滴灌灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)與水力性能實驗研究

1、滴灌灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)與水力性能實驗研究2005年12月農(nóng)業(yè)機械第36卷第12期滴灌灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)與水力性能實驗研究魏正英唐一平趙萬華盧秉恒-R-【摘要】在對迷宮流道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取的基礎(chǔ)上,應(yīng)用快速成形制造技術(shù)制作一體化灌水器實驗原型,進行了灌水器水力性能實驗.應(yīng)用多元線性回歸擬合出了壓力一流量關(guān)系式和回歸曲線圖,提出以梯形單元為主特征的流量與結(jié)構(gòu)特征參數(shù)關(guān)系公式,通過實驗驗證了其可行性和準(zhǔn)確性,建立了此種流道流量一壓力一結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系.進一步分析了流道制造偏差對灌水器流量的影響,為迷宮型灌水器參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造中的精度控制提供了理論依據(jù).關(guān)鍵詞:滴灌灌水器迷宮流道特征參數(shù)水力性能回歸

2、分析中圖分類號:$275.6文獻標(biāo)識碼:AStructureandHydraulicPerformanceExperimentalResearchonLabyrinthChannelsofDripIrrigationEmittersWeiZhengyingTangYipingZhaoWanhuaLuBingheng(XianJiaotongUniversity)AbstractOnthebasisofpickingupthestructuralfeatureparametersoflabyrinthchannelsofdripirrigationemitters,thehydraulicspe

3、rformanceexperimentsonintegrallabyrinthemitterswereperformedinordertosummarizethedesignprincipleforlabyrinthchannels.Theintegrallabyrinthemittersweremadebymeansofutilizingrapidprototypingtechnique.Usingmultivariablelinearregression,formulasofpressureversusflowandregressionplotsfordifferentemitterswe

4、reinduced.Theformulasofflowversusstructuralfeatureparametersweresummarizedbasedonthetrapezoidunit,andthoseregressionformulaswereverifiedthroughexperiments.Therelationshipsamongflow,pressureandcrosssectiondimensionofthislabyrinthchannelwereestablished.Furthermore,theeffectofchannelfabricationerroront

5、heflowrateofemitterswasanalyzed,whichprovidedabasisforparameterizedstructuraldesignandprecisioncontrolinthefabricationofemitters.KeywordsDripirrigationemitter,Labyrinthchannels,Featureparameters,Hydraulicsperformance,Regressionanalysis引言迷宮型滴灌灌水器結(jié)構(gòu)精細復(fù)雜,迷宮流道對其水力性能影響較大,但目前尚無成熟的理論指導(dǎo)迷宮流道的設(shè)計,主要通過反復(fù)實驗驗證設(shè)計結(jié)

6、構(gòu)的合理性,這就制約了高性能灌水器流道的設(shè)計,不便于灌水器產(chǎn)品的系列化開發(fā).雷顯龍.總結(jié)了國內(nèi)外專家的研究成果:滴頭的水力性能由流道的形式,尺寸,材料等因素共同決定,局部水頭損失是流道耗能的主要形式,管道流態(tài)收稿日期:20040809*國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號:50275119)和國家”863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(項目編號:2002AA2Z4081)魏正英西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室副教授,710049西安市唐一平西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室教授博士生導(dǎo)師趙萬華西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室教授博士生導(dǎo)師盧秉恒西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工

7、程國家重點實驗室教授博士生導(dǎo)師農(nóng)業(yè)機械理論不能解釋小截面鋸齒形迷宮流道的水流現(xiàn)象.由于迷宮流道結(jié)構(gòu)形式很多,在此對典型的迷宮流道結(jié)構(gòu)進行特征參數(shù)提取,改變不同特征參數(shù),利用一體化灌水器流量實驗總結(jié)出灌水器性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,為灌水器的設(shè)計提供理論依據(jù).1迷宮型灌水器流道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)CAD1.1迷宮流道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取為了方便得出迷宮型灌水器流道結(jié)構(gòu)與其水力性能之間的關(guān)系,在此選擇在內(nèi)鑲滴片上常用典型的梯形迷宮流道為例.梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)形狀規(guī)整,結(jié)構(gòu)參數(shù)比較典型,可找出代表迷宮流道結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)進行提取.對梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)進行分析,首先將梯形流道單元作為特征單元,根據(jù)灌水器流量及抗堵設(shè)計要求,

