专利名称：自击式气-水混合装置、利用该装置的灌溉系统以及利用该灌溉系统的灌溉方法
技术领域：
本发明涉及一种对空气和水进行高效混合的自击式气-水混合装置，该装置主要应用于农田灌溉过程中为作物根区补充氧气，属于农业机械领域。此外，本发明还涉及利用该装置的灌溉系统以及利用该灌溉系统的灌溉方法。
背景技术：
土壤水分和土壤空气是植物生长不可或缺的两个最主要因素。其中，土壤水分能直接被植物根系所吸收。同时，土壤水分的存在还有利于各种营养物质的溶解和运动，有利于磷酸盐的水解和有机态磷的矿化，改善植物的营养状况。而土壤空气(尤其是其中的氧气)，主要服务于根系的呼吸作用。作物根系的呼吸作用需要消耗大量的O2(氧气)，研究表明平均每克干物质的形成在作物生长季内平均每小时需要消耗约5毫升的02。且根系对A 的亏缺十分敏感，根区土壤中O2不足会显著降低其对水、肥(尤其是K和P)的吸收利用。 当土壤空气中的含氧量低于10%时，植物根系的呼吸作用受到明显的抑制，从而影响植物的生理功能。土壤中的空气或氧气缺乏的问题主要出现在黏土地中。主要是由于黏土的有效通气孔隙较少，土壤与大气间的气体交换能力差，导致土壤中的A被消耗后不能及时地通过气体交换从大气中得到补充。为增加土壤中的氧气，目前较为常用的方法是通过诸如旋耕机等机械或人工来深翻土壤，破坏掉土壤表层结皮，以利于空气向土壤中渗透。但这种方法较为费时费力，特别是对于密植作物就更为困难，因为松土的机械有可能损伤到作物的根系，使作物的生长受到影响。为及时有效地补充土壤中的氧气，本发明从一个全新的角度考虑问题，将土壤中氧气的补充与灌溉过程相结合，提出了一种新方法，并设计了一种装置(如图1所示)，采用该装置可将灌溉水分和空气高效混合，然后将这种“气-水”混合物通过埋于地下的多孔管道直接输送到作物根区土壤，在进行灌溉的同时为作物根区补充氧气，从而改善作物的生长环境。
发明内容
本发明所涉及的气-水混合装置称为自击式气-水混合装置，其由多个管道部分组成，多个管道部分包括水流进入管道、与水流进入管道成一定角度连接的至少两个分流管道以及与分流管道的端部连接的水流出口管道，至少两个分流管道在与水流出口管道的连接处交汇地连接在一起，分流管道具有锥形管道部，在锥形管道部上设置有进气口。本发明的锥形管道部分可形成负压，从而通过进气口将空气吸入管道内与从管道中流过的水流进行混合，从而实现在灌溉的同时为作物根系补充氧气。另外，本发明的至少两个分流管道可以使管道中流动的水流在汇合到出口管道时形成水流之间对撞和冲击作用，在对撞过程中形成强烈的水流紊动过程，以使空气与水流更加均勻地混合，使得灌溉水更有利于作物的生长。根据本发明的另一方面，自击式气-水混合装置的分流管道包括弯管，弯管上设置有锥形管道部，锥形管道部包括缩颈部、喉部和扩径部，缩颈部是沿水流方向内径逐渐缩小的锥形管，在缩颈部之后设置有扩颈部，扩颈部是沿水流方向内径逐渐增大的锥形管，喉部设置在缩径部与扩颈部之间，进气口设置在喉部上。这种缩颈部和扩颈部的设置利用文丘里效应，使得在管道内部产生负压，从而将外界的空气吸入管道内。在根据本发明的再一方面中，自击式气-水混合装置的至少两个分流管道相对于水流进入管道和水流出口管道的轴线成对称结构。这种对称结构的设计能够使水流形成相向的对撞，从而使水流和空气的混合的效果更加良好，更加均勻。根据本发明的进一步的方面，在自击式气-水混合装置的扩颈部中设置有导叶结构，导叶结构包括至少一个导叶，导叶中的每一个均与扩颈部的管道内壁垂直。导叶结构的设置对水流形成阻碍和导流作用，使得刚刚从进气口吸入的空气与水流更好地混合。在根据本发明的又一方面中，自击式气-水混合装置的水流出口管道包括水流输出整流管道，在水流输出整流管道的内部设置有筛网结构。