壓力補償灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能實驗文獻綜述

眾所周知，地球上的陸地面積占29%，海洋面積占71%。雖然陸地上環(huán)環(huán)包圍著的是海洋，但是地球上能夠供人類所使用的淡水面積水資源的2.8%，全球60多億的人口。倘若是無節(jié)制的消耗著淡水資源，相信淡水資源很快就會枯竭。在全球許多地方，淡水資源是一種極其缺乏的資源。因此，在一些缺乏水資源的國家以及地區(qū)，淡水資源的利用率就成為了首要的問題。在遼闊疆域的中國，雖然大部分的地區(qū)的淡水資源目前依然是充足的，可是也有著一些缺乏水資源的地區(qū)，例如在中國的新疆地區(qū)，這些地區(qū)的農(nóng)作物生長，卻是需要大量的水資源，如何利用淡水資源，能夠造福更多的人，成為了我們最關(guān)心的問題。隨著時代在發(fā)展，灌水器的出現(xiàn)也隨之帶來了福音，灌水器的利用成為了這些地方最迫切關(guān)心的話題，因而，如何提高灌水器的利用率亦成為了學者研究的問題。在我國, 截止到2005 年底, 全國滴灌面積已達2133. 8 萬hm2 , 但其應(yīng)用面積僅占我國總灌溉面積的1%, 其主要原因之一就是滴灌工程單位造價過高。通過降低常規(guī)滴灌系統(tǒng)的運行壓力來降低滴灌工程單位造價已漸成為目前滴灌技術(shù)一個新的熱點研究方向。在低壓滴灌研究方面, 王偉等提出了一種低水頭滴灌系統(tǒng), 對該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備-首部控制塔、管材和灌水器進行了選型和研制 。牛文全等通過分析微灌技術(shù)的特點和應(yīng)用現(xiàn)狀, 定義了低壓滴灌系統(tǒng)的概念和原理, 討論了該系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容和現(xiàn)狀 。仵峰等在低壓條件下對內(nèi)鑲式、微管和補償式3 種灌水器自由出流進行了試驗研究 。但就國內(nèi)目前的狀況分析來看, 低壓滴灌系統(tǒng)的一些關(guān)鍵設(shè)備基本沿用原有常壓滴灌系統(tǒng)( 10 m 工作水頭) 的相關(guān)設(shè)備, 如滴灌帶( 管) 等。然而, 鮮有學者對國內(nèi)市場中常用的滴灌帶( 管) 在低壓下的水力性能及變化規(guī)律開展過系統(tǒng)研究。低壓滴灌是一種高效節(jié)水節(jié)能的先進節(jié)水灌溉技術(shù), 已被廣泛應(yīng)用于果園、小型溫室、地下灌溉和庭院經(jīng)濟等 。灌水均勻度是低壓滴灌設(shè)計的一個重要參數(shù)之一, 它直接影響到低壓滴灌系統(tǒng)的灌水器工作水頭、灌水質(zhì)量和工程造價 。已有的關(guān)于灌水均勻度的研究多見于工作水頭, 灌水器類型、間距、管道鋪設(shè)長度、坡度等對其影響 , 對毛管內(nèi)水流流態(tài)研究很少。本文從水力學基本原理出發(fā), 對水平鋪設(shè)的低壓滴灌毛管在不同流態(tài)條件下灌水均勻度與灌水器工作水頭的關(guān)系,從理論和試驗兩個方面進行了研究, 旨在進一步完善低壓滴灌理論, 為低壓滴灌設(shè)計提供理論依據(jù)。灌水器是滴灌系統(tǒng)的最重要的組成部件之一，其水力特性對系統(tǒng)灌水的均勻性、造價和系統(tǒng)壽命影響很大。目前，世界滴灌灌水器研究的發(fā)展趨勢主要有兩個方面，一是發(fā)展大流道灌水器，增強灌水器的抗堵塞性能；二是開發(fā)各種壓力補償式灌水器，提高系統(tǒng)的灌水均勻性。壓力補償灌水器技術(shù)含量高，開發(fā)難度大，已成為各國滴灌設(shè)備生產(chǎn)廠商技術(shù)高低的主要標志之一。壓力補償灌水器的發(fā)明已成為世界滴灌設(shè)備廠商的強手貨，無能力開發(fā)壓力補償灌水器的廠商也在購買發(fā)明使用權(quán)或直接購買壓力補償灌水器成品用以生產(chǎn)自己的滴灌產(chǎn)品。我國滴灌壓力補償灌水器的研究相對滯后，僅有兩種管上式壓力補償灌水器，并且其技術(shù)也比較落后，產(chǎn)品性能（穩(wěn)定性和壓力補償區(qū)域）也比較差。研究世界壓力補償灌水器的發(fā)展將有助于提高我國滴灌灌水器的生產(chǎn)水平，促進我國滴灌技術(shù)的健康發(fā)展。滴灌提供精確滴水灌溉，具有節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)約勞動力，降低病蟲草危害，不影響田間耕作等優(yōu)勢。灌水器是滴灌系統(tǒng)的核心部件，安裝在毛管上用來消散壓力和配水，其價格的高低和性能的優(yōu)劣對于整個滴灌系統(tǒng)的推廣應(yīng)用和使用效果起著決定性的作用。滴灌系統(tǒng)由首部控制、主干管和分干管、支管、毛管、灌水器、水流控制裝置及流量-壓力調(diào)節(jié)器組成。