T-SDMT 0023-2024 壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭設(shè)計方法

ICS65.060.CCSB91DesignmethodofpressurecompensationcylindricalemitterIT/SDMT0023—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別這些專利的責(zé)任。本文件由山東省機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)協(xié)會提出并歸口。本文件起草單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院、山東春雨節(jié)水灌溉設(shè)備有限公司。本文件主要起草人：杜婭丹、牛文全、董愛紅、李震、張亮。1T/SDMT0023—2024壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭設(shè)計方法本文件規(guī)定了壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭的術(shù)語和定義、標(biāo)記、技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計和評價指標(biāo)。本文件適用于壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭的設(shè)計、試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T19812.2—2017塑料節(jié)水灌溉器材第2部分：壓力補(bǔ)償式滴頭及滴灌管GB/T19812.5—2019塑料節(jié)水灌溉器材第5部分：地埋式滴灌管SL571—2013節(jié)水灌溉設(shè)備水力基本參數(shù)測試方法3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭pressurecompensationcylindricalemitter將滴頭直接內(nèi)鑲在毛管內(nèi)壁的一體化滴灌管，且具有壓力補(bǔ)償特征的圓柱滴頭。壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭由迷宮流道、壓力補(bǔ)償腔和彈性片構(gòu)成，迷宮流道一般為鋸齒狀的曲折流道，壓力補(bǔ)償腔內(nèi)有凸臺和副流道結(jié)構(gòu)，彈性片結(jié)構(gòu)由補(bǔ)償腔形狀和尺寸決定，硬度和厚度可以改變。3.2壓力補(bǔ)償特征pressurecompensationcharacteristics進(jìn)水口壓力在制造廠規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，滴頭流量隨壓力變化波動較小且趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)，滴頭流量偏差Qf最大不應(yīng)大于7%。Qf=×100%（1）Q——補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)的最大或者最小流量：L/h；Q0——額定流量：L/h。3.3流態(tài)指數(shù)flowindex反映滴頭流量隨壓力變化的敏感性，體現(xiàn)滴灌產(chǎn)品的流態(tài)特征及流量與壓力的關(guān)系，流態(tài)指數(shù)為0～1（絕對值流態(tài)指數(shù)越大，滴頭流量對壓力的變化越敏感。當(dāng)流態(tài)指數(shù)為0時，為完全補(bǔ)償?shù)晤^，當(dāng)流態(tài)指數(shù)小于0.5時，為強(qiáng)制紊流滴頭。3.42T/SDMT0023—2024起調(diào)壓力startingpressure將流量明顯出現(xiàn)拐點(diǎn)時的壓力作為壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭的起調(diào)壓力，一般不應(yīng)大于100kPa。3.5補(bǔ)償區(qū)間compensationinterval當(dāng)壓力超過某一壓力后，按照式（1）計算該壓力下壓力補(bǔ)償式扁平滴頭的流量偏差超過20%時，起調(diào)壓力與該壓力之間的范圍定義為滴頭的補(bǔ)償區(qū)間。