筛网结构使得刚刚经过对撞而汇流的水流通过筛网结构而被整流和导向，从而使水流和空气混合更加均勻。根据本发明的另一个实施例，还提供一种安装有如上所述的自击式气-水混合装置的灌溉系统，该灌溉系统还包括水泵、与自击式气-水混合装置串联连接的灌溉管路、与自击式气-水混合装置并联连接的灌溉管路、设置在灌溉管路上的阀门以及灌水装置。本发明涉及的气-水混合装置通过支管的形式并联在主管道上，用户通过打开或关闭不同的阀门来方便地选择进行纯水灌水过程或气-水混合灌溉过程，或实现两者之间的切换。根据本发明的再一个实施例，提供一种利用上述灌溉系统进行灌溉的方法，该方法的执行过程包括纯水灌溉子过程和气-水混合灌溉子过程，通过关闭灌溉系统的设置在与自击式气-水混合装置串联连接的灌溉管路上的阀门并打开灌溉系统的设置在与自击式气-水混合装置并联的灌溉管路上的阀门执行纯水灌溉子过程，通过关闭灌溉系统的设置在与自击式气-水混合装置并联连接的灌溉管路上的阀门并打开灌溉系统的设置在与自击式气-水混合装置串联的灌溉管路上的阀门执行气-水混合灌溉子过程，在每次灌溉期间内交替地执行纯水灌溉子过程和气-水混合灌溉子过程。该灌溉方法的工作过程可以划分为“纯水灌溉”和“气-水混合灌溉”两个子过程，且这两个子过程在每次的灌水历时内通过“纯水灌溉-气-水混合灌溉”的循环顺序交替地进行，间歇性地为作物根区补充氧气。以提高作物的根系区域的氧气浓度，利于作物的生长。在根据本发明的还一个实施例中，在上述灌溉方法中，在每次灌溉期间内，根据土壤墒情和土壤含氧量以一定的时间间隔交替地执行纯水灌溉子过程和气-水混合灌溉子过程。这样不仅能够为作物生长提供足够的氧气，而且能够根据土壤墒情和土壤含氧量适时地改变灌溉方式，避免氧气的过量补充所造成的能量浪费，从而达到节约能源的目的，同时提高氧气的吸收效率。
通过参照结合附图的以下详细说明，将能够更好地理解本发明的特征和优势。其中
图1是根据本发明的自击式气-水混合装置的剖面图。图2是沿图1中的线I-I看的导叶的放大视图。图3是根据本发明的包括自击式气-水混合装置的灌溉系统的示图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。地下滴灌技术就是通过埋于地下的毛管上的灌水器(通常埋于地表以下 20cm-40cm深度处)，将作物生长所需要的水、肥、药直接输送到作物根区的一种灌溉技术。 这种灌溉技术可以有效减少土壤表面的水分蒸发损失，因此具有较高的灌溉水分利用效率。本发明所涉及的自击式气-水混合装置1的主体结构由互成一定角度α的两段异型管道结构组成，所述角度α在0度至180度之间，两段异型管道呈轴对称结构，如图1 所示。具体地，该气-水混合装置1主要包括多个管道部分，多个管道部分包括水流进入管道2、与水流进入管道2成一定角度连接的两个分流管道3以及与分流管道3的端部连接的水流出口管道4，两个分流管道3在与水流出口管道4的连接处交汇地连接在一起，两个分流管道3相对于水流进入管道2和水流出口管道4的轴线成轴对称结构。沿分流管道3具有锥形管道部5，在锥形管道部5上设置有进气口 6。水流在进入管道2与两个分流管道3 的连接处形成分流区F，水流由此分流成两个水流。水流流经锥形管道部5时，空气通过管道内形成的负压从进气口 6被吸入锥形管道部5内的水中。水流在两个分流管道3与出口管道4的连接处形成对撞区H，两个分流管道3中的水流在对撞区H发生对撞和冲击，以利于空气在水流中的均勻分布。虽然在本实施例中分流管道3的数量为2个，但是本领域技术人员很容易理解，可采用2个以上的分流管道，只要在多个分流管道的汇合处形成水流对撞即可。