滴灌一體式灌水器，就是在制造過程中已在其上加工有孔眼或其他出流裝置的整體管、帶孔口或出流裝置的流量在滴灌定義范圍內(nèi)。管壁較厚卷盤后仍呈管狀的稱作滴灌管；管壁較薄盤卷后壓扁呈帶狀的稱作滴灌帶。目前應(yīng)用較為廣泛的滴灌一體式灌水器產(chǎn)品，根據(jù)流道特征、灌水器形成和進出水口特點，滴灌一體式灌水器分為單翼迷宮式滴灌帶、方形內(nèi)鑲貼片滴灌管、具有過濾式進水口群和縫隙式出水口的薄壁滴灌帶3 種，其特點、技術(shù)參數(shù)、適用條件和應(yīng)用中遇到的問題如下。壓力補償式灌水器的開發(fā)難度大, 技術(shù)含量高, 是衡量世界滴灌設(shè)備生產(chǎn)廠商技術(shù)水平高低的主要標志之一。該灌水器一般都在灌水器結(jié)構(gòu)中加入一種橡膠材料的補償貼片, 在壓力大時補償原理都是利用補償貼片(一般都為橡膠材料),由于這種結(jié)構(gòu), 使得現(xiàn)有的壓力補償式灌水器價格普遍大大高于非壓力補償式灌水器。馬富才等對國產(chǎn)膜片式壓力補償灌水器水力性能進行試驗研究, 計算得出壓力補償式灌水器的等效長度和制造偏差, 認為壓力補償式灌水器具有減緩堵塞, 簡化計算, 適用性強等優(yōu)點。翟國亮等在壓力補償式灌水器水力性能試驗基礎(chǔ)上, 提出了灌水器補償區(qū)間的計算方法, 并對其制造偏差進行了分析。何靜等對現(xiàn)有的壓力補償式灌水器結(jié)構(gòu)進行了分析, 發(fā)現(xiàn)大多數(shù)灌水器都是由多個零件組成, 且都是由于彈性膜片的變形來實現(xiàn)壓力補償功能 ; 姚彬等通過對內(nèi)鑲補償貼片式滴頭的水力性能進行研究, 分析了該種灌水器的補償機理, 并認為補償膜片的硬度、厚度以及與流道的接觸面積決定了該種灌水器的水力性能。可以看出, 壓力補償式灌水器水力性能優(yōu)秀, 受壓力影響較小, 但是其結(jié)構(gòu)相對復雜, 且大都采用彈性膜片實現(xiàn)壓力補償, 采用傳統(tǒng)開發(fā)手段難以進行新產(chǎn)品的研制。魏正英則基于快速成形技術(shù)提出了一體式壓力補償灌水器快速設(shè)計新方法, 為壓力補償式灌水器的開發(fā)提供了新手段。近年來, 越來越多的學者采用快速成形技術(shù)來實現(xiàn)灌水器的水力性能研究, 并輔助新型結(jié)構(gòu)灌水器的開發(fā)快速成形技術(shù)可以快速制造新型灌水器開發(fā)過程中所需的灌水器試驗樣件, 可以大幅度縮短新型灌水器的研發(fā)周期和降低開發(fā)成本。圖1 為典型壓力補償灌水器的補償原理示意圖。在灌水器內(nèi)部添加彈性膜片, 當工作水壓小到一定程度時, 彈性膜片不發(fā)生變化, 流道尺寸較大; 當工作水壓增加時, 彈性膜片發(fā)生變形并壓向流道使尺寸變小, 從而起到在壓力變化的情況下保持灌水器的流量不變。但是, 由于需要另外設(shè)計與制造補償膜片, 大幅度的增加了開發(fā)難度和制造成本。新型一體式變流道壓力補償形, 使得流道的過流截面積逐漸減小,結(jié)構(gòu), 不需另外添加補償膜片就可以獲得補償效此狀態(tài)為補償狀態(tài), 該彈性擋片的設(shè)計使得該種果, 其設(shè)計方法如圖2 所示。現(xiàn)有灌水器流道多流道具有了壓力調(diào)節(jié)的作用。這種新型變流道壓為齒狀迷宮流道, 在齒尖部分直接添加彈性擋片力補償結(jié)構(gòu), 將具有補償作用的彈性擋片與灌水用于實現(xiàn)壓力補償功能。當工作水壓小于一定程器的一體式設(shè)計, 不需要另外添加補償片, 可以度時, 彈性擋片將不發(fā)生變形, 為沖洗大大的節(jié)約設(shè)計與制造成本, 降低灌水器產(chǎn)品的狀態(tài); 當工作水壓逐漸增大時, 彈性擋片發(fā)生變價格。通過將補償片、流道進行一體設(shè)計的壓力補償流道結(jié)構(gòu)具有很明顯的壓力補償效果, 并且減少了補償片和流道之間的裝配誤差, 減少了因裝配帶來的局部水頭損失。本文從該流道的水力特性分析證明了壓力補償?shù)男Ч筒捎脡毫ρa償?shù)姆e極作用。對該流道采用快速成形制造, 大幅度縮短生產(chǎn)周期, 提高生產(chǎn)效率。特別在試驗研究方面, 能夠減少流道的模具制造等研發(fā)周期, 降低開發(fā)成本, 方便進行試驗。這種新型流道不僅可以實現(xiàn)壓力補償, 還可用于內(nèi)鑲式滴灌帶生產(chǎn)中, 可以解決滴灌帶不宜實現(xiàn)壓力補償?shù)膯栴}。參考文獻：1 何靜.壓力補償?shù)晤^設(shè)計機理研究D.碩士學位論文.北京: 中國農(nóng)業(yè)大學, 2006.2魏正英, 唐一平, 程英社, 盧秉恒. 一體式壓力補償灌水器快速設(shè)計新方法J. 中國機械工程, 20083 牛文全, 吳普特, 范興科. 低壓滴灌系統(tǒng)研究J . 節(jié)水灌溉.20054張國祥. 考慮三偏差因素的滴灌系統(tǒng)流量總偏差率J . 農(nóng)業(yè)工程學報. 2006