8、主要控制的結(jié)構(gòu)參數(shù)為流道的過水截面積(流道寬度a流道深度6),依據(jù)實際應(yīng)用情況和簡化實驗分析取流道深度b一1ITlm,得到的梯形流道特征單元結(jié)構(gòu)如圖1所示.而迷宮流道是由個流道單元首尾相連組成,因此圖1梯形流道特征單元Fig.1Featureunitoftrapezoidchannel將流道寬度a與流道單元個數(shù)結(jié)合起來,作為限定灌水器流量的流道特征參數(shù),以期找出特征參數(shù)與流量的定量關(guān)系,用以指導(dǎo)灌水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計.如圖2為迷宮單元數(shù)/-/一12和24的梯形流道結(jié)構(gòu).【b)圖2梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)形式Fig.2Structureoftrapezoidlabyrinthchannel(a)一12(b)=

9、241.2迷宮型灌水器特征參數(shù)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計針對梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)流道的寬度a和流道單元數(shù)規(guī),取不同的參數(shù)值進行梯形迷宮流道CAD設(shè)計,制作一體化灌水器實驗樣件,進行灌水器水力性能實驗,以分析梯形迷宮灌水器流道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與其水力性能之間的關(guān)系.根據(jù)灌水器實際應(yīng)用情況,灌水器梯形迷宮型流道單元寬度特征參數(shù)a分別取0.8mm,1.0mm和1.2mm.針對相同流道寬度的灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計,其上分布的流道單元數(shù)分別取8,12,16,24,36,48等,形成根據(jù)不同流道寬度a,不同的流道單元數(shù)和排布方式的特征參數(shù)化梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計思想.基于此設(shè)計出圖3的實驗用灌水器流道結(jié)構(gòu)CAD模型.(a)(b)

10、圖3實驗用灌水器流道結(jié)構(gòu)CAD模型Fig.3CADmodelsofemitterchannelforexperiment(a)a=1.0mm,=36(b)a一1.0mm,=48為快速進行實驗,將灌水器與其外管一體化設(shè)計,應(yīng)用快速成形技術(shù)成形出每組25個的灌水器一體化實驗原型,可直接接入輸水管進行灌水器水力性能實驗43.圖4為成形出的特征參數(shù)a一1.0mm,一48的灌水器一體化實驗原型,標(biāo)記為:T一0816,T一0824,TO836,T一18,T一116,T一136,T一148,T一1216,T一1236等.其中T為梯形單元,1或O8為梯形單元流道寬度a,8,16,24,36,48為構(gòu)成流道的單

11、元個數(shù).為檢驗灌水器實驗件的精度,用VH一8000型顯微系統(tǒng)進行實驗流道尺寸測量,得到流道的尺寸誤差均小于5,符合灌水器國標(biāo)【5機械性能試驗和要求”的制造廠規(guī)定精度(5以內(nèi)),可見,基于RP技術(shù)的一體化灌水器原型可應(yīng)用于灌水器水力性能實驗中6.圖4口一1.0mm,n一48的灌水器一體化實驗原型Fig.4Integralexperimentprototypeofemitter2一體化灌水器水力性能實驗分析2.1一體化灌水器水力性能實驗平臺實驗方案參照農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭技術(shù)規(guī)范和試驗方法(GB/T171871997)Is3,灌水器一體化實驗原型的布局示意圖如圖5所示.一.薔_蕊:-?_簧.:-瞄1.

12、3m圖5試驗臺上一體化灌水器連接布局圖Fig.5Layoutofintegralemittersontestbench通過實際測試,在試驗所測量的壓力范圍(40150kPa)中,實驗臺壓力波動變化范圍小于2%,表第12期魏正英等:滴灌灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)與水力性能實驗研究明此實驗裝置具有良好的壓力穩(wěn)定性,為流量實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ).2.2灌水器壓力流量數(shù)據(jù)處理根據(jù)微灌灌水器國標(biāo)5,由灌水器水力性能實驗所測出的壓力流量數(shù)據(jù),擬合出各特征參數(shù)迷宮流道的壓力一流量關(guān)系式,其關(guān)系式不是線性的但卻是可線性化的.對灌水器壓力一流量關(guān)系式q一是H,兩邊取對數(shù),可表示為7lgq一lgkd+xlgH(1)式

