重力滴灌灌水器水力性能及其流道内流体流动机理_李云开

收稿日期: 2004 07 23 3 国家自然科学基金资助项目 (项目编号: 50379053) 和国家“863”高技术研究发展计划资助项目 (项目编号: 2002AA 6Z3091) 李云开 中国农业大学水利与土木工程学院 讲师 博士, 100083 北京市 杨培岭 中国农业大学水利与土木工程学院 教授 博士生导师 任树梅 中国农业大学水利与土木工程学院 教授 杨 玲 中国农业大学水利与土木工程学院 硕士生 吴显斌 中国农业大学水利与土木工程学院 硕士生
1 试验参数与方法
111 灌水器流道参数测定 流道几何参数主要测定了流道宽度、流道深度、
流道长度 3 个指标, 3 个指标的测定选用上海光学 仪器厂 JC 10 读数显微镜 (测量精度±0101 mm , 量程 4 mm ) , 随机挑选 3 个滴灌管出水口测量流道
的几何参数, 分别取 3 个灌水器的最小值。P la stro、 N etafim 流道几何参数测量: 将滴灌管纵向剖开, 流 道深度用裸露的滴头截片测量, 流道宽度在 PE 管 内壁流道压痕上测量; 将纵向剖开的 PE 管展平, 利 用数码相机对流道压痕拍照成图, 将该图片作为底 图在 A u toCAD 2004 上描绘出完整的流道形式, 再 利用 A u toCAD 2004 的测量工具测量流道 CAD 图 的宽度和深度, 并根据前后两次流道宽度测量的比 值计算流道长度。 E in2T a l 重力滴灌灌水器直接拆 开就可以进行观测。观测的结果如表 1 所示, 3 种流 道形式见图 1。
A b stra c t
T he hyd rau lic p erfo rm ance and it s m echan ism of liqu id flow in th ree rep resen ta t ive g ravity d rip irriga t ion em it ters in Israel w ere stud ied. B a sed on the freedom d ischa rge test, the resu lt s show ed tha t the cla ssica l m odel of rela t ion betw een flux ra te and p ressu re cou ld to ta lly fit fo r the p ressu re range from 015 m to 1510 m. T he sect ion average velocity of flow w a s betw een 0107～ 1115 m s in flow p a th of the em it ters. T he crit ica l R eyno ld s num ber of liqu id flow in the flow p a th of em it ters w a s 73～ 930, sm a ller than tha t in genera l flow p a th. T he th ickness of up 2dow n2 d irect ion bounda ry layers w a s 0112～ 0165 mm , took 15%～ 67% p ercen t of the flow p a th dep th, show ed fu ll exp anded flow in up 2dow n2d irect ion bounda ry layers.
图 2 重力滴灌灌水器水力性能测试平台 F ig. 2 T esting system of hydrau lic p erfo rm ance of
gravity drip irriga tion em itter 1. 稳压装置 2. 调节阀 3. 过滤器 4. 压力表 5. 供水支管 6. 重力滴灌管 7. 同步滑轮 8. 试验架 9. 量水器 10. 排水管
第 10 期
李云开 等: 重力滴灌灌水器水力性能及其流道内流体流动机理
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滴灌灌水器, 探索性地利用 A u toCAD 技术和读数 显微镜相结合的方法测量灌水器流道几何参数, 并 在此基础上对灌水器的水力性能、流道形式和结构 参数及其内部流体的流动特征进行研究, 以期为重 力滴灌系统的规划设计、灌水器的国产化打下基础。
Key words G ravity d rip irriga t ion, H yd rau lic p erfo rm ance, L iqu id flow m echan ism , F low p a th
引言
降低滴灌系统的造价和运行费用, 一直是滴灌 工作者的奋斗目标。 1985 年, 以色列 G ideon G G[1] 提出了重力滴灌的想法, 该灌溉系统的灌水器流量 为 012 L h (常规滴灌为 2 L h 以上) , 系统的工作 水头可以降低到 015 m (常规滴灌为 10 m )。与一般
间; 流道内部流体流动的雷诺数为 73～ 930, 临界雷诺数比常规尺度流道的值要小; 上下边界层厚度在 0112～
0165 mm 之间, 占流道深度的 15%～ 67% , 表现为上下边界层充分发展的复杂流动。
关键词: 重力滴灌 水力性能 流动机理 流道
中图分类号: S27719+ 5
文献标识码: A
(见图 2)。试验测试的主要参数与方法为: ①入口工 作压力: 压力表, 精度 014 级。②灌水器流量: 采用称 量法, 电子天平感量为 015 g。③水温、室温: 温度计, 最小刻度为 011℃。④时间: 秒表, 最小指示 0101 s。 ⑤停止供水控制: 推动试验架, 在 011 s 内断开滴灌 灌水器与量水器之间的联系。
2 0 0 5 年 10 月
农业机械学报
第 36 卷 第 10 期
重力滴灌灌水器水力性能及其流道内流体流动机理3
李云开 杨培岭 任树梅 杨 玲 吴显斌
【摘要】 对以色列最典型的 3 种重力滴灌灌水器的水力性能与内部流动机理进行研究。 结果表明: 经典的流
