TSDMT 0022-2024 壓力補(bǔ)償式紐扣滴頭設(shè)計方法

ICS65.060.CCSB91DesignmethodofpressurecompensationbuttonemitterIT/SDMT0022—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/SDMT0022—2024壓力補(bǔ)償式紐扣滴頭設(shè)計方法本文件規(guī)定了壓力補(bǔ)償式紐扣滴頭的術(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)償式紐扣滴頭的設(shè)計、試驗。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)償式紐扣滴頭Pressurecompensationtypebuttonemitter用于直接嵌裝在灌溉毛管管壁上且具有壓力補(bǔ)償特征的一種滴頭形式。該壓力補(bǔ)償?shù)晤^由迷宮流道主體、彈性片、塑膠外殼三部分組成，其中滴頭主體上有壓力補(bǔ)償腔、出水環(huán)形槽、副流道、迷宮流道、出水口等。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，滴頭流量偏差Qf最大不應(yīng)大于7%。Qf100%（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。3.4起調(diào)壓力startingpressure2T/SDMT0022—2024將流量明顯出現(xiàn)拐點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)償式紐扣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耐拉拔性能滴頭應(yīng)能承載規(guī)定的荷載，在試驗中不應(yīng)從管道中脫出。5.4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。試驗前后每個滴頭的流量偏差率應(yīng)在±7%的范圍內(nèi)。5.5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%。5.6滴頭流量與進(jìn)水口壓力關(guān)系5.6.1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%。5.6.2流態(tài)指數(shù)3滴頭流態(tài)指數(shù)應(yīng)在±0.20范圍內(nèi)。流態(tài)指數(shù)實測值與設(shè)計值的偏差應(yīng)不大于15%。5.6.3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滴頭結(jié)構(gòu)滴頭由外殼、彈性片和滴頭主體三部分構(gòu)成(圖1),其中彈性片與凸臺、副流道等結(jié)構(gòu)共同組成補(bǔ)圖1壓力補(bǔ)償式紐扣滴頭三維結(jié)構(gòu)示意圖圖2補(bǔ)償腔結(jié)構(gòu)6.2外形尺寸的確定外形尺寸根據(jù)用戶要求確定，主要考慮結(jié)構(gòu)緊湊，需要的材料用量較少的原則確定。外徑一般為19mm～21mm、內(nèi)徑(補(bǔ)償腔直徑)為17mm～19mm,外殼高度為10mm～15mm,滴頭長度為23mm~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。一般滴頭設(shè)計流量取值為2L/h～8.0L/h,起調(diào)壓力范圍在70kPa～100kPa之間，補(bǔ)償區(qū)間應(yīng)為2006.4.1迷宮流道結(jié)構(gòu)的確定0.9mm～1.4mm、0.9mm～1.5mm、齒數(shù)為10個～13個、出水孔徑1.0mm±0.1mm。在初步確定迷宮流道結(jié)構(gòu)參數(shù)后，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%。模擬計算的流量與設(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)。如果模擬計算的流6.4.2出水孔孔徑的確定4T/SDMT0022—2024在確定迷宮流道后，以0.05mm的步長逐漸縮小出水孔直徑，并采用CFD模擬計算出水孔直徑調(diào)整后在起調(diào)壓力下的流量，當(dāng)流量發(fā)生變化，但模擬計算的流量與設(shè)計流量偏差不大于3%時，即為合格，固定出水孔孔徑。6.4.3凸臺高度的確定凸臺高度的確定應(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)拐點并開始趨于穩(wěn)定。壓力補(bǔ)償?shù)晤^凸臺高度取值范圍為0.3mm~0.5mm，凸臺直徑取值范圍為3.0mm～4.5mm。采用Fluent軟件模擬不同凸臺高度下壓力補(bǔ)償?shù)晤^的流量（考慮彈性片的作用通過壓力流量曲線確定凸臺高度，凸臺高度與流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。6.5彈性材料厚度和硬度的確定將彈性體從剛體結(jié)構(gòu)修改為彈性體，彈性材料厚度一般在0.8mm～1.1mm之間選擇確定。彈性材料硬度一般在（30～60）邵氏硬度之間選擇確定。彈性材料的初始值可以采用下列公式，初步試算確定。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）q——滴頭流量；x——流態(tài)指數(shù)；H0——起調(diào)壓力；Pr——補(bǔ)償區(qū)間；A——彈性片硬度和T為厚度。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，整個設(shè)定的補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)的滴頭流量。如果實際計算確定的起調(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—模擬計算，實際起調(diào)壓力不高于給定值的105%，且實際補(bǔ)償區(qū)間與給定值的偏差不大于5%時，即認(rèn)為合格。