专利名称：一种紊流抗堵塞灌水器流道结构设计方法
技术领域：
本发明属于农业节水灌溉技术领域，涉及滴灌技术，特别涉及一种紊流抗堵塞灌水器流道结构设计方法。
背景技术：
滴灌是一种先进的节水灌溉技术，与其它灌水技术相比，滴灌技术适用面广、灌水均匀，具有显著的节水和增产效益；同时在一定条件下滴灌可以利用劣质水资源(微咸水)灌溉，因此，滴灌技术具有十分广阔的应用发展前景。近半个多世纪以来，滴灌设备得到了快速发展和完善，滴灌技术也得到了迅速推广。尽管滴灌技术本身已经比较完善，但滴灌系统目前还存在以下不足灌水器易于堵塞；系统造价昂贵；可能引起局部盐分积累以及限制根系的发展等。在这些问题当中，灌水器的堵塞是影响灌水质量、系统使用寿命和造价的一个重要原因，在很大程度上制约滴灌技术的推广和应用。灌水器的堵塞常造成灌水均匀度降低，灌水质量差等，严重时会使整个系统无法正常工作。引起堵塞的主要原因有物理因素、生物因素或化学因素。如水中的泥沙、有机物质、微生物以及化学沉凝物等。
在解决滴灌灌水器的抗堵塞方面，主要有以下途径1、加强首部过滤，提高灌溉水质标准；2、灌水器的流道采用迷宫式设计或扩大流道断面设计，提高抗堵塞性能；3、改变系统的工作方式，实现自冲洗。上述方法对解决灌水器的堵塞问题发挥了一定的作用，但是灌水器的堵塞仍然存在。堵塞是滴灌技术中尚未完全解决的核心问题，一直制约滴灌技术发展和推广。
发明内容
针对滴灌灌水器流道中微小固体颗粒淤积和附着所引起的堵塞问题，本发明的任务是提供一种能够使滴灌器的水流产生扰动和涡流，消除淤积和堵塞的流道结构设计方法。
为了实现上述任务，本发明采取的技术解决方案是，一种紊流抗堵塞灌水器流道结构设计方法，其特征在于，将灌水器流道分为若干个单元，每个单元由一个弧形曲面构成流道一侧，流道两侧是采用反向错位排列的弧形曲面构成，弧形曲面均向流道中心弯曲；该弧形曲面分为两部分组成，其前半部分是曲率较小的曲面，后半部分是曲率较大的曲面，两部分曲面自然过渡相贯连接，弧形曲面的末端方向垂直于流道另一侧的曲面；前一个单元的曲率较大的曲面与后一个单元曲率较小的曲面相切成尖角状；同时流道两侧的弧形曲面错位排列，即一侧的曲率较小曲面与另一侧曲率较大的曲面相对应，保证流道断面面积的一致性。
采用本发明的该设计方法得到的灌水器流道全为流线型弧线组成，消除了边角的零速度区，从而避免了细小颗粒沉淀；水流在通过流道时，可自动形成扰动和涡流，反复改变水流方向，强化了水流的回旋扰动，提高了冲刷能力，对于附着在流道壁上的杂物具有冲刷作用；具有较好的消能效果，在相同的压力下，有利于减少流道单元数，减小灌水器的结构尺寸。
图1是本发明的流道结构设计形状示意图；图2是图1的一个流道单元图。图中的符号分别表示1、进水口；2、涡流曲面，3、导流面，4、涡流面，5、出水口。
以下结合附图和原理以及实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
依照上述技术方案，利用本发明的方法进行滴头流道设计时，要求流道每一个单元(见图1)的两侧边界均采用反向布设的、近似于涡流曲面的弧形(约为180°)曲面。
本实施例以圆弧形曲面为例，由于圆弧形曲面(以下简称曲面)在设计和制造过程相对简单，非常容易实现，当然，其它形状的曲面按照上述技术方案设置也能够实现本发明的目的。
弧形曲面由两部分即导流面3和涡流面4，其曲面自然过渡相贯连接形成涡流曲面2，其前半部分曲率较小(导流面3圆弧半径较大)，其作用主要是导流；后半部分曲率较大(涡流面4圆弧半径较小)，其主要作用是迅速改变流速方向，同时末端具有挑流的作用；前一个单元的大曲率曲面与后一个单元的小曲率曲面相切，形成尖角状。整个曲面的曲率由小变大，曲面末端的切线方向近似垂直于另一测的曲面，当流速较大时，在惯性力的作用下，水流将会向前直冲，并在流道内产生较为剧烈的撞击和扰动。同时在尖角的下游将形成低压区而产生涡流。由于上游水流的强烈扰动和扰动波的传播以及水流推进，涡流将始终处在被扰动和被破坏之中，从而避免了泥沙颗粒在涡流中心的沉积，也避免了灌水器流道的堵塞。当流速较为缓慢时，水流在两边弧形曲面的约束和导引下，会不停的改变流线方向，参杂局部的水流扰动沿流道前进，由于边界相对光滑，没有死角，所以不会形成零速度水流区域，也就减少了淤积。
