流道參數(shù)對新型根灌器水力性能的影響及優(yōu)化

張 軍，李 琳

流道參數(shù)對新型根灌器水力性能的影響及優(yōu)化

張 軍1, 2，李 琳1, 3*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆理工學(xué)院，新疆 阿克蘇 843000；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

【目的】研究新型果樹根灌器螺旋對沖流道參數(shù)對水力性能的影響。【方法】采用單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)方法，研究螺旋對沖流道主要影響因素及其對計流量變異系數(shù)q的影響，建立并驗(yàn)證了不同壓力區(qū)間q的回歸模型，在不同壓力區(qū)間以q最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行流道參數(shù)優(yōu)化?！窘Y(jié)果】引起q變化的主要參數(shù)為流道寬、分流角及流道單元數(shù)，彎道直段長1、彎道半徑、匯流段長2對其的影響可忽略不計。對q的影響存在交互作用，q隨的增加均呈先減后增趨勢，響應(yīng)曲面均存在極小值。低壓區(qū)及高壓區(qū)的q與存在顯著的二次函數(shù)關(guān)系，其二次回歸模型復(fù)相關(guān)系數(shù)（2）分別為0.996 7、0.997 1，與調(diào)整后的復(fù)相關(guān)系數(shù)（Adj2）差值均小于0.2。優(yōu)化得到高壓區(qū)最優(yōu)方案的q要小于低壓區(qū)，2個壓力區(qū)優(yōu)化方案q預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差分別為2.8%、2.3%。【結(jié)論】用q回歸模型對設(shè)計流量變異系數(shù)預(yù)測的精度可靠，螺旋對沖流道在高壓區(qū)的灌水效果要優(yōu)于低壓區(qū)，且q優(yōu)化的結(jié)果可靠。

果樹根部灌水器；螺旋對沖流道；幾何參數(shù)；水力性能；響應(yīng)面法

0 引 言

【研究意義】地下灌溉是一種高效節(jié)水灌溉方法，通過埋入地下的灌水器將灌溉水滲入到作物周圍供作物根系吸收利用，能有效地減少地表蒸發(fā)和深層滲漏損失[1-2]?！狙芯窟M(jìn)展】學(xué)者們針對不同作物開發(fā)了系列地下灌水技術(shù)，如涌泉根灌[3-4]、地下豎管灌[5]、微孔陶瓷滲灌[6]、微孔混凝土根灌[7]、微潤灌[8]、地下滴灌[9]、加壓注灌[10]及插入式根灌[11]等，通過試驗(yàn)研究[12]、數(shù)值模擬及[13-14]理論分析等[15-16]方法，進(jìn)行灌水器流道參數(shù)對水力性能[17]及抗堵塞性能[18]的影響等研究，為不同條件下地下灌溉技術(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。上述地下灌溉技術(shù)大多為單點(diǎn)源或線源入滲，形成的土壤濕潤體與果樹根系空間吻合度還有待提升，國外學(xué)者在干旱區(qū)對番茄和草莓[19]、甜椒[20]等淺根系作物的根灌技術(shù)中，提出了一種環(huán)形地下灌水器，其濕潤體與根系吻合度較高，提升了灌溉水利用效率，但該類灌水器較難滿足深根系果樹的需水要求。作者在對南疆干旱區(qū)棗樹根區(qū)加壓注水灌溉技術(shù)的前期研究基礎(chǔ)上[21]，課題組提出了一種新型環(huán)狀果樹根灌器[22]（以下簡稱“根灌器”），通過灌水環(huán)上的多個出流孔口進(jìn)行入滲根灌，可在果樹根區(qū)形成包圍式的土壤濕潤體，以期通過提升濕潤體與根系空間分布的吻合度達(dá)到提高灌溉水利用率的目的?！厩腥朦c(diǎn)】多孔入滲的灌水環(huán)比單點(diǎn)源入滲灌水器的流量需求更大，前期進(jìn)行的灌水環(huán)入滲試驗(yàn)研究表明，砂質(zhì)壤土條件下，6孔灌水環(huán)在12～18 L/h進(jìn)口流量時，形成的濕潤體與成齡果樹根系空間分布吻合度較高，本文選取15 L/h作為根灌器在砂質(zhì)壤土條件下的設(shè)計流量，為了使一定進(jìn)口壓力條件下的流量值更接近該設(shè)計流量，提出了一種新型螺旋對沖流道，其具有雙向分流、急轉(zhuǎn)對沖消能的特點(diǎn)，對該流道的前期初步試驗(yàn)結(jié)果表明，其消能率高達(dá)92%～98%，流態(tài)指數(shù)為0.43～0.51，具有較好的水力性能，但由于目前尚未對該流道各幾何參數(shù)對設(shè)計流量變異系數(shù)q的影響開展系統(tǒng)研究，q與其主要影響因素及其與各影響因素交互作用之間的響應(yīng)關(guān)系尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】圍繞螺旋對沖流道的幾何參數(shù)對根灌器水力性能的影響及消能效果開展研究，以q為該根灌器水力性能評價指標(biāo)，建立主要影響參數(shù)與q的回歸模型，并以q數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)對不同壓力區(qū)間的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為螺旋對沖流道在不同水壓條件下的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 根灌器及其螺旋對沖流道工作原理