6.6出口副流道的確定出口副流道由深度和寬度兩個參數(shù)確定，通過調(diào)整這兩個參數(shù)，使補(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以下。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。6.7CFD數(shù)值模擬6.7.1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。6.7.2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。6.7.3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，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。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5T/SDMT0022—2024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。6.7.4其他設(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。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。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額定流量額定流量Qn是壓力補(bǔ)償?shù)晤^設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)，滴頭的流量與滴灌系統(tǒng)的工作壓力有關(guān)，通常取100kPa時滴頭的流量作為評價壓力補(bǔ)償?shù)晤^流量大小的參數(shù)，又稱標(biāo)稱流量。7.2流態(tài)指數(shù)將試驗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)： qkpm（6） 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)。mlgpi21lgi——1,23,…,n； n——試驗中采用壓力點的個數(shù)； q——試樣在第i個壓力點的平均流量：L/h；p——滴頭進(jìn)水口工作壓力：kPa。7.3起調(diào)壓力與補(bǔ)償區(qū)間理想的壓力補(bǔ)償?shù)晤^的壓力~流量曲線呈現(xiàn)先上升，后趨于平緩的趨勢。在壓力-流量曲線上，將流量明顯出現(xiàn)拐點時的壓力作用該壓力補(bǔ)償?shù)晤^的起調(diào)壓力。以不超過額定流量Qn的10%的壓力范圍作為滴頭的補(bǔ)償區(qū)間，并且用小于額定流量10%時所對應(yīng)的壓力作為滴頭的起調(diào)壓力。7.4耐水壓試驗7.4.123℃下耐水壓a）將含有25個滴頭試驗組件，水平懸吊在試驗裝置上，堵上末端，向試驗組件內(nèi)充水，排盡空氣，使水壓保持在壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)范圍的中值穩(wěn)定出水至少3min后進(jìn)行測試，測試時間應(yīng)不少于5min（保壓3min，測量5min測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。b）然后逐漸（至少10s）增加水壓至2倍的最大工作壓力，并保持1h。再將壓力降至壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)范圍的中值穩(wěn)定出水至少3min后進(jìn)行測試，測試時間應(yīng)不少于5min，測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。與加壓前的流量相比較，計算每個滴頭或滴水孔的流量變化率。6T/SDMT0022—20247.4.245℃下耐水壓a）將含有25個滴頭的試驗組件，水平懸吊在試驗裝置上，堵上末端，向試驗組件中充水，排盡空氣，使水壓保持在壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)范圍的中值穩(wěn)定出水至少3min后進(jìn)行測試，測試時間應(yīng)不少于5min（保壓3min，測量5min測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。b）然后將試樣浸沒在溫度為45℃±3℃的水中，逐漸（至少10s）增加水壓至最大工作壓力，并保持1h。泄壓后將試樣從水中取出，在環(huán)境溫度下放置30min后，給試樣逐漸（至少10s）增加壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)范圍的中值穩(wěn)定出水至少3min后進(jìn)行測試，測試時間應(yīng)不少于5min，測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。與高溫試驗前的流量相比較，計算每個滴頭或滴水孔的流量變化率。7.5流量均勻性試驗7.5.1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”。仲裁檢驗時使用環(huán)路法。7.5.2試驗裝置“閉路法”的試驗裝置按GB/T19812.2-2017的規(guī)定執(zhí)行，“環(huán)路法”的試驗裝置按SL571-2013的規(guī)定執(zhí)行。7.5.3試驗步驟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，試驗時間應(yīng)相同并不少于2min，記錄室溫、水溫、水壓、試驗時間、滴頭出水量。重復(fù)上述試驗，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）。7.5.4試驗結(jié)果計算Sqiq2（CV100%