3.6CFD仿真模擬ComputationalFluidDynamicsCFD是一種模擬仿真技術(shù)，利用計算機(jī)求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)，這其中將涉及流體力學(xué)(尤其是湍流力學(xué))、計算方法乃至計算機(jī)圖形處理等技術(shù)。包括ANSYSFluent、cfx、STAR-CCM、comsol、OpenFOAM、Phoenics等。4標(biāo)記每個壓力補(bǔ)償式紐扣滴頭應(yīng)有清晰耐久的標(biāo)記，至少應(yīng)包括下列：——額定流量：L/h；——壓力補(bǔ)償范圍，工作壓力除以100kPa得到的倍數(shù)值。5技術(shù)要求5.1材料制造滴頭（含彈性膜片）所用的材料應(yīng)能耐受農(nóng)業(yè)灌溉用肥料和農(nóng)藥的腐蝕，并能在水溫不超過45℃的條件下使用。應(yīng)耐紫外線輻射，并能抑制藻類和細(xì)菌的生長。不能使用醫(yī)用廢棄物和有毒有害的化學(xué)品包裝物所產(chǎn)生的回收料。5.2外觀滴頭色澤應(yīng)均勻一致，表面光滑無毛刺，不應(yīng)有氣泡、裂口、溢邊、缺損、變形。滴頭應(yīng)安裝準(zhǔn)確、鑲嵌牢固、平整，不應(yīng)有滴頭漏嵌、翹曲及鑲嵌不到位的缺陷。5.3尺寸5.3.1規(guī)格尺寸及其極限偏差a）滴灌帶的公稱外徑及其極限偏差應(yīng)符合表1規(guī)定。表1滴灌帶公稱外徑及其極限偏差單位為毫米0b）滴灌帶的公稱壁厚及其極限偏差應(yīng)符合表2規(guī)定。表2滴灌帶公稱壁厚及其極限偏差單位為毫米~0.03~0.05~0.06~0.105.3.2滴頭間距偏差率滴灌帶滴頭間距偏差率應(yīng)在±5%的范圍內(nèi)。5.3.3每卷段數(shù)、每段長度及每卷長度偏差率a）每卷段數(shù)、每段長度及每卷長度偏差率應(yīng)符合表3規(guī)定。3T/SDMT0023—2024表3每卷段數(shù)、每段長度及每卷長度偏差率>1000mmb）一般情況下，卷中的接頭應(yīng)接通，未接通時應(yīng)有明顯標(biāo)識。5.4耐拉拔性能滴頭應(yīng)能承受規(guī)定的荷載，滴頭與PE管連接的組合體在試驗(yàn)拉力下應(yīng)不出現(xiàn)裂紋且不脫離。滴灌管試樣在23℃±2℃的試驗(yàn)溫度下，應(yīng)能承受規(guī)定的載荷而不出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，試驗(yàn)前后標(biāo)線間距的變化量應(yīng)不大于5%，試驗(yàn)前后流量偏差率應(yīng)在±5%的范圍內(nèi)。5.5耐水壓性能滴頭與管道連接的組合體應(yīng)能承受2倍的額定工作壓力，保持該壓力1h，試樣不應(yīng)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。試驗(yàn)前后每個滴頭的流量偏差率應(yīng)在±7%的范圍內(nèi)。5.6流量均勻性額定工作壓力下，滴頭的平均流量相對于額定流量的偏差和流量偏差系數(shù)應(yīng)不大于7%。5.7滴頭流量與進(jìn)水口壓力關(guān)系5.7.1壓力與流量關(guān)系曲線壓力補(bǔ)償范圍內(nèi)，流量與進(jìn)水口壓力關(guān)系曲線應(yīng)與設(shè)計值一致，二者流量的最大偏差應(yīng)不大于7%。5.7.2流態(tài)指數(shù)滴頭流態(tài)指數(shù)應(yīng)在±0.20mm范圍內(nèi)。流態(tài)指數(shù)實(shí)測值與設(shè)計值的偏差應(yīng)不大于15%。5.7.3壓力補(bǔ)償區(qū)間壓力補(bǔ)償范圍內(nèi)最大與最小工作壓力值得差值應(yīng)不小于150kPa。6結(jié)構(gòu)設(shè)計6.1壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭結(jié)構(gòu)壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。1為迷宮流道，2為出水口，3為壓力補(bǔ)償腔進(jìn)水口，4為壓蓋，5為彈性片，6為壓力補(bǔ)償腔，7為副流道，8為凸臺。圖中L表示壓力補(bǔ)償腔長度，W表示壓力補(bǔ)償腔寬度，w表示副流道寬度。