圖1為根灌器工作原理，每棵果樹根系附近預(yù)埋1個根灌器，由消能器、灌水環(huán)及通氣裝置組成，地埋供水管道中一定壓力范圍內(nèi)的水流分別經(jīng)過每棵果樹根灌器的消能器后，以較穩(wěn)定的流量進(jìn)入到灌水環(huán)中，通過灌水環(huán)內(nèi)一定數(shù)量的出流孔口緩慢地滲入到土壤中，通氣裝置可消除灌水環(huán)負(fù)壓引起的孔口吸泥堵塞，灌水結(jié)束后以果樹根系為中心形成包圍式的土壤濕潤體。

注 1.地埋供水管；2.消能器；3.螺旋對沖流道；4.灌水環(huán)；5.土壤濕潤體；6.地表；7.通氣裝置；8.果樹根系。

消能器采用了一種新型的螺旋對沖流道（圖2），具有雙向分流、急轉(zhuǎn)對沖消能的特點(diǎn)。圖2（a）為消能器三維剖面及消能件實(shí)物圖。消能器從內(nèi)至外分別由消能件、橡膠墊圈、護(hù)蓋組成，其中消能件由擋水片、流道進(jìn)口、螺旋對沖流道及流道進(jìn)、出口組成。橡膠墊圈外層由2片對稱的活動護(hù)蓋包圍，當(dāng)護(hù)蓋上下兩端外壁分別與供水三通、灌水環(huán)三通內(nèi)壁連接后，護(hù)蓋將橡膠墊圈緊箍其中。消能件外壁沿螺旋線布置了一定數(shù)量的內(nèi)凹對沖流道，水流在螺旋對沖流道內(nèi)流動后，經(jīng)出口流入消能件底部并進(jìn)入灌水環(huán)。

螺旋對沖流道平鋪圖及幾何參數(shù)示意如圖2（b），以分流開始斷面到匯流結(jié)束斷面之間的流道為1個單元，每個流道單元的幾何參數(shù)有流道寬（即為流道深）、彎道直段長1、彎道半徑、分流角、對沖角、其中對沖角與分流角互補(bǔ)，匯流段長2，流道單元數(shù)用表示，當(dāng)圓柱形消能件的外徑一定時，可由參數(shù)、、、1、2、確定唯一的螺旋對沖流道，因此，單因素試驗(yàn)中以這6個參數(shù)作為自變量，以探明各因素對該流道水力性能的影響程度，本試驗(yàn)消能件外徑為28 mm，每個單元內(nèi)，水流在分水件的作用下分別分流至彎道和直道，水流在彎道內(nèi)發(fā)生急轉(zhuǎn)后與直道水流在對沖消能區(qū)發(fā)生對沖，且流道斷面分流、匯流產(chǎn)生局部水頭損失從而消耗大量動能，逐級消能后達(dá)到穩(wěn)流的效果。

