彈性片特性對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)晤^水力性能的影響

王彥邦，呂暢，董愛(ài)紅，張文倩，張二信，牛文全

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

滴灌是目前節(jié)水效果較好的灌溉技術(shù)之一[1-2]；滴頭在滴灌系統(tǒng)中至關(guān)重要,其結(jié)構(gòu)對(duì)灌水均勻性和系統(tǒng)的壽命影響很大[3].壓力補(bǔ)償?shù)晤^是一種在一定壓力(文中所述壓力，實(shí)質(zhì)上全部為滴頭入口處的相對(duì)壓強(qiáng)，單位為kPa或者水柱高)范圍內(nèi)，流量能保持穩(wěn)定的滴頭，主要通過(guò)壓力變化促使彈性片變形，進(jìn)而改變滴頭流道出口斷面面積，以調(diào)節(jié)滴頭流量[4].壓力補(bǔ)償?shù)晤^已在山丘區(qū)、果園等實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，具有極好的適用性.

彈性片是調(diào)控滴頭流量穩(wěn)定的核心部件，其變形特性與滴頭流量變化特性有顯著相關(guān)性[5].部分學(xué)者利用數(shù)值模擬方法，研究了滴頭補(bǔ)償及與滴頭部分流道結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系[6-8]，并分析了壓力變化對(duì)彈性片變形和滴頭流量變化的影響[9-11].也有學(xué)者通過(guò)樣品測(cè)試的方法，初步探討了彈性片特性、滴頭流道結(jié)構(gòu)等對(duì)滴頭水力性能的影響[12-13],揭示了各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)滴頭性能的影響規(guī)律[14-15].上述研究結(jié)果對(duì)于探明壓力補(bǔ)償?shù)晤^流量調(diào)節(jié)機(jī)理，建立滴頭水力性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系等奠定了基礎(chǔ)；但對(duì)于彈性片特性、滴頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)、滴頭水力性能之間的系統(tǒng)化數(shù)學(xué)關(guān)系建立的報(bào)道少，也無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有的研究成果建立行之有效的壓力補(bǔ)償?shù)晤^設(shè)計(jì)方法.為了進(jìn)一步確定彈性片性能與滴頭水力性能，加快建立壓力補(bǔ)償?shù)晤^科學(xué)設(shè)計(jì)方法，文中采用樣品測(cè)試的方法，研究彈性片對(duì)迷宮流道結(jié)構(gòu)滴頭水力性能的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)滴頭水力性能測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，研究對(duì)象為一種管上式壓力補(bǔ)償?shù)晤^，結(jié)構(gòu)如圖1所示.試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，可同時(shí)布置5條毛管，每條毛管上有5個(gè)滴頭，滴頭間距為50 cm.該裝置由水泵提供壓力(0～400 kPa)，網(wǎng)式過(guò)濾器(0.125 mm)過(guò)濾雜質(zhì)，壓力表(0～400 kPa，精度0.1 kPa)讀取進(jìn)水口壓力.灌溉水為自來(lái)水，用電子秤(精度0.01 g)稱量每個(gè)滴頭的出水量，并計(jì)算流量.

圖1 壓力補(bǔ)償?shù)晤^結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of pressure compensation emitter structure

圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of test device

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)擬定具體參數(shù)見(jiàn)表1，表中物理量為硬度A、厚度T、流量系數(shù)k、流態(tài)指數(shù)x、起調(diào)壓力H0、補(bǔ)償區(qū)間Pr(采用補(bǔ)償范圍中最大壓力值與最小壓力值之差表示)、平均流量q，其中彈性片硬度按邵氏硬度計(jì)法測(cè)取，精度1 HA,厚度由厚度計(jì)測(cè)取，精度為0.01 mm.試驗(yàn)進(jìn)水口壓力值設(shè)置為20，40，…，300 kPa，共15個(gè)壓力水平.為保證試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)裝置運(yùn)行正常和處于穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)以20 kPa為極差，從20至300 kPa，每次測(cè)量前保持3 min后將量筒放置滴頭下方開(kāi)始測(cè)試.每次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)5 min,重復(fù)3次，取平均值.

表1 彈性片參數(shù)及水力性能指標(biāo)Tab.1 Elastic diagram parameters and hydraulic performance indicators

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 流態(tài)指數(shù)與流量系數(shù)

流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)是壓力補(bǔ)償式滴頭的重要衡量指標(biāo)，流量-壓力關(guān)系計(jì)算式為

q=khx，

(1)

式中：q為滴頭流量，L/h；x為流態(tài)指數(shù)；k為流量系數(shù)；h為工作壓力，kPa.