13、中實驗流量是流量系數(shù)H實驗壓力壓力和流量的對數(shù)成線性關(guān)系,以式(1)作為回歸方程,根據(jù)不同壓力及其流量,按最小二乘法計算和k值,壓力和流量的相關(guān)系數(shù)為R.2lgHlgq一1,2lgH2lgq一ka=IO(E一gm(1g/-/gq)一lgHR-_=I2lg.一(2lg.).lIl一().l.(4)2.3灌水器結(jié)構(gòu)水力性能回歸分析灌水器的流量與壓力間的冪函數(shù)關(guān)系可線性化表示為式(1).令lgq,bolgkd,b1一lgH,可得y=b.+6.在求得Y的回歸方程和預(yù)測區(qū)間后,再按q=lgy的逆變換回原變量q,此時q的回歸方程為曲線回歸方程.數(shù)據(jù)回歸處理用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件完成,優(yōu)度檢驗判定系數(shù)Rsq

14、均接近于1,回歸曲線擬合程度很高,樣本回歸方程的代表性很強.相伴概率為零,小于0.05,拒絕零假設(shè),認為回歸方程中至少有一個因自變量的系數(shù)不為零,該回歸方程有意義.得到的迷宮流道灌水器的壓力流量關(guān)系如表1所示,其額定流量q為當(dāng)壓力為100kPa時,壓力一流量曲線上對應(yīng)的流量值.流態(tài)指數(shù)是反映灌水器流量隨壓力變化敏感程度的數(shù)值,對于非壓力補償式灌水器值越靠近0.5,流量對壓力敏感程度就越小g.從表1可看到所設(shè)計的灌水器流態(tài)指數(shù)均靠近0.5,其流量隨壓力的波動變化較小,可見梯形單元流道具有良好的水力性能.圖6為壓力一流量回歸曲線圖.可以看出,流道寬度a相同時,灌水器隨單元數(shù)增加,曲線越平緩,也就是

15、隨壓力波動流量變化較小,水力性能越好;相同單元數(shù)的梯形迷宮流道隨流道寬度越小,流量表1壓力流量關(guān)系Tab.1Relationshipbetweenpressureandflowrate灌水器類型q./L髓.h-1流數(shù)關(guān)系式如圖6壓力一流量回歸曲線圖Fig.6Regressioncurveofpressureandflowrate也就越小;減小流道尺寸引起的灌水器流量的變化比增加流道單元數(shù)所引起的流量的變化幅度要大.這就為以后設(shè)計不同流量的灌水器結(jié)構(gòu)提供了參考,若想獲得流量明顯不同的灌水器,可以通過改變流道寬度尺寸實現(xiàn).3迷宮流道特征參數(shù)與流量關(guān)系公式回歸3.1流道單元數(shù)與流量Q的關(guān)系公式建立與

16、實驗檢驗從表1的分析可看出:當(dāng)流道截面寬度a一定時,流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)隨著流道單元數(shù)的改變而改變,結(jié)合公式(1)以及由SPSS回歸得出的流量系數(shù)k和流態(tài)指數(shù),設(shè)定單元數(shù)()與流量系數(shù)(是)和流態(tài)指數(shù)()的多項式分別為k一廠()一a0+a1+a2n+a3n.(5)g()一b0+bin+b2n+b3n.(6)農(nóng)業(yè)機械式中,no,n1,n2,n3和bo,b1,b2,b3為待定系數(shù).利用SPSS軟件的多項式回歸計算方法分別計算出待定系數(shù),將k和代回流量壓力公式,即可得到流道單元數(shù)與流量Q,壓力H之間的經(jīng)驗公式.這樣建立的灌水器單元數(shù)與流量Q,壓力H之間的計算關(guān)系公式為Qf(n)H(7)所回歸出的迷宮型

17、灌水器QH一關(guān)系公式,按流道寬度日分別為0.8mm,1.0mm和1.2mm,則為Q=(0.92590.0697n+0.0026n一3.010)?H.5n-0,001ln2+1.3><10(n:1)(0.1710.7908n+0.0312n一1.010.)?H.?.+.?467n-0,.+.8n3(n:0.8)(0.4796-0.0026一5.010一)?H.-.9n-3,010(a=1.2)為了檢驗上述灌水器QH一公式(8)的準(zhǔn)確性和可行性,在此設(shè)計了流道單元數(shù)一20,寬度n一1.0mm的梯形迷宮灌水器,制作了一體化灌水器(T一120),按照灌水器水力性能試驗條件測出了在各個壓力點

18、下的流量值,并擬合出其壓力一流量回歸公式為q一0.3589H.?.根據(jù)上面壓力一流量一單元數(shù)回歸公式可分別推算出40150kPa下12個壓力點的流量,用圖表示可得如圖7所示的對比曲線.從圖中可看到兩種方法之間的偏差,QH一公式的計算值雖有逐漸增大的趨勢,但整體一致性較好.其中極限值在兩端,試驗條件如下:h,一4m,Q一2.3508L/h;h,一15m,圖7T一120的實驗和計算對比曲線圖Fig.7ContrastcurveofexperimentandcomputationQ一4.6099L/h.而對應(yīng)于用回歸公式計算出的值為:h,一4m,Q一2.3946L/h;h,一15m,Q一4.7759