自击式气-水混合装置1的分流管道3包括弯管，在弯管上设置有锥形管道部5， 锥形管道部5包括缩颈部7、喉部8和扩径部9，缩颈部7是沿水流方向内径逐渐缩小的锥形管，在缩颈部7之后设置有扩颈部9，扩颈部9是沿水流方向内径逐渐增大的锥形管，在缩径部7与扩颈部9之间设置有喉部8，喉部8上设置有进气口 6。包括缩径部7、喉部8和扩颈部9的锥形管道部5有利于在管道内部形成负压，从而利于空气从进气口 6吸入。在自击式气-水混合装置1的锥形管道部5的扩颈部9的内壁上设置有导叶结构 10，导叶结构10包括四个导叶11，导叶11中的每一个均与扩颈部9的管道内壁垂直地设置，以利于空气和水的充分混合，其详细结构参照图2所示的I-I向剖视图。虽然在此公开了设置有四个导叶11的导叶结构10，但本领域技术人员很容易明白，在此可以设置任意数量的导叶，只要其能够起到促进空气与水混合的目的即可；另外，本实施例中的导叶11也可以与扩颈部9的管道内壁成任意角度。在本实施例中，导叶结构10与锥形管道部5的扩径部9的内壁一体地形成，本领域技术人员可以想到，导叶结构10可以单独地形成并结合到扩径部9的内壁上。自击式气-水混合装置1的水流出口管道4包括水流输出整流管道41，在整流管道41的内部设置有筛网结构42，该筛网结构42对刚刚通过对撞而形成的气-水混合水流进行整流调节和缓冲，使其形成平稳的水流，以利于后续的作物浇灌。
该自击式气-水混合装置1可安装在由水泵50提供供水压力的管道灌溉系统中， 安装位置如图3所示。在有压管道灌溉系统中，可以通过调节自击式气-水混合装置1前后的两个阀门51和52的开度，使该自击式气-水混合装置1的前后产生一定的压差，从而使该气-水混合装置1开始工作。其工作过程为首先，由水泵50提供的高压水流A通过压力水流进入管道2进入气-水混合装置1，然后在分流区F分成两路高压水流，分别为高压水流B和高压水流C。此后，其中的一路高压水流B经收缩段锥管的缩颈部7作用后(流速会增加)，水流的动能会增加而压能减小，从而在喉部8形成负压区，即喉部8的压力低于外部大气压，导致外部空气经进气口 6被吸入喉部8内。然后，被吸入的空气和水流B共同进入扩散段锥管的扩径部9，并在扩颈部9内与所吸入的空气进行第一次混合。与此同时，与高压水流B所经历的过程一样，由高压水流A所分出的另一路高压水流C也经历了一次同样掺气过程，并与掺气的高压水流B在水流对撞区H进行碰撞，从而在对撞的过程中形成一个强烈的水流紊动过程，使水流和空气的混合更为均勻、充分。此后， 混合充分的气-水混合物经管道中的多孔筛网整流后进入缓冲区D，然后进入灌溉管道中， 最终通过埋于地下的多孔管道M，被输送作物的根区土壤，以供作物吸收利用。本发明涉及的气-水混合装置1通过支管并联在主管道上(如图3所示)，用户通过打开或关闭不同的阀门来方便地选择进行纯水灌溉过程或气-水混合灌溉过程，或实现两者间的切换。安装该气-水混合装置1以后，每次灌溉系统的工作过程可以划分为“纯水灌溉”和“气-水混合灌溉”两个子过程，且这两个子过程在每次的灌水历时内通过“纯水灌溉-气-水混合灌溉-纯水灌溉-气-水混合灌溉”轮回、循环交替的顺序进行，间歇性地为作物根区补充氧气。其中所述的“纯水灌溉”子过程实现方式为同时关闭阀门51和阀门52，仅打开阀门53通过主管道进行灌溉；“气-水混合灌溉”子过程的实现方式为同时打开阀门51和52，并关闭阀门53，通过气-水混合装置进行灌溉。采用这种两个子过程轮回交替的方式的优势在于可以避免氧气的过量补充所造成的能量浪费，同时提高氧气的吸收效率。