量 压力关系模型完全适合于 015～ 1510 m 水头压力范围; 灌水器流道断面统计平均流速在 0107～ 1115 m s 之
滴灌系统相比, 重力滴灌不用配备昂贵的首部动力 系统, 大大降低了首部系统的投资和运行费用, 方便 了普通用户的使用, 成为一种经济、实用型节水灌溉 系统[2]。 目前研究生产重力滴灌系统主要有以色列 的 P la st ro、N etafim、E in2T a l 3 家公司。到目前为止 国内还未研制生产出同等质量重力滴灌系统设备。 本文针对 P la st ro、N etafim、E in2T a l 公司 3 种重力
01999 01993 01998
整个区间 (015～ 1510 m 水头)
Kd
x
R2
01405 9 01666 4 01264
01628 8 01478 1 01549
01999 01999 01995
表 3 不同压力区间流量 压力关系参数差异显著性的 t (Α= 0101) 检验 Tab. 3 Var iance ana lysis of the param eters of the rela tion s between f lux ra te and pressure
表 2 重力滴灌灌水器水力性能参数表 Tab. 2 Hydraul ic performance param eters of grav ity dr ip irr iga tion em itters
灌水器 类型
低压区 (015～ 510 m 水头)
Kd
x
R2
A
01402 3
01649 5
01999
Hydraul ic Performance and Its M echan ism of L iqu id Flow in Grav ity D r ip Irr iga tion Em itter
L i Yunka i Yang Peiling R en Shum ei Yang L ing W u X ianb in (C h ina A g ricu ltu ra l U n iv ersity )
图 1 3 种重力滴灌灌水器流道形式
F ig. 1 Fo rm s of th ree gravity drip irriga tion em itters
112 灌水器流量 压力关系试验方法
排列编号, 随机取第 3、12、13、23 号试样进行分析。
重力滴灌灌水器的流量 压力关系试验是在中
国农业大学水利与土木工程学院试验大厅内完成
性能有一定影响; 但经不同压力区间流态指数和流 量指数两两配对样本 t 检验 (Α≤0101) (表 3) , 015～ 15 m 水头压力范围内不同压力区间对拟合的流量 压力关系函数的参数 K d、x 影响不显著, 在 015～ 15 m 水头压力范围内流量 压力关系符合经典的流 量 压力关系模型, 极大方便了重力滴灌系统规划设 计参数的特殊选择。
2 试验结果与分析
对于每一种重力滴灌管, 随机抽取 25 个灌水器 211 自由出流条件下灌水器的流量 压力关系
(5×5 排列) 测试, 所测灌水器的流量按照由小到大
通过测定 015～ 1510 m 水头不同压力条件下 3
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农 业 机 械 学 报
2 0 0 5 年
种重力滴灌管的流量数据, 采用最小二乘法拟合灌 水器的流量 压力函数的参数, 结果如表 2 所示。 可 以看出: 按照流态指数 x 来判断[4], A 属于光滑紊流 灌水器, B、C 属于全紊流灌水器; 除灌水器 B 的流 态指数在整个压力区间都非常接近外,A、C 都表现 为高、中压区的流态指数最低, 低压区的流态指数最 高, 表明灌水器在低压条件下运行对灌水器的水力
表 1 重力滴灌灌水器流道几何参数 Tab. 1 Geom etr ica l param eters of f low pa th in grav ity dr ip irr iga tion em itters
序号
产品代号
管径 < mm
最大流道宽度 最小流道宽度
W m ax mm
W m in mm
流道深度 D mm
流道长度 L mm
流道 类型
A
W GF 4 117 100
4
0173
0173
0184
205
a
B
W GF 8 210 100
8
1116
0177
0177
40
b
C
W GF 12 110 100
ຫໍສະໝຸດ Baidu
12
1101
0180
0197
200
c
注: 以上 3 种均为非压力补偿式灌水器, 设计工作压力为 10m 水头。E in T al 滴灌管在 1 m 水头下出水流量为 0140 L h; N etafim 滴灌管 在1 m 水头下出水流量为 0165 L h; P lastro 滴灌管在 1 m 水头下出水流量为 0150 L h。
B
01671 3
01467 7
01997
C
01260 1
01562 3
01991
注: 表中 K d 为流量系数, R 2 为相关系数。
试验压力范围 H m
中、高压区 (510～ 1510 m 水头)
Kd
x
R2
01449 0 01664 4 01283 9
01582 3 01482 8 01500 1
的。水源为自来水, 采用压力罐 (设计压力1 M Pa) 稳 压供水, 对自由出流条件下重力滴灌灌水器的流量
进行测定。每次试验时间为 20 m in, 每次观测两遍, 两次测得的水量之差小于 2% , 取平均值计算各灌
水器的流量。灌水器流量 压力关系试验装置是在完
全满足 GB T 17187—1997《农业灌溉设备 滴头 技 术规范和试验方法》[3] 的要求的基础上自行研制的
under var ious pressure range (Α= 0101)
试验压力
Kd
x
区间
标准差
自由度
t
标准差
自由度
H 1～ H 2
21689×10- 2
2
H 2～ H 3
21255×10- 2
2
H 1～ H 3
41996×10- 4
2
11365
41614×10- 2
2
11562
31028×10- 2