注 1.消能件；2.橡膠墊圈；3.護(hù)蓋；4.擋水件；5.流道進(jìn)口；6.螺旋對沖流道；7.流道出口；8.分水件；9.彎道段；10.直道段；11.對沖消能區(qū)。

圖2 消能器結(jié)構(gòu)及工作原理

Fig.2 Structure and working principle of energy dissipation device

1.2 試件加工與測試方法

試驗(yàn)于2021年4月在新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用Auto CAD與Unigraphics NX對流道進(jìn)行平面及三維建模，使用0.1 mm精度3D打印機(jī)加工試制，為保證試驗(yàn)精度，消除橡膠墊圈材料屬性引起的誤差，本試驗(yàn)對消能器的消能件、橡膠墊圈及護(hù)蓋采用PLA材料進(jìn)行整體式3D打印，并在上下兩端分別生成外絲、內(nèi)絲螺紋接口，分別與供水三通管、出口壓力表螺紋連接。試驗(yàn)布置如圖3所示，在消能器上、下游安裝精度為0.01 kPa的數(shù)顯壓力表。為消除管道內(nèi)氣體對流動的干擾，進(jìn)口上端安裝了自動排氣閥，供水流道均采用外徑為32 mm的PVC管及配套連接件連接而成。

本試驗(yàn)采用自循環(huán)供水系統(tǒng)，供試水取自實(shí)驗(yàn)室自來水，每次試驗(yàn)保持相同的水溫（23 ℃），通過調(diào)壓供水管道向裝置內(nèi)供水，調(diào)節(jié)變頻泵以達(dá)到需要的進(jìn)口壓力，水流經(jīng)過進(jìn)口壓力表后，系統(tǒng)內(nèi)的氣體從自動排氣閥頂端排出，隨后水從消能器進(jìn)口流入螺旋對沖流道內(nèi)，最后充滿出口壓力通道后，從流道末端的出流導(dǎo)管流出，待運(yùn)行穩(wěn)定后，讀取出口壓力，并采用秒表和量筒測其流量。根據(jù)GB/T17187—2009/ISO9261：2004《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》的規(guī)范要求，分別在50、75、100、125、150、175、200、225、250 kPa進(jìn)口壓力條件下進(jìn)行出口流量及壓力的測試，各方案3D打印的消能器構(gòu)件制作1式3份，每個消能器構(gòu)件3組重復(fù)試驗(yàn)，同一方案各重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果相對誤差小于3%時，取其均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

注 1.調(diào)壓供水管道；2.進(jìn)口壓力表；3.自動排氣閥；4.消能器進(jìn)口；5.出口壓力通道；6.出流導(dǎo)管。

1.3 評價指標(biāo)與計算方法

在灌水器流道參數(shù)設(shè)計階段，由于流態(tài)指數(shù)評價灌水器水力性能時存在對流量控制的不確定性和盲目性，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)生產(chǎn)適應(yīng)不同壓力范圍、不同設(shè)計流量的產(chǎn)品[23]。為了使螺旋對沖流道在一定壓力范圍內(nèi)的出流流量更接近于設(shè)計流量，本文以消能器在不同壓力下出流量偏離設(shè)計流量的程度（設(shè)計流量變異系數(shù)q）作為根灌器水力性能的評價指標(biāo)，具體計算方法見式（1）。q越小，表明根灌器的出水流量越接近設(shè)計流量，其相應(yīng)根灌器的灌水效果越好。