壓力補(bǔ)償?shù)晤^由外殼、彈性片和滴頭主體構(gòu)成，滴頭主體上有迷宮流道、壓力補(bǔ)償腔、凸臺、副流道和出水口等，迷宮流道結(jié)構(gòu)和壓力補(bǔ)償腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中a表示迷宮流道深度，b表示迷宮流道寬度，θ表示齒夾腳，n表示迷宮流道單元個數(shù)，H表示壓力補(bǔ)償腔高度，h表示副流道深度，m表示凸臺高度，d1表示凸臺直徑，d2表示出水口直徑，d3表示壓力補(bǔ)償腔進(jìn)水口直徑。(a)滴頭正面(b)滴頭背面(c)壓力補(bǔ)償腔4T/SDMT0023—2024圖1壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭結(jié)構(gòu)示意圖(a)迷宮流道結(jié)構(gòu)(b)壓力補(bǔ)償腔結(jié)構(gòu)圖2壓力補(bǔ)償?shù)晤^二維結(jié)構(gòu)示意圖6.2壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭外形尺寸的確定由用戶給定所需要設(shè)計滴頭的外形尺寸，包括長度、外徑。對于特殊要求的，在盡量滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，先試算確定流道結(jié)構(gòu)布置的可行性。壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭外徑一般為16mm±0.15mm，長度為30mm～40mm。6.3設(shè)計流量、起調(diào)壓力和補(bǔ)償區(qū)間由用戶給定所需的滴頭流量（設(shè)計流量）、起調(diào)壓力及補(bǔ)償區(qū)間。如果外形尺寸和滴頭流量無法同時滿足，建議用戶調(diào)整滴頭長度或者設(shè)計流量。一般滴頭設(shè)計流量取值為1.6L/h～4.0L/h，起調(diào)壓力在20kPa～100kPa之間，補(bǔ)償區(qū)間應(yīng)為150kPa～250kPa。6.4迷宮流道結(jié)構(gòu)的確定6.4.1迷宮流道長度的確定設(shè)計時根據(jù)滴頭的外形尺寸和設(shè)計流量優(yōu)先確定迷宮流道的長度，迷宮流道長度一般為30mm~40mm。6.4.2迷宮流道齒形確定如果用戶沒有特別要求，迷宮流道齒形狀一般選擇三角形齒，齒尖角在30°~38°范圍內(nèi)選擇，齒高在0.2mm～0.8mm之間選擇，齒數(shù)為26個～37個。6.4.3流道斷面面積確定斷面面積一般在0.5mm2～1.0mm2之間選擇確定，通過調(diào)整齒間距確定流道寬度，并與流道深度共同確定流道斷面面積，流道寬度和深度的比盡可能接近，應(yīng)為0.9～1.5。6.4.4迷宮流道結(jié)構(gòu)的確定和試算在迷宮流道長度、齒形狀、斷面積確定后，即確定了初始的迷宮流道，將彈性體假定為剛體，采用CFD模擬計算確定該結(jié)構(gòu)迷宮流道的在起調(diào)壓力下的流量是否為設(shè)計流量的105%～110%。試算的流量與設(shè)計流量偏差不大于3%時，即為合格，固定迷宮流道結(jié)構(gòu)。如果試算的流量小于設(shè)計流量，則優(yōu)先增大斷面面積或者單純增加流道深度，如果試算的流量大于設(shè)計流量，則優(yōu)先減小斷面面積或者單純減小流道深度（不建議調(diào)整迷宮流道的其他結(jié)構(gòu)然后再試算，通過多次調(diào)整—試算，直到流道達(dá)標(biāo)為止。6.5凸臺高度的確定凸臺高度應(yīng)保證進(jìn)口壓力達(dá)到起調(diào)壓力時，彈性片的變形已經(jīng)接觸凸臺并開始變形進(jìn)入副流道，即壓力補(bǔ)償?shù)晤^的流量曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)并開始趨于穩(wěn)定。壓力補(bǔ)償?shù)晤^凸臺高度取值一般為0.3mm~0.5mm。5T/SDMT0023—20246.6彈性體硬度與厚度的確定彈性材料厚度一般在0.5mm～0.8mm之間選擇確定。彈性材料硬度一般在（25～60）邵氏硬度之間選擇確定。初步給出彈性材料硬度和厚度后，與確定的迷宮流道進(jìn)行CFD流固耦合計算，分別計算從起調(diào)壓力開始，每隔10kPa的壓力間隔，分別計算整個設(shè)定的補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)的滴頭流量。