專利名稱：一種紊流抗堵塞灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，涉及滴灌技術(shù)，特別涉及一種紊流抗堵塞灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
滴灌是一種先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，與其它灌水技術(shù)相比，滴灌技術(shù)適用面廣、灌水均勻，具有顯著的節(jié)水和增產(chǎn)效益；同時在一定條件下滴灌可以利用劣質(zhì)水資源(微咸水)灌溉，因此，滴灌技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。近半個多世紀(jì)以來，滴灌設(shè)備得到了快速發(fā)展和完善，滴灌技術(shù)也得到了迅速推廣。盡管滴灌技術(shù)本身已經(jīng)比較完善，但滴灌系統(tǒng)目前還存在以下不足灌水器易于堵塞；系統(tǒng)造價昂貴；可能引起局部鹽分積累以及限制根系的發(fā)展等。在這些問題當(dāng)中，灌水器的堵塞是影響灌水質(zhì)量、系統(tǒng)使用壽命和造價的一個重要原因，在很大程度上制約滴灌技術(shù)的推廣和應(yīng)用。灌水器的堵塞常造成灌水均勻度降低，灌水質(zhì)量差等，嚴(yán)重時會使整個系統(tǒng)無法正常工作。引起堵塞的主要原因有物理因素、生物因素或化學(xué)因素。如水中的泥沙、有機(jī)物質(zhì)、微生物以及化學(xué)沉凝物等。
在解決滴灌灌水器的抗堵塞方面，主要有以下途徑1、加強(qiáng)首部過濾，提高灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2、灌水器的流道采用迷宮式設(shè)計(jì)或擴(kuò)大流道斷面設(shè)計(jì)，提高抗堵塞性能；3、改變系統(tǒng)的工作方式，實(shí)現(xiàn)自沖洗。上述方法對解決灌水器的堵塞問題發(fā)揮了一定的作用，但是灌水器的堵塞仍然存在。堵塞是滴灌技術(shù)中尚未完全解決的核心問題，一直制約滴灌技術(shù)發(fā)展和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對滴灌灌水器流道中微小固體顆粒淤積和附著所引起的堵塞問題，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種能夠使滴灌器的水流產(chǎn)生擾動和渦流，消除淤積和堵塞的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取的技術(shù)解決方案是，一種紊流抗堵塞灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，將灌水器流道分為若干個單元，每個單元由一個弧形曲面構(gòu)成流道一側(cè)，流道兩側(cè)是采用反向錯位排列的弧形曲面構(gòu)成，弧形曲面均向流道中心彎曲；該弧形曲面分為兩部分組成，其前半部分是曲率較小的曲面，后半部分是曲率較大的曲面，兩部分曲面自然過渡相貫連接，弧形曲面的末端方向垂直于流道另一側(cè)的曲面；前一個單元的曲率較大的曲面與后一個單元曲率較小的曲面相切成尖角狀；同時流道兩側(cè)的弧形曲面錯位排列，即一側(cè)的曲率較小曲面與另一側(cè)曲率較大的曲面相對應(yīng)，保證流道斷面面積的一致性。
采用本發(fā)明的該設(shè)計(jì)方法得到的灌水器流道全為流線型弧線組成，消除了邊角的零速度區(qū)，從而避免了細(xì)小顆粒沉淀；水流在通過流道時，可自動形成擾動和渦流，反復(fù)改變水流方向，強(qiáng)化了水流的回旋擾動，提高了沖刷能力，對于附著在流道壁上的雜物具有沖刷作用；具有較好的消能效果，在相同的壓力下，有利于減少流道單元數(shù)，減小灌水器的結(jié)構(gòu)尺寸。