其中：

式中：為流量標(biāo)準(zhǔn)偏差（L/h）；r為設(shè)計流量（L/h），本文取q=15 L/h；q為實(shí)測出流流量（L/h）；為試驗(yàn)組數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計流量變異系數(shù)越小，說明不同壓力對應(yīng)的流量越接近設(shè)計流量，對應(yīng)的灌水均勻度越高，灌水效果越好，因此以設(shè)計流量變異系數(shù)為因變量，以流道參數(shù)：分流角、流道寬、流道單元數(shù)、彎道直段長1、匯流段長2、彎道半徑為自變量，50～250 kPa壓力范圍內(nèi)進(jìn)行初步預(yù)研試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)30°<<60°、0.5 mm<<2.5 mm、10<<50、5 mm<1<13 mm、2 mm<2<10 mm、0.75 mm<<1.75 mm時，設(shè)計流量變異系數(shù)較小，以此為依據(jù)，以該范圍作為單因素試驗(yàn)的取值范圍，在該取值范圍內(nèi)將各參數(shù)等間距設(shè)置5個水平，采用單因子試驗(yàn)法，假定各參數(shù)不存在交互作用，當(dāng)改變其中1個參數(shù)時，其他參數(shù)保持中間水平值開展試驗(yàn)。

單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖4。由圖4可以看出，q隨、和的增加均呈先減后增的趨勢，這是由于分流角越小，彎道段與直道段末端夾角越接近180°，分流前的水流慣性作用下，流入彎道段始端的水流越大，其末端水流越易流入直道段，導(dǎo)致直道段易產(chǎn)生反向水流，使反向水流再次進(jìn)入彎道段首端產(chǎn)生循環(huán)流，流量隨之下降。當(dāng)較小時，流量小于設(shè)計流量，流量隨著的增加而增加，越來越靠近設(shè)計流量，設(shè)計流量變異系數(shù)隨之減少，當(dāng)流量值超過設(shè)計流量后，隨著的繼續(xù)增加，單元流道內(nèi)的循環(huán)流逐漸減弱，流量值繼續(xù)增加，越來越偏離設(shè)計流量，設(shè)計流量變異系數(shù)隨之增大。同理，流道寬越大，過水?dāng)嗝婷娣e越大，流量隨之變大，隨著的增加，流量相對設(shè)計流先逐漸靠近再逐漸偏離的過程，導(dǎo)致q隨的增加先減后增。而流道單元數(shù)越大，能量損失越大，其流量越小，當(dāng)流道單元數(shù)較小時，流量大于設(shè)計流量，隨著的增大，流量逐漸變小，流量相對設(shè)計流量先逐漸靠近再逐漸偏離的過程，導(dǎo)致q隨的增加也呈先減后增的趨勢。其中q隨的變化率最大，這是由于流道寬變化引起過水?dāng)嗝娴淖兓?，對流量變化影響較大，由此引起的設(shè)計流量變異系數(shù)變化率也較大。而q隨12和的變化均未發(fā)生明顯變化，說明是引起q變化的主要因素，12對q的影響可忽略。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

本文以q作為流道參數(shù)優(yōu)化的評價指標(biāo)。選取影響設(shè)計流量變異系數(shù)的主要參數(shù)作為響應(yīng)面試驗(yàn)的因素，由單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)分別在30°<<45°，1 mm<<2 mm，10<<40范圍時，進(jìn)口壓力為50～250 kPa，q均能獲得較小值（0.280

圖4 單因素對設(shè)計流量變異系數(shù)的影響

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平

根據(jù)表1的因素及水平，采用 Design Expert 11設(shè)計軟件得到響應(yīng)面試驗(yàn)方案，具體見表2。實(shí)際灌溉中因水壓條件、輸水管道水頭損失及地形變化等原因，使不同區(qū)域輸水管網(wǎng)壓力不同，50～250 kPa壓力區(qū)間范圍較大，若優(yōu)化得到的同一流道方案在全壓力區(qū)間使用，其流量差異過大導(dǎo)致灌水均勻度不高，本文將該全壓力區(qū)間分為低壓區(qū)（50～150 kPa）和高壓區(qū)（150～250 kPa）分別進(jìn)行優(yōu)化，可根據(jù)管網(wǎng)壓力區(qū)間選取適宜的消能器，以提升不同壓力區(qū)間最優(yōu)消能器流道的水力性能，基于表2中的試驗(yàn)方案開展試驗(yàn)，并根據(jù)式（1）計算出不同方案在不同壓力區(qū)間的設(shè)計流量變異系數(shù)如表2所示。