如果實(shí)際計算確定的起調(diào)壓力太大或者補(bǔ)償區(qū)間太小，優(yōu)先調(diào)整彈性材料的硬度，建議每次調(diào)整幅度為5邵氏硬度，并進(jìn)行CFD流固耦合計算，通過反復(fù)調(diào)整—試算，實(shí)際起調(diào)壓力不高于給定值的105%，且實(shí)際補(bǔ)償區(qū)間與給定值的偏差不大于5%時，即認(rèn)為合格。6.7副流道結(jié)構(gòu)的確定壓力補(bǔ)償式圓柱滴頭的副流道結(jié)構(gòu)由深度和寬度組成，深度一般為0.1mm～0.25mm，寬度一般為0.4mm～0.7mm。每次調(diào)整幅度為0.05mm，反復(fù)調(diào)整，并進(jìn)行CFD流固耦合計算，求解流態(tài)指數(shù)，直到補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)的流態(tài)指數(shù)不大于0.20，推薦設(shè)計要求達(dá)到0.03及以下為止。副流道深度和寬度在0.1mm～0.7mm之間調(diào)整，每次調(diào)整幅度為0.05mm。反復(fù)調(diào)整，并進(jìn)行CFD流固耦合計算，求解流態(tài)指數(shù)，直到達(dá)標(biāo)為止。6.8CFD數(shù)值模擬6.8.1滴頭內(nèi)部流體與結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建壓力補(bǔ)償式扁平滴頭流體—結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用三維設(shè)計軟件建立滴頭流體幾何模型和彈性體幾何模型；將模型導(dǎo)入相關(guān)軟件中進(jìn)行模擬分析計算。6.8.2模型、邊界條件和基本參數(shù)的確定將流體視為不可壓縮粘性流體，彈性體選用Neo-HookeanM-R橡膠材料模型，確定泊松比、密度、彈性模量等，材料系數(shù)C1等于剪切模量的一半，C2等于零。選用SSTk-ω湍流模型，采用非定常的壓力速度耦合SIMPLEC算法。應(yīng)用Transientstructure軟件模擬彈性體的變形；采用Systemcoupling軟件創(chuàng)建流體區(qū)域和結(jié)構(gòu)區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸，位移和力的雙收斂精度為0.01。6.8.3網(wǎng)格劃分CFD計算采用Fluentmesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，以保證計算精度及適當(dāng)?shù)挠嬎銜r間。采用Transientstructuremesh對彈性體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，彈性片與流體接觸面的網(wǎng)格尺寸與流體域網(wǎng)格尺寸一致，以保證流固耦合交界面數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性。網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為0.15mm。對于迷宮流道轉(zhuǎn)角、凸臺上小槽等狹小的幾何結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法對其局部細(xì)化，此外在劃分網(wǎng)格時開啟曲率捕捉和狹縫捕捉，適當(dāng)減小網(wǎng)格生成的增長率，以使得劃分的網(wǎng)格過度自然，保證網(wǎng)格具有較好的質(zhì)量。6.8.4進(jìn)出口設(shè)定將流體入口設(shè)置為壓力入口，采用逐步增量加載方式，加載量由時間步長的函數(shù)和步數(shù)綜合控制，流體出口設(shè)置為大氣壓。6.8.5數(shù)據(jù)傳輸設(shè)定流體與彈性片的接觸面設(shè)為流固耦合面，其余流體邊界均為壁面；在流固耦合面與流體壁面之間設(shè)置一定的接觸間隙，使流體域最下面一層網(wǎng)格連續(xù)，以保證流體域網(wǎng)格變形過程中數(shù)值正常傳遞。6.8.6其他設(shè)定結(jié)構(gòu)分析中在彈性片上表面設(shè)置壓力荷載，壓力值與流體入口壓力值相同，采用逐步增量的方式加載。在彈性片下表面邊緣設(shè)置固定約束。彈性片與壓力補(bǔ)償腔流體接觸面設(shè)為流固耦合面；彈性片下表面與壁面設(shè)置為接觸約束，兩面之間設(shè)置容差偏移量，偏移量與流體接觸間隙應(yīng)保持一致。