本发明所涉及的装置可与当前的地下滴灌技术相结合，通过支管并联在灌溉系统的主管道上(安装位置如图3所示)，通过地下滴灌系统的埋于地下的毛管和灌水器，在为作物根区供水的同时来补充氧气。采用这种并联方式的优势在于可以根据作物的需要以及土壤墒情和土壤含氧量，在不同时段、不同生育期进行“纯水灌溉”或“气-水混合灌溉”，且可以保证这两个过程可以分别独立进行，互不干预。当需要进行气-水混合灌溉时，可关闭阀门53，同时打开支管上的阀门51和阀门52，并通过调节阀门51和52的开度来调节该装置前后的压力差，从而利用这一压力差，在灌溉水中掺入空气，然后通过管道及埋于地下的灌水器(亦称“滴头”)将“气-水”混合物输送至作物根区，进行“气-水”混合灌溉，从而提供作物生长所需的水分和氧气。当需要进行纯水进行灌溉时，应同时关闭阀门51和阀门52(即关闭了气-水混合装置1)，仅打开阀门53，以通过主管道和埋于地下的灌水器为作物根区提供所需水分。此外，用户可以将每次的灌水历时划分为若干个子时段，在各个时段内通过打开或关闭相应的阀门来实现“纯水灌溉-气-水混合灌溉-纯水灌溉-气-水混合灌溉”轮回、循环交替的顺序进行。通过这种两个子过程轮回的方式，既可以满足作物对氧气的需要，同时还避免了一直进行气-水混合灌溉所造成的管道内压力(能量)的过度损耗。
为验证本发明所涉及的气-水混合灌溉装置的可行性，在2011年春季将这一装置并联接在北京大兴节水灌溉试验基地的玉米地下滴灌系统的主管道上，进行了检测试验。 结合附图3将该装置的安装方式和运行方式描述如下I)在玉米生育期内，自2011年5月6日开始，每隔3天进行一次灌溉，每次灌溉过程持续时间为4小时。首先将每次的灌溉历时划分为4个子时段，每个时段长I小时，在这 4个子时段内分别进行“纯水灌溉-气-水混合灌溉-纯水灌溉-气-水混合灌溉”相应的过程，间歇性地为作物根区补充所需要的氧气。这样既可有效避免整个灌溉过程一直采用 “纯水灌溉”所带来氧气不足问题，又可有效避免一直采用“气-水混合灌溉”所带来的能量损耗过度问题。2)打开水泵50，为灌溉系统提供灌溉水源。3)在灌溉的第I个小时内，即第I个子时段内，打开阀门53，并关闭阀门51和52， 即关闭气-水混合灌溉装置，通过主管道进行灌溉。从而实现“纯水灌溉”这一子过程。4)在灌溉的第2个小时内，即第2个子时段内，关闭阀门53，并同时打开阀门51 和52，并调节阀门52的开度，使气-水混合装置前后产生0. 04Mpa的压力差。这样，由水泵 50提供的高压水流A通过压力水流进口(如图I所示)进入气-水混合装置1，然后在分流区F分成两路高压水流，分别为高压水流B和高压水流C。此后，其中的一路高压水流B 经收缩段锥管的缩颈部7作用后，动能增加而压能减小，从而在喉部8形成负压区(喉部8 的压力低于外部大气压)，导致外部空气经进气口 6被吸入喉部8。然后，被吸入的空气和水流B共同进入作为扩散段锥管的扩径部9，并在扩径部内与所吸入的空气进行第一次混合。与此同时，与高压水流B所经历的过程一样，由高压水流A所分出的另一路高压水流C 也经历了一次同样掺气过程，并与掺气的高压水流B在水流对撞区H进行碰撞，从而在对撞的过程中形成一个强烈的水流紊动过程，使水流和空气的混合更为均匀、充分。此后，混合充分的气-水混合物经管道中的多孔筛网42整流后进入缓冲区，然后进入灌溉管道中，最终通过埋于地下的多孔管道54，被输送作物的根区土壤，以供作物吸收利用。5)在灌溉的第3个小时内(即第3个子时段内)，再次重复步骤3)，进行“纯水灌溉过程”。6)在灌溉的第4个小时内(即第4个子时段内)，再次重复步骤4)，进行气-水混合灌溉过程。7)最后，关闭水泵，至此一次灌溉过程全部完成。将气-水混合装置与地下滴灌技术结合应用，只是本发明诸多应用形式中的一种。除此之外，本发明亦可与其它有压灌溉管道系统相结合，以提高灌溉水中的氧含量。