19、L/h.從圖中可看到兩條曲線有相同的趨勢,雖然隨著壓力H的提高兩曲線之間的誤差有所增大,但實際使用壓力范圍小于100kPa,因此,采用回歸的QH一公式對灌水器設(shè)計具有一定的使用價值.一0.0184rain07?04一Aql50.03615m050ax一?015其流量誤差量均小于4,說明所回歸出的灌水器QH一關(guān)系公式(8)具有良好的可行性和準(zhǔn)確性,可用于梯形迷宮灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計中,從而為滴灌灌水器的參數(shù)化軟件提供結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù).3.2梯形流道寬度n與流量Q的關(guān)系公式回歸與分析從前面的數(shù)據(jù)對比分析可看出:梯形迷宮流道的另一特征參數(shù)流道寬度n對流量的影響比單元數(shù)的改變對流量的影響更大.對流道截面尺寸n和

20、流量Q,壓力H的關(guān)系式進行回歸,過程同3.1節(jié).得出流道寬度與壓力流量的關(guān)系公式為Q一(0.45730.5677a+0.455la.)?一.?.?.8a-O,2704aa(一16)(一0.7019+1.2916a一0.2646a0)?(9)H.-.-6a-O.0146aa(一24)(一2.40143.915la一1.14a0)?H?.6-2.la+1662aa(一36)回歸出的迷宮流道流量壓力一寬度(QHn)關(guān)系式(9),不但可為迷宮流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù),而且通過式(9).-j-以得出流道結(jié)構(gòu)尺寸的變化對灌水器流量的影響,這樣可預(yù)測灌水器流道制造偏差對流量的影響程度,從而為灌水器的設(shè)計制

21、造精度控制提供依據(jù).圖8給出100kPa壓力下3種流道由于制造偏差A(yù)a(ram)變化而引起的流量變化AQ(L/h)曲線.當(dāng)單元數(shù)相同,隨著壓力的增大,由于制造偏差而引起的流量偏差是逐漸增大的,變化曲線趨于平緩;而流道截面寬度越大制造偏差n所引起的流量偏差越小.按照GB/T171871997,流量偏差小于5為制造偏差fmm圖8制造偏差一流量偏差變化曲線Fig.8Variationalcurveofmanufacturingerrorsandflowrate第12期魏正英等:滴灌灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)與水力性能實驗研究A級(優(yōu)等品),流量偏差小于10%為B級(合格品).表2給出合格與優(yōu)等的梯形流道灌水

22、器臨界制造偏差值.表2合格與優(yōu)等梯形迷宮流道灌水器臨界制造偏差值Tab.2Criticalmanufacturingerrorsofacceptableandexcellentemitters對于T一0816梯形流道灌水器,當(dāng)制造偏差為0.025mm時,流量偏差近似等于5%;制造偏差為0.048mm時,流量偏差近似等于10%;故偏差在0.025mm以內(nèi)為優(yōu)等品,在0.048mm以內(nèi)才能保證合格.而對于T一1016梯形流道灌水器,當(dāng)制造偏差達到0,032mm,流量偏差才等于5%;制造偏差為0.07mm時,流量偏差為10%;對T一1216梯形流道灌水器制造偏差甚至達到0.2mm時,流量偏差才接近5

23、.由此可見,對于不同流道寬度的灌水器,隨著流道寬度的增加,制造偏差對流量偏差的影響減小.對于T一0816,T一0824,T一0836三種灌水器,灌水器質(zhì)量達到優(yōu)等及合格的制造偏差值分別為:0.025mm,0.01mm,0.004mm以及0.048mm,0.025mm,0.013mm.由此可見,對于相同流道寬度,不同流道單元數(shù)的梯形迷宮灌水器,隨著單元數(shù)的增加,其加工精度要求越高.因此針對灌水器使用要求,通過控制其設(shè)計精度和模具制造精度來保證灌水器的精度.4結(jié)論(1)針對典型的梯形迷宮灌水器流道結(jié)構(gòu),提取迷宮流道的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進行灌水器特征參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)用一體化灌水器水力性能實驗平臺可進行其水力性能實驗研究.利用多元線性回歸分析可以得出:流道單元數(shù)越多或單元尺寸越小,壓力流量曲線越平緩,即流量均勻,受