在凸臺底面添加固定約束，在分析設(shè)置中開啟大變形LargeDeflection。7評價指標(biāo)7.1流態(tài)指數(shù)6T/SDMT0023—2024將試驗(yàn)所得多組流量與壓力數(shù)值進(jìn)行回歸計算，求得流量常數(shù)k、滴頭流態(tài)指數(shù)： q——平均流量：L/h；k—— q——平均流量：L/h；k——流量常數(shù)；p——工作壓力：kPa；m——滴頭流態(tài)指數(shù)。i——1,23,…,n； n——試驗(yàn)中采用壓力點(diǎn)的個數(shù)； q——試樣在第i個壓力點(diǎn)的平均流量：L/h；p——滴頭進(jìn)水口工作壓力：kPa。7.2流量均勻性試驗(yàn)7.2.1試樣和方法隨機(jī)抽取至少包含25個滴頭的滴灌管或滴灌帶一段作為試樣，干路排布試樣，堵上試樣末端，稱為“閉路法”；也可隨機(jī)抽取5段滴灌管或滴灌帶，每段至少有5個滴頭作為試樣，環(huán)路排布試樣，稱為“環(huán)路法”。仲裁檢驗(yàn)時使用環(huán)路法。7.2.2試驗(yàn)裝置“閉路法”的試驗(yàn)裝置按GB/T19812.2—2017的規(guī)定執(zhí)行，“環(huán)路法”的試驗(yàn)裝置按SL571—2013的規(guī)定執(zhí)行。7.2.3試驗(yàn)步驟a）將25個試樣按生產(chǎn)廠提供的配置管道及裝配方法組裝在試驗(yàn)臺上。b）調(diào)節(jié)滴頭的入口水壓至最大工作壓力（由生產(chǎn)廠提供，否則按115kPa試驗(yàn)保壓3min后卸壓c）調(diào)節(jié)滴頭的入口水壓至最小工作壓力（由生產(chǎn)廠提供，否則按85kPa試驗(yàn)保壓3min后卸壓d）調(diào)節(jié)滴頭的入口水壓至上述工作壓力范圍的中間值，保壓60min。e）不改變?nèi)肟趬毫?，分別測量25個滴頭的出水量，試驗(yàn)時間應(yīng)相同并不少于2min，記錄室溫、水溫、水壓、試驗(yàn)時間、滴頭出水量。重復(fù)上述試驗(yàn)，兩次測得水量之差不得大于2%，取平均值，并計算出各試樣的流量（L/h）。7.2.4試驗(yàn)結(jié)果計算（4）（5）×100%（ q——25個滴頭的平均流量：L/h；qi——第i個滴頭的流量：L/h；n——試樣個數(shù)（25個7T/SDMT0023—2024CV——滴頭流量偏差系數(shù)；S——滴頭流量標(biāo)準(zhǔn)偏差；q0——額定流量：L/h；C——平均流量相對于額定流量的偏差。7.3壓力與流量關(guān)系7.3.1試驗(yàn)步驟a）完成7.5規(guī)定的試驗(yàn)后，確定進(jìn)水口壓力與流量的關(guān)系。b）以每階段增壓不大于50kPa的幅度，將壓力從零增加到2倍的最大工作壓力（至少分布9個壓力點(diǎn)）。測量25個試樣在每一個壓力點(diǎn)的出水量，試驗(yàn)時間不少于3min；然后在將壓力以每階段降低不大于50kPa的幅度，將壓力從2倍的最大工作壓力降至零（壓力分布點(diǎn)與升壓時相同量取25個滴頭在每一個壓力點(diǎn)的出水量，試驗(yàn)時間與升壓時相同，并計算成流量（L/h去平均值。c）在壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，進(jìn)水口壓力增加和降低過程中試驗(yàn)壓力至少保持3min后在量取出水量。記錄室溫、水溫、試驗(yàn)時間、滴頭出水量。d）每個試樣兩次測得出量之差應(yīng)不大于2%，若試樣子啊某個壓力點(diǎn)下兩次測得出水量大于2%，重新測量此壓力點(diǎn)下的出水量均值，并計算成流量（L/h）。e）如在增壓或降壓期間，進(jìn)水口壓力超過預(yù)定壓力值10kPa以上，則應(yīng)將壓力回零，重新進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)。7.3.2繪制流量與工作壓力關(guān)系曲線計算兩次測得的25頭在工作壓力由小到大情況下每一個壓力點(diǎn)對應(yīng)的平均流量，以壓力為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)，繪制工作壓力與流量關(guān)系曲線，并與生產(chǎn)廠給出的曲線相比較。7.4壓力補(bǔ)償范圍與起調(diào)壓力滴頭壓力補(bǔ)償區(qū)間的起調(diào)壓力