為了直觀反映3個主要參數(shù)之間的交互作用對設(shè)計流量變異系數(shù)q的影響，基于響應(yīng)面結(jié)果繪制了各因素與響應(yīng)值之間的響應(yīng)面和等高線圖，某一壓力區(qū)間在共3個水平取值條件下，可形成9個響應(yīng)面，通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其中1個自變量變化時，q對另2個自變量的響應(yīng)面存在差異，但其變化規(guī)律一致，限于篇幅，分析任意2個主要參數(shù)變化與設(shè)計流量變異系數(shù)的響應(yīng)關(guān)系時，第3個因素取其中間水平，選取150～250 kPa壓力區(qū)間設(shè)計流量變異系數(shù)響應(yīng)面為例進(jìn)行分析，由此分別繪制了圖5。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖5 設(shè)計流量變異系數(shù)響應(yīng)面及等高線圖(150～250 kPa)

響應(yīng)曲面沿某一變量方向的斜率越大，表明該變量對q的影響越大，由3個響應(yīng)曲面可看出，q隨的方向變化最劇烈，說明是引起q變化的主要因素，由圖5（a）、圖5（d）和圖5（c）、圖5（f）可知，在1 mm≤≤1.3 mm范圍內(nèi)，q隨的增加而減小，這是由于該流道寬范圍內(nèi)消能器出流量整體小于設(shè)計流量，隨著流道寬的增加，過水?dāng)嗝婷娣e增加，不同壓力條件下的流量值越來越接近設(shè)計流量，導(dǎo)致設(shè)計流量變異系數(shù)逐漸減小。在1.3 mm≤≤2 mm范圍內(nèi)，不同壓力對應(yīng)的流量值隨著流道寬的繼續(xù)增加而增加，越來越偏離設(shè)計流量，導(dǎo)致設(shè)計流量變異系數(shù)逐漸增大，由此可初步判斷，高壓區(qū)當(dāng)流道寬取值靠近1.3 mm時，能獲得較小的設(shè)計流量變異系數(shù)；由圖5（a）可看出，在1 mm<<1.68 mm范圍內(nèi)，q隨的增加呈先減后增趨勢，而在1.68 mm<<2 mm范圍內(nèi)，q隨的增加僅呈上升趨勢，表明q隨的變化趨勢隨b的取值變化而不同。同理，由圖5（b）、5（c）可知，q隨某2個因素的變化趨勢因第3因素的影響而不同，表明3個主要參數(shù)對設(shè)計流量變異系數(shù)的影響存在一定的交互作用，在任意2個主要參數(shù)取值范圍內(nèi)的交互作用下，均出現(xiàn)了極小值點(diǎn)（等高線圖橢圓中心點(diǎn)），如圖5（a）中當(dāng)=41.4°、=1.3 mm時，圖5（b）中當(dāng)=44°、=35時，圖5（c）中當(dāng)=1.3 mm、=30時，設(shè)計流量變異系數(shù)最小，說明在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，通過尋優(yōu)可獲得q最小時對應(yīng)的最優(yōu)方案。

2.3 設(shè)計流量變異系數(shù)回歸模型及方差分析

對表2中17組響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果，采用Design Expert軟件多元回歸，發(fā)現(xiàn)、、與q有良好的二次函數(shù)關(guān)系，得到低壓區(qū)和高壓區(qū)q的回歸模型如下。