圖1是本發(fā)明的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀示意圖；圖2是圖1的一個流道單元圖。圖中的符號分別表示1、進(jìn)水口；2、渦流曲面，3、導(dǎo)流面，4、渦流面，5、出水口。
以下結(jié)合附圖和原理以及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
依照上述技術(shù)方案，利用本發(fā)明的方法進(jìn)行滴頭流道設(shè)計(jì)時，要求流道每一個單元(見圖1)的兩側(cè)邊界均采用反向布設(shè)的、近似于渦流曲面的弧形(約為180°)曲面。
本實(shí)施例以圓弧形曲面為例，由于圓弧形曲面(以下簡稱曲面)在設(shè)計(jì)和制造過程相對簡單，非常容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，其它形狀的曲面按照上述技術(shù)方案設(shè)置也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的。
弧形曲面由兩部分即導(dǎo)流面3和渦流面4，其曲面自然過渡相貫連接形成渦流曲面2，其前半部分曲率較小(導(dǎo)流面3圓弧半徑較大)，其作用主要是導(dǎo)流；后半部分曲率較大(渦流面4圓弧半徑較小)，其主要作用是迅速改變流速方向，同時末端具有挑流的作用；前一個單元的大曲率曲面與后一個單元的小曲率曲面相切，形成尖角狀。整個曲面的曲率由小變大，曲面末端的切線方向近似垂直于另一測的曲面，當(dāng)流速較大時，在慣性力的作用下，水流將會向前直沖，并在流道內(nèi)產(chǎn)生較為劇烈的撞擊和擾動。同時在尖角的下游將形成低壓區(qū)而產(chǎn)生渦流。由于上游水流的強(qiáng)烈擾動和擾動波的傳播以及水流推進(jìn)，渦流將始終處在被擾動和被破壞之中，從而避免了泥沙顆粒在渦流中心的沉積，也避免了灌水器流道的堵塞。當(dāng)流速較為緩慢時，水流在兩邊弧形曲面的約束和導(dǎo)引下，會不停的改變流線方向，參雜局部的水流擾動沿流道前進(jìn)，由于邊界相對光滑，沒有死角，所以不會形成零速度水流區(qū)域，也就減少了淤積。
兩側(cè)的曲面錯位布設(shè)，即一側(cè)小曲率的曲面對另一測的大曲率曲面，一方面可保證流道斷面面積的基本一致，另一方面可以實(shí)現(xiàn)流速方向的改變，達(dá)到強(qiáng)化擾動水流的目的。一般情況下，灌水器流道是由多個單元組成。
參見圖2，根據(jù)不同的需求，灌水器的流道可有若干個小單元組成。如前面所述，流道兩側(cè)是由兩個反向(弧面均向流道中心彎曲)錯位排列的弧形曲面(渦流曲面2)構(gòu)成，而渦流曲面2則是由兩段曲率不同的曲面組成，前半部分為曲率較小的導(dǎo)流面3，后半部分為曲率較大的渦流面4。由于流道兩側(cè)的弧形曲面錯位排列，所以一側(cè)的導(dǎo)流面3與另一測的渦流面4相對應(yīng)。
當(dāng)?shù)喂喙嗨鞴ぷ鲿r，水流從流道入口1進(jìn)入流道，在兩側(cè)曲面的約束下向前推進(jìn)，導(dǎo)流面3的曲面半徑較大，曲率較小，靠近導(dǎo)流面3的水流流線方向變化較為緩慢，由于導(dǎo)流面3的首端曲面方向與流道入口接近于垂直，所以水流進(jìn)入流道后，在導(dǎo)流面3的首端后面會形成一個壓力相對較低的低壓區(qū)。渦流面4的曲面半徑較小，曲率較大，曲面末端的方向近似垂直于另一側(cè)的導(dǎo)流面3。沿渦流面4前進(jìn)的水流流線方向?qū)⒓眲∞D(zhuǎn)向，在慣性和渦流面4的挑流作用下，幾乎垂直向?qū)Я髅?