权利要求
1.一种自击式气-水混合装置，所述自击式气-水混合装置由多个管道部分组成，所述多个管道部分包括水流进入管道、与所述水流进入管道成一定角度连接的至少两个分流管道以及与所述分流管道的端部连接的水流出口管道，所述至少两个分流管道在与所述水流出口管道的连接处交汇地连接在一起，所述分流管道具有锥形管道部，在所述锥形管道部上设置有进气口。
2.如权利要求1所述的自击式气-水混合装置，其中，所述分流管道包括弯管，在所述弯管上设置所述锥形管道部，所述锥形管道部包括缩颈部、喉部和扩径部，所述缩颈部是沿水流方向内径逐渐缩小的锥形管，在所述缩颈部之后设置有所述扩颈部，所述扩颈部是沿水流方向内径逐渐增大的锥形管，所述喉部设置在所述缩径部与所述扩颈部之间，所述进气口设置在所述喉部上。
3.如权利要求1或2所述的自击式气-水混合装置，其中，所述至少两个分流管道相对于所述水流进入管道和所述水流出口管道的轴线成轴对称结构。
4.如权利要求2所述的自击式气-水混合装置，其中，所述扩颈部中设置有导叶结构， 所述导叶结构包括至少一个导叶，所述导叶中的每一个均与所述扩颈部的管道内壁垂直。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的自击式气-水混合装置，其中，所述水流出口管道包括水流输出整流管道，在所述水流输出整流管道的内部设置有筛网结构。
6.一种安装有如权利要求1-5中任一项所述的自击式气-水混合装置的灌溉系统，所述灌溉系统还包括水泵、与所述自击式气-水混合装置串联连接的灌溉管路、与所述自击式气-水混合装置并联的灌溉管路、设置在所述灌溉管路上的阀门以及灌水装置。
7.一种利用权利要求6所述的灌溉系统进行灌溉的方法，所述方法的执行过程包括纯水灌溉子过程和气-水混合灌溉子过程，通过关闭所述灌溉系统的设置在与自击式气-水混合装置串联连接的灌溉管路上的阀门并打开所述灌溉系统的设置在与所述自击式气-水混合装置并联连接的灌溉管路上的阀门执行所述纯水灌溉子过程，通过关闭所述灌溉系统的设置在与自击式气-水混合装置并联连接的灌溉管路上的阀门并打开所述灌溉系统的设置在与所述自击式气-水混合装置串联的灌溉管路上的阀门执行所述气-水混合灌溉子过程，在每次灌溉期间内交替地执行所述纯水灌溉子过程和所述气-水混合灌溉子过程。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在每次灌溉期间内，根据土壤墒情和土壤含氧量以一定的时间间隔交替地执行所述纯水灌溉子过程和所述气-水混合灌溉子过程。
全文摘要
本发明涉及一种自击式气-水混合装置、利用该自击式气-水混合装置的灌溉系统以及利用该灌溉系统进行灌溉的方法。该自击式气-水混合装置由多个管道部分组成，多个管道部分包括水流进入管道、与水流进入管道成一定角度连接的至少两个分流管道以及与分流管道的端部连接的水流出口管道，至少两个分流管道在与水流出口管道的连接处交汇地连接在一起，分流管道具有锥形管道部，在锥形管道部上设置有进气口。本发明利用锥形管道中的喉部上的吸气口将空气吸入水流当中，并使混合有空气的水流对撞、冲击，从而使空气更加均匀地混合在用于浇灌的水流中。本装置能够提高水流中的含氧量以及氧气的均匀度，能够在浇灌的同时为作为根系补充氧气。
文档编号A01G25/06GK102524026SQ20121005065
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者于颖多, 刘汗, 许迪, 龚时宏 申请人:中国水利水电科学研究院