對回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)如表3所示，回歸模型的值均大于(2,15)0.01，說明設(shè)計流量變異系數(shù)在2個壓力區(qū)間的回歸模型均為高度顯著。值通常用來檢驗(yàn)變量的顯著性，當(dāng)<0.05時，模型顯著，當(dāng)<0.01時，模型極顯著，由表3可知，在2個壓力區(qū)間設(shè)計流量變異系數(shù)的回歸模型的一次項(xiàng)、交互項(xiàng)與二次項(xiàng)均為極顯著因素，說明3個主要參數(shù)及其交互作用對設(shè)計流量變異系數(shù)都有極顯著影響，且主要參數(shù)與設(shè)計流量變異系數(shù)存在顯著的二次函數(shù)關(guān)系。2個模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)（2）分別為0.996 7、0.997 1，其復(fù)相關(guān)系數(shù)（2）與調(diào)整后的復(fù)相關(guān)系數(shù)（Adj2）差值均小于0.2，表明各式中因變量與自變量之間的相關(guān)關(guān)系較好，說明在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，可用回歸模型（3）、模型（4）對設(shè)計流量變異系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測模型為參數(shù)尋優(yōu)提供了基礎(chǔ)。

表3 Box-Benhnken響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析

注 *為顯著（<0.05）；**為極顯著（<0.01）。

2.4 流道參數(shù)優(yōu)化

為獲得不同壓力區(qū)間最小設(shè)計流量變異系數(shù)對應(yīng)的最優(yōu)流道參數(shù)組合，本試驗(yàn)以響應(yīng)面試驗(yàn)方案因素的取值范圍為約束條件，以設(shè)計流量變異系數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過響應(yīng)面優(yōu)化求解分別得到低壓區(qū)的優(yōu)化方案S1和高壓區(qū)的優(yōu)化方案S2，得到S1的流道參數(shù)組合為：=37.35°、=1.84 mm、=40，S2的流道參數(shù)組合為：=42.77°、=1.34 mm、=28。為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，對2個壓力區(qū)間的優(yōu)化方案采用3D打印并進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，得到其流量-壓力關(guān)系，計算得到其設(shè)計流量變異系數(shù)q實(shí)測值，并與預(yù)測值進(jìn)行對比（圖6），由圖6可知，方案S2的q要小于S1，這是由于流速隨著壓力的增加而增加，水頭損失也隨之增加，動能損失隨之增加，隨著進(jìn)口壓力的上升，高壓區(qū)的流量增幅也隨之降低，高壓區(qū)的流量相對設(shè)計流量的分布更集中，說明高壓區(qū)的灌水均勻度要優(yōu)于低壓區(qū)。2個方案q預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差分別為2.8%、2.3%，說明設(shè)計流量變異系數(shù)的優(yōu)化結(jié)果可靠。

圖6 優(yōu)化方案的流量-壓力曲線及設(shè)計流量變異系數(shù)