1.3.2 起調(diào)壓力與補(bǔ)償區(qū)間

壓力補(bǔ)償?shù)晤^開(kāi)始保持穩(wěn)定出流時(shí)的壓力為滴頭的起調(diào)壓力.當(dāng)壓力超過(guò)一定范圍后，流量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，起調(diào)壓力與這個(gè)壓力之間的范圍就是滴頭的補(bǔ)償區(qū)間.

2 結(jié)果與分析

2.1 彈性片硬度和厚度對(duì)滴頭流量的影響

圖3為彈性片硬度和厚度對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)晤^流量的影響.由圖可知，彈性片硬度和厚度對(duì)滴頭流量具有較為明顯的影響.在不同厚度下，4種硬度的流量-壓力曲線均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).在相同厚度下，滴頭流量隨著硬度增大而增大.在不同硬度下，4種厚度的流量-壓力曲線均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).在相同硬度下，滴頭流量隨著厚度增大而增大.由表1可以看出，硬度為40 HA、厚度為0.8 mm時(shí)，滴頭平均流量最小，q為2.70 L/h；硬度為70 HA、厚度為1.4 mm時(shí)，滴頭平均流量最大，q為4.84 L/h.

圖3 彈性片硬度和厚度對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)晤^流量的影響Fig.3 Infiuence of elastic diagram hardness and thickness on flow rate

2.2 彈性片硬度和厚度對(duì)滴頭水力性能的影響

圖4為彈性片硬度和厚度對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)晤^水力性能的影響.由圖4a可知，彈性片硬度和厚度對(duì)滴頭流量系數(shù)影響較明顯.在(40,60] HA，流量系數(shù)增長(zhǎng)較快；在(60,70] HA，緩慢減小.滴頭流量系數(shù)隨著彈性片厚度增大也增大.當(dāng)厚度為(0.8,1.0] mm，流量系數(shù)增長(zhǎng)較快；當(dāng)厚度為(1.0,1.4] mm，流量系數(shù)增加變緩.彈性片硬度為(60,70] HA，厚度為1.2和1.4 mm的曲線發(fā)生交叉現(xiàn)象，流量系數(shù)從6.898減小至6.810，故并非厚度和硬度同步越大，滴頭的流量系數(shù)越大.

由圖4b可知，彈性片硬度和厚度均對(duì)流態(tài)指數(shù)有很大的影響.隨著彈性片硬度和厚度的增大，壓力補(bǔ)償?shù)晤^流態(tài)指數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，不同硬度的彈性片存在最小流態(tài)指數(shù)的拐點(diǎn)厚度，從試驗(yàn)結(jié)果觀察，4個(gè)硬度下彈性片的拐點(diǎn)厚度均為1.2 mm.所有處理中厚度為1.2 mm、硬度為60 HA彈性片滴頭的流態(tài)指數(shù)最小，其值為0.078.

由圖4c可知,彈性片硬度和厚度越大，壓力補(bǔ)償?shù)晤^的起調(diào)壓力則會(huì)越大.當(dāng)彈性片厚度為0.8～1.2 mm，或者硬度為(40,60] HA時(shí)，起調(diào)壓力變化幅度小于10 kPa；當(dāng)厚度大于1.2 mm，或者硬度大于60 HA時(shí)，起調(diào)壓力的變化幅度明顯增大，部分變化幅度大于15 kPa，說(shuō)明彈性片厚度和硬度越大，硬度和厚度變化對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)晤^起調(diào)壓力變化的敏感性增強(qiáng)，反之則越低.

由圖4d可知,當(dāng)彈性片厚度為0.8～1.0 mm，彈性片硬度從40 HA增加到70 HA時(shí)，壓力補(bǔ)償?shù)晤^的補(bǔ)償區(qū)間呈遞增趨勢(shì)；厚度為0.8和1.0 mm時(shí)，滴頭的補(bǔ)償區(qū)間分別從112和124 kPa增加到166和170 kPa.不同處理中，彈性片厚度為1.4 mm、硬度為60 HA時(shí)補(bǔ)償區(qū)間最大.