流去，與沿導(dǎo)流面3前進(jìn)的水流發(fā)生擠壓和碰撞，同時受到導(dǎo)流面3的阻擋，水流在此將發(fā)生擾動和局部混參，其主流在后面水流的推動下，又迅速改變流線方向，沿著導(dǎo)流面3繼續(xù)向渦流面4推進(jìn)。使得原來沿導(dǎo)流面3流過來的水流流速減緩，導(dǎo)流面3首端附近的低壓區(qū)將引發(fā)局部出現(xiàn)渦流，并在擾動過程中混參到后來的水流中向前流動。由于水流壓向了一側(cè)，所以在另一測尖角的下游(原渦流面4后另一個單元的弧形導(dǎo)流面3首端附近)又形成了一個低壓區(qū)，接下來將重復(fù)前面的過程。水流在流道內(nèi)流動的整個過程中，始終處于擾動、混參和渦流狀態(tài)，其流態(tài)將以紊流為主，并且水流壓力越大，流速越快，擾動和混參越劇烈，水流中的固體細(xì)小顆粒很難產(chǎn)生沉淀，同時劇烈的擾動、紊流和混參運(yùn)動有助于沖刷流道內(nèi)部的淤積物和附著物，因此這種流道設(shè)計(jì)方法可以大大減少流道的堵塞，從而實(shí)現(xiàn)了滴灌灌水器的自沖洗防堵塞功能。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，帶來以下技術(shù)效果1、流道由可產(chǎn)生渦流的光滑曲面組成，盡管存在粘滯底層的影響，但是由于流道兩側(cè)邊界為流線型光滑曲面，在主流的拖動下和渦流的擾動下，流道內(nèi)幾乎不存在零速度區(qū)，消除了產(chǎn)生淤積的前提條件，所以，在同等條件下淤積量會大大減少；2、兩側(cè)的弧形曲面錯位布置，既可以保證流道斷面大小基本一致，也可以增大水流擾動的強(qiáng)度和頻率，增強(qiáng)沖刷淤積的能力，防止淤積的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種紊流抗堵塞灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，將灌水器流道分為若干個單元，每個單元由一個弧形曲面構(gòu)成流道一側(cè)，流道兩側(cè)是采用反向錯位排列的弧形曲面構(gòu)成，弧形曲面均向流道中心彎曲；該弧形曲面分為兩部分組成，其前半部分是曲率較小的曲面，后半部分是曲率較大的曲面，兩部分曲面自然過渡相貫連接，弧形曲面的末端方向垂直于流道另一側(cè)的曲面；前一個單元的曲率較大的曲面與后一個單元曲率較小的曲面相切成尖角狀；同時流道兩側(cè)的弧形曲面錯位排列，即一側(cè)的曲率較小曲面與另一側(cè)曲率較大的曲面相對應(yīng)，保證流道斷面面積的一致性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紊流抗堵塞灌水器流道設(shè)計(jì)方法。該方法基于水力學(xué)中的擾動流和渦流理論而提出，流道單元側(cè)面采用具有渦流曲面特征的弧形曲面，兩側(cè)反向錯位排列。采用這種方法進(jìn)行滴灌灌水器的流道設(shè)計(jì)，一方面使得流道的兩側(cè)為光滑曲面，具有流線形結(jié)構(gòu)，消除了邊角的零速度區(qū)，避免了細(xì)小顆粒的沉淀；另一方面水流在通過流道時，可自動形成擾動和渦流，避免了泥沙顆粒的沉積，而且對于附著在流道壁上的雜物具有沖刷作用。反復(fù)改變水流方向，自動產(chǎn)生回旋擾動，不僅具有很好的沖淤效果，而且具有很好的消能效果，從而提高了滴灌灌水器流到的自沖洗抗堵塞性能。
文檔編號A01G25/02GK1636437SQ20041007336
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者范興科, 吳普特, 劉雪芹, 牛文全, 馮浩, 汪有科, 高建恩 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué), 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心