3 討 論

本研究提出的新型果樹根灌器在砂質(zhì)壤土條件下的設(shè)計流量為15 L/h，而大多數(shù)灌水器設(shè)計流量約1～8 L/h（例如地埋式內(nèi)鑲貼片滴灌灌水器額定流量為1.38 L/h[17]，涌泉根灌單點(diǎn)源入滲的設(shè)計流量約為4～8 L/h[4]，微孔混凝土灌水器設(shè)計流量約3.06～3.78 L/h[7]），相對常規(guī)灌水器具有流量大、灌水時間短的特點(diǎn)。在實(shí)際灌溉中供水管網(wǎng)存在沿程壓差，若要使每顆果樹根灌器的進(jìn)口流量更接近設(shè)計流量，則需在進(jìn)口與灌水環(huán)之間采用合適的流道形式，并且水流在該流道內(nèi)需產(chǎn)生較大的能量損失。有研究表明，氫氣在多級特斯拉閥流道[24]內(nèi)能產(chǎn)生較大的能量損失，受到該啟發(fā)，基于特斯拉閥流道能量耗散及壓降原理，結(jié)合根灌器進(jìn)口處的圓管特征，提出了一種新型螺旋對沖流道，大量前期研究試驗(yàn)結(jié)果表明，該流道具有較高的消能率，為了使一定壓力范圍內(nèi)的水經(jīng)過該流道后更接近設(shè)計流量，本研究圍繞螺旋對沖流道各幾何參數(shù)對設(shè)計流量變異系數(shù)的影響開展了單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明，引起設(shè)計流量變異系數(shù)變化的主要影響參數(shù)為分流角、流道寬及流道單元數(shù)，彎道直段長、彎道半徑、匯流段長的影響可忽略不計，而彎道直段長、彎道半徑、匯流段長是引起流道長度的關(guān)鍵參數(shù)（即引起沿程水頭損失變化的關(guān)鍵參數(shù)），說明螺旋對沖流道的沿程水頭損失相對局部水頭損失可忽略不計，這與郭霖等[23]在滴灌雙向?qū)_流灌水器流道水頭損失的研究結(jié)果一致。由此可初步判斷，該流道主要在回流對沖、水流急轉(zhuǎn)等部位產(chǎn)生局部水頭損失，從而達(dá)到能量耗散并穩(wěn)定流量的效果，后續(xù)針對螺旋對沖流道的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，可從該思路出發(fā)，結(jié)合流體動力學(xué)理論，通過改變流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加水流的能量耗散，降低其設(shè)計流量變異系數(shù)，以提高水力性能。

為提高螺旋對沖流道的優(yōu)化效率，避免試驗(yàn)過程中的制造偏差和人為誤差，后續(xù)可采用CFD數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對該流道的消能機(jī)理等方面開展進(jìn)一步研究，且本試驗(yàn)結(jié)果可為該流道采用CFD進(jìn)行單相流數(shù)值模擬驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐；除了考慮其較優(yōu)的水力性能外，流道的抗堵塞性能是灌水器灌水性能優(yōu)劣的重要評價指標(biāo)，灌水器流道的低速渦流區(qū)是產(chǎn)生堵塞的高風(fēng)險區(qū)[25]，后續(xù)針對螺旋對沖流道的抗堵塞性能研究中，結(jié)合CFD數(shù)值模擬的方法，探明該流道內(nèi)部的低速渦流區(qū)，通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)降低堵塞風(fēng)險，以水力性能及抗堵塞性能2個評價指標(biāo)對螺旋對沖流道進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，可為該流道在果樹根灌器或其他類型灌水器的應(yīng)用提供參考。

本試驗(yàn)優(yōu)化得到的低、高壓區(qū)的優(yōu)化方案S1和S2，其流態(tài)指數(shù)分別為0.498和0.515，如果以流態(tài)指數(shù)作為灌水器水力性能的評價指標(biāo)，則S1優(yōu)于S2，但以設(shè)計流量變異系數(shù)作為評價指標(biāo)，則S2優(yōu)于S1，從圖6也可看出，S2在不同壓力區(qū)間的流量值相對設(shè)計流量的分布較S1更集中，說明高壓區(qū)內(nèi)同一壓差范圍內(nèi)的不同流量更接近設(shè)計流量，S2的灌水效果必然優(yōu)于S1，說明在灌水器流道的設(shè)計階段，如果采用流態(tài)指數(shù)對水力性能進(jìn)行評價，就忽略了灌水器的設(shè)計流量，對流量的控制存在一定的盲目性，如果一味地追求較小的流態(tài)指數(shù)，流量可能較大程度上偏離了需要的設(shè)計流量，這與郭霖等在滴灌雙向?qū)_流灌水器流道優(yōu)化中的研究結(jié)論一致[23]。而對于成熟的灌水器產(chǎn)品，絕大多數(shù)采用流態(tài)指數(shù)評價其水力性能，這是由于成熟的灌水器在額定壓力條件下的額定流量為定值，無需考慮對流量范圍的控制，流態(tài)指數(shù)越小，一定壓力范圍內(nèi)的流量與額定流量偏差就越小，其灌水均勻度更高。因此，不同場景選取適宜的評價指標(biāo)也十分重要。