圖4 彈性片硬度和厚度對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)晤^水力性能的影響Fig.4 Infiuence of elastic diagram hardness and thickness on hydraulic performance

2.3 彈性片特征參數(shù)與滴頭水力性能的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究彈性片特征參數(shù)與滴頭水力性能的關(guān)系，利用多元回歸的方法建立數(shù)學(xué)模型.一方面從定量角度研究其內(nèi)在關(guān)系；另一方面，可用于快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)滴頭的水力性能.采用SPSS軟件對(duì)表1中的16組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，回歸結(jié)果見(jiàn)表2.

表2列出了滴頭流量q、流態(tài)指數(shù)x、起調(diào)壓力H0、補(bǔ)償區(qū)間Pr的回歸系數(shù)及相應(yīng)的t檢驗(yàn)值及P值，由非標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)可得這4個(gè)物理量的回歸方程分別為

q=-0.441+0.046A+1.340T，

(2)

x=0.217-0.001A-0.040T，

(3)

H0=-41.588+1.218A+34.375T，

(4)

Pr=11.775+1.520A+56.250T.

(5)

表2 彈性片參數(shù)與水力性能的回歸系數(shù)及t檢驗(yàn)Tab.2 Regression coefficient and t test of elastic diaphragm parameters and hydraulic performance

由表2可知，影響水力性能指標(biāo)因素的重要程度從大到小依次為A和T,其中滴頭流量q、起調(diào)壓力H0和補(bǔ)償區(qū)間Pr均與A，T呈正相關(guān)關(guān)系，流態(tài)指數(shù)x與A，T呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.由t檢驗(yàn)可知，彈性片特征參數(shù)對(duì)滴頭流量q、流態(tài)指數(shù)x、起調(diào)壓力H0、補(bǔ)償區(qū)間Pr均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

為了驗(yàn)證回歸模型的可行性和準(zhǔn)確性，重新設(shè)計(jì)A為65 HA，T為1.1 mm的彈性片進(jìn)行驗(yàn)證.將該彈性片與試驗(yàn)滴頭組裝后進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，測(cè)得20～300 kPa工作壓力下的一系列流量值，繪制成圖5流量-壓力曲線.通過(guò)式(1)擬合數(shù)據(jù)，可得滴頭補(bǔ)償區(qū)平均流量為3.89 L/h、流態(tài)系數(shù)為0.108(取正數(shù))、起跳壓力為69 kPa、補(bǔ)償區(qū)間為180 kPa.將上述彈性片參數(shù)代入式(2)—(5)，得到平均流量為4.02 L/h、流態(tài)系數(shù)為0.112、起調(diào)壓力為72 kPa、補(bǔ)償區(qū)間為173 kPa.回歸模型得到的平均流量、流態(tài)系數(shù)、起調(diào)壓力、補(bǔ)償區(qū)間，與驗(yàn)證試驗(yàn)所測(cè)值的偏差分別為2.75%，3.57%，4.23%，4.04%，此回歸模型與試驗(yàn)值的偏差均小于5.00%，具有較高的準(zhǔn)確度，能較好地反映彈性片參數(shù)與水力性能之間的量化關(guān)系.

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)的流量-壓力曲線Fig.5 Pressure-flow curve of verification test

3 結(jié) 論

1) 彈性片硬度和厚度顯著影響滴頭流量(P≤0.01)，硬度對(duì)滴頭流量的影響大于厚度，可通過(guò)改變彈性片硬度和厚度，在一定范圍內(nèi)有效調(diào)整滴頭流量.試驗(yàn)中滴頭流量范圍為2.70～4.84 L/h.

2) 彈性片硬度和厚度耦合作用影響滴頭的流量系數(shù)、起調(diào)壓力、補(bǔ)償區(qū)間和流態(tài)指數(shù)，彈性片硬度對(duì)滴頭水力性能的影響大于厚度.當(dāng)?shù)晤^流道結(jié)構(gòu)確定時(shí)，有著適宜的彈性片硬度和厚度，使滴頭具有較低起調(diào)壓力、最小的流態(tài)指數(shù)和最大的補(bǔ)償區(qū)間.文中試驗(yàn)滴頭適合的彈性片硬度為60 HA，當(dāng)厚度為1.2 mm時(shí)，流態(tài)指數(shù)最小，為0.078.

3) 建立了彈性片厚度和硬度與滴頭流量、流態(tài)指數(shù)、起調(diào)壓力和補(bǔ)償區(qū)間的擬合關(guān)系，通過(guò)驗(yàn)證各評(píng)價(jià)指標(biāo)值偏差均小于5.00%，可為壓力補(bǔ)償?shù)晤^的快速開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo).