗堵性能对比试验

该文开展滴灌双向流道抗堵性能研究,以提高灌水器对含沙率较高的地表水源的适应性。试验浑水含沙率为30 g/L,经20次浑水试验,设置3种结构参数不同的双向流道灌水器(1#,2#,3#),并对比迷宫式流道灌水器的水力性能和抗堵性能。结果表明:1#、2#、3#双向流道浑水流量分别为清水流量的77.44%,83.35%,85.43%,而迷宫式流道在12次试验后完全堵塞。双向流道灌水器与迷宫式流道灌水器的水力性能及抗堵性能差异显著,且双向流道的水力性能及抗堵性能均优于迷宫式流道;双向流道水力性能越好,抗堵性能越差;流道形式及结构参数是影响灌水器水力性能及抗堵性能的重要因素。试验结束后,观测流道泥沙沉积情况,发现泥沙沉积程度由前段(进口)到后段(出口)逐渐减少;采用电子显微镜分别获取流道前段、中段和后段沉积泥沙样品扫描图像,利用Image Pro Plus 6.0软件分析沉积泥沙样品的粒径组成,发现沿流道方向,粒径(29)0.03 mm的泥沙颗粒质量分数逐渐减小,粒径(27)0.005 mm的泥沙颗粒质量分数呈先减小后增加的趋势;流道沉积泥沙中粒径(27)0.03 mm的颗粒质量分数占92.23%~97.89%,此粒径范围的泥沙颗粒更易在双向流道内沉积,引起堵塞。

迷宫流道齿转角与齿间距对滴头性能的影响

以齿形迷宫流道为研究对象,齿转角和齿间距分别设置4个水平,采用两因素四水平全面试验方法设计,根据流体动力学两相流理论,利用Fluent 6.3软件对设计滴头进行了液固两相流数值模拟,分析了齿转角和齿间距对滴头水力性能和抗堵塞性能的影响.结果表明:齿转角、齿间距与流量系数均呈正相关关系,流量系数随齿转角和齿间距的增大而增大;齿转角对流态指数的影响较为复杂,以120°为转捩角呈2种变化趋势,当齿转角大于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先减小后增大的趋势;当小于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先增大后减小的趋势.提出以颗粒浓度的某个范围分析灌水器的抗堵塞性能的方法,流道内悬浮颗粒最高浓度的高低与高浓度区域所占比例并不完全一致,但最高浓度越高,则颗粒聚集的机会越大,发生局部沉淀的可能性就越大,高浓度区域所占面积也相对较大,滴头越易发生堵塞.

涌泉根灌灌水器抗堵性能试验研究

为了研究大流道涌泉根灌灌水器的水力性能及抗堵性能,在微灌产品测试平台上对其进行了水力性能和短周期抗堵测试,并与常规迷宫流道灌水器进行比较。结果表明,涌泉根灌灌水器流态指数为0.517,制造偏差为3.5%,属优等产品;在含沙水条件下,其出水均匀性高于95%;经强制加沙试验验证,涌泉根灌灌水器与常规迷宫流道灌水器相比,具有较强的抗堵塞能力,并且该灌水器流量大,适合旱地经济林灌溉。

基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果表明,迷宫式流道灌水器流态指数浑水条件下相比清水增大74.85%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%,41.26%,46.25%,流道中泥沙的沉积使其水力性能变差;双向流道灌水器浑水流态指数均小于迷宫式流道灌水器;随着浑水试验次数的增加,4种灌水器浑水流态指数总体趋势是逐渐增大,成因是流道中泥沙沉积的累积效应,反映了浑水条件下水力性能的动态变化过程;相同压力变化,浑水条件下迷宫式流道灌水器流量变化率比清水时增大40.43%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大17.23%,19.43%,22.33%,迷宫式流道灌水器增大程度大于双向流道灌水器,导致其水力性能相对双向流道灌水器下降较大;4种灌水器水力性能与抗堵性能差异均显著,且双向流道灌水器的水力性能与抗堵性能均优于迷宫式流道灌水器,说明灌水器流道结构形式及结构参数是影响灌水器整体性能的重要因素。

齿形迷宫流道不同结构参数下灌水器抗堵塞性能研究

以齿形迷宫流道灌水器为研究对象,通过计算流体力学(CFD)数值模拟、PIV观测和样品测试相结合的方法,研究了齿形结构的不同齿底距、齿高下颗粒运动轨迹与流道内部速度场分布的关系,并初步探索了流道结构参数与灌水器抗堵塞性能的关系。结果表明:当流道内固体粒子运动速度小于0.5 m/s时,易在齿底处旋转,而大于此速度时,则易进入主流区被水流带出流道;齿形迷宫流道齿底距与抗堵塞性能呈正相关,齿高与抗堵塞性呈负相关;流道设计时,单纯增大齿底距或者减小齿高,可以有效降低粒子在流道中发生旋转的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。

压力补偿式灌水器制造偏差系数和抗堵性能研究

制造偏差系数和抗堵塞性能是评价压力补偿式灌水器的重要指标。对5种压力补偿式灌水器的制造偏差和抗堵性能进行了试验测定。结果表明:在一定压力区间上,所测试的压力补偿式灌水器的制造偏差系数随着压力的增大呈U型分布,压力补偿垫片的制造偏差系数是造成这一现象的主要原因;5种灌水器在抗堵塞试验中均出现了堵塞现象;解剖堵塞的灌水器观察后发现,堵塞位置多为补偿区最小流量控制口处,可以通过较低压力冲洗缓解堵塞问题。