两侧的曲面错位布设，即一侧小曲率的曲面对另一测的大曲率曲面，一方面可保证流道断面面积的基本一致，另一方面可以实现流速方向的改变，达到强化扰动水流的目的。一般情况下，灌水器流道是由多个单元组成。
参见图2，根据不同的需求，灌水器的流道可有若干个小单元组成。如前面所述，流道两侧是由两个反向(弧面均向流道中心弯曲)错位排列的弧形曲面(涡流曲面2)构成，而涡流曲面2则是由两段曲率不同的曲面组成，前半部分为曲率较小的导流面3，后半部分为曲率较大的涡流面4。由于流道两侧的弧形曲面错位排列，所以一侧的导流面3与另一测的涡流面4相对应。
当滴灌灌水器工作时，水流从流道入口1进入流道，在两侧曲面的约束下向前推进，导流面3的曲面半径较大，曲率较小，靠近导流面3的水流流线方向变化较为缓慢，由于导流面3的首端曲面方向与流道入口接近于垂直，所以水流进入流道后，在导流面3的首端后面会形成一个压力相对较低的低压区。涡流面4的曲面半径较小，曲率较大，曲面末端的方向近似垂直于另一侧的导流面3。沿涡流面4前进的水流流线方向将急剧转向，在惯性和涡流面4的挑流作用下，几乎垂直向导流面3流去，与沿导流面3前进的水流发生挤压和碰撞，同时受到导流面3的阻挡，水流在此将发生扰动和局部混参，其主流在后面水流的推动下，又迅速改变流线方向，沿着导流面3继续向涡流面4推进。使得原来沿导流面3流过来的水流流速减缓，导流面3首端附近的低压区将引发局部出现涡流，并在扰动过程中混参到后来的水流中向前流动。由于水流压向了一侧，所以在另一测尖角的下游(原涡流面4后另一个单元的弧形导流面3首端附近)又形成了一个低压区，接下来将重复前面的过程。水流在流道内流动的整个过程中，始终处于扰动、混参和涡流状态，其流态将以紊流为主，并且水流压力越大，流速越快，扰动和混参越剧烈，水流中的固体细小颗粒很难产生沉淀，同时剧烈的扰动、紊流和混参运动有助于冲刷流道内部的淤积物和附着物，因此这种流道设计方法可以大大减少流道的堵塞，从而实现了滴灌灌水器的自冲洗防堵塞功能。
本发明的设计方法与现有技术相比，带来以下技术效果1、流道由可产生涡流的光滑曲面组成，尽管存在粘滞底层的影响，但是由于流道两侧边界为流线型光滑曲面，在主流的拖动下和涡流的扰动下，流道内几乎不存在零速度区，消除了产生淤积的前提条件，所以，在同等条件下淤积量会大大减少；2、两侧的弧形曲面错位布置，既可以保证流道断面大小基本一致，也可以增大水流扰动的强度和频率，增强冲刷淤积的能力，防止淤积的发生。
权利要求
1.一种紊流抗堵塞灌水器流道结构设计方法，其特征在于，将灌水器流道分为若干个单元，每个单元由一个弧形曲面构成流道一侧，流道两侧是采用反向错位排列的弧形曲面构成，弧形曲面均向流道中心弯曲；该弧形曲面分为两部分组成，其前半部分是曲率较小的曲面，后半部分是曲率较大的曲面，两部分曲面自然过渡相贯连接，弧形曲面的末端方向垂直于流道另一侧的曲面；前一个单元的曲率较大的曲面与后一个单元曲率较小的曲面相切成尖角状；同时流道两侧的弧形曲面错位排列，即一侧的曲率较小曲面与另一侧曲率较大的曲面相对应，保证流道断面面积的一致性。
全文摘要
本发明公开了一种紊流抗堵塞灌水器流道设计方法。该方法基于水力学中的扰动流和涡流理论而提出，流道单元侧面采用具有涡流曲面特征的弧形曲面，两侧反向错位排列。采用这种方法进行滴灌灌水器的流道设计，一方面使得流道的两侧为光滑曲面，具有流线形结构，消除了边角的零速度区，避免了细小颗粒的沉淀；另一方面水流在通过流道时，可自动形成扰动和涡流，避免了泥沙颗粒的沉积，而且对于附着在流道壁上的杂物具有冲刷作用。反复改变水流方向，自动产生回旋扰动，不仅具有很好的冲淤效果，而且具有很好的消能效果，从而提高了滴灌灌水器流到的自冲洗抗堵塞性能。
文档编号A01G25/02GK1636437SQ20041007336
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年12月13日
发明者范兴科, 吴普特, 刘雪芹, 牛文全, 冯浩, 汪有科, 高建恩 申请人:西北农林科技大学, 中国科学院水利部水土保持研究所, 国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心