4 結(jié) 論

1）分流角、流道寬、流道單元數(shù)是引起設(shè)計流量變異系數(shù)變化的主要參數(shù)，而彎道直段長匯流段長彎道半徑的影響可忽略不計。

2）分流角、流道寬、流道單元數(shù)對設(shè)計流量變異系數(shù)的影響存在交互作用，設(shè)計流量變異系數(shù)隨分流角、流道寬、流道單元數(shù)的增加均呈先減后增趨勢，響應(yīng)曲面均存在極小值點(diǎn)，說明在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，通過尋優(yōu)可獲得設(shè)計流量變異系數(shù)最小時對應(yīng)的最優(yōu)方案。

3）低、高壓區(qū)的設(shè)計流量變異系數(shù)與分流角、流道寬、流道單元數(shù)存在顯著的二次函數(shù)關(guān)系，回歸模型復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.996 7、0.997 1，與調(diào)整后的復(fù)相關(guān)系數(shù)差值均小于0.2，可用設(shè)計流量變異系數(shù)回歸模型對設(shè)計流量變異系數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

4）高壓區(qū)最優(yōu)方案的設(shè)計流量變異系數(shù)要小于低壓區(qū)，說明高壓區(qū)的灌水效果要優(yōu)于低壓區(qū)，低、高壓區(qū)的優(yōu)化方案設(shè)計流量變異系數(shù)預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差分別為2.8%、2.3%，設(shè)計流量變異系數(shù)優(yōu)化的結(jié)果可靠。

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Optimizing Geometrical Parameters of the Flow Channel in the Root-irrigation Emitters

ZHANG Jun1,2, LI Lin1,3*

(1. College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Xinjiang Institute of Technology, Aksu 843000, China;3. Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention, Urumqi 830052, China)

【Objective】The study is to present a new root-zone irrigation emitter and investigate the influence of the geometrical parameter of its spiral-hedge flow channel on hydraulic performance of the emitter. 【Method】The assessment is based on the variation coefficient of the design flow (q). Using single factor and the response surface test method, we studied experimentally how design parameters of the helical hedge flow channel affectq. We then established and verified a regression model to calculate the variation ofqwith operating and design parameters, from which we proposed how to optimize the flow channel parameters with minimizingqas the optimization objective. 【Result】The design parameters that affectqmost are flow channel width, the shunt angleand number of flow channel units. In contrast, the effect of straight section length1, the bend radiusand the convergence section length2is negligible. The effect of,andonqis confounding. With the increase in,and,qdecreases first and then increases once it reaches the minimal value.qvaries with,quadratically when the operating water pressure was low or high, with their associated correlation coefficient (2) being 0.996 7 and 0.997 1 respectively. The difference between the adjusted correlation coefficients is less than 0.2. Theqobtained from the optimal solution for the high operating water pressure is smaller than that for the low pressure, and the relative errors between the predicted and measuredqfor the two pressure zones are 2.8% and 2.3%, respectively.【Conclusion】The regression model for variation ofqwith operating and design parameters is reliable, and the spiral hedge flow channel works better under high water pressure than under low water pressure.

root emitter for fruit trees; spiral hedge flow channel; geometrical parameter; hydraulic performance; response surface method

1672 - 3317（2022）07 - 0057 - 08

S275.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022157

張軍, 李琳. 流道參數(shù)對新型根灌器水力性能的影響及優(yōu)化[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(7): 57-64.

ZHANG Jun, LI Lin. Optimizing Geometrical Parameters of the Flow Channel in the Root-irrigation Emitters[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 57-64.

2022-03-24

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生“水利工程”重點(diǎn)學(xué)科研究項(xiàng)目（SLXK-YJS-2019-03）

張軍（1987-），男。講師，博士研究生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)及水力學(xué)研究。E-mail: xjit_zj@163.com

李琳（1979-），女。教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail: lilin_xjau@163.com

責(zé)任編輯：趙宇龍