一种单翼迷宫式滴灌带两因素与各指标关系构建

2023-10-30陶洪飞王振恒

陕西水利 2023年10期

王超，陶洪飞，王振恒

（新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐 830052）

0 引言

田间大棚种植模式可以降低田间水分蒸发和昼夜温差波动大对作物生长的影响,适宜种植不同季节农作物以提高农户经济效益。节水灌溉技术在提高农业灌溉用水效率、促进生态绿色发展和增产增收等方面发挥着重要作用[1]。通过对实地农村灌溉设备调研和企业的滴灌带产量、销售情况分析,以广泛使用的额定工作压力为100 kPa,额定流量1.8 L/h 单翼迷宫式滴灌带为研究对象,通过数值模拟探究微观层面流道内部的流场及两因素对灌水均匀度、平均流量、流量变异系数的影响,提出适宜田间大棚种植模式下的最优工况和滴灌带流道改进建议,构建平均流量、灌水均匀度与工作压力和铺设长度两因素的模型。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

本试验选用新疆天业节水灌溉股份有限公司生产且在新疆应用广泛的单翼迷宫式滴灌带,该型号滴灌带额定工作压力为100 kPa,额定流量1.8 L/h,滴灌带结构参数见表1,物理模型见图1。

图1 单翼迷宫式滴灌带物理模型

表1 滴灌带结构参数

图2 为滴灌带水力性能及抗堵塞性能测试平台,本套滴灌带抗堵塞性能试验台型号为KD-DJC,由河北可道试验机科技有限公司制造,系统适用电压380 V。本试验用水为乌鲁木齐市自来水,试验水不循环。

图2 滴灌带水力性能及抗堵塞性能测试平台

1.2 计算指标与方法

（1）各指标公式。

单翼迷宫式滴灌带的流量均匀性用滴水孔流量的变异系数（CV）、流量偏差率（C）和灌水均匀度Cu来综合判定。

式中：qi为第i个滴水孔流量,L/h；T为滴水孔滴水的时间,h；V为定时间内的出水量,L；为滴水孔清水的平均流量,L/h,（n为滴水孔个数,qi为第i个滴水孔流量）；CV为滴水孔流量变异系数；S为滴水孔流量标准偏差,C为平均流量相对于额定流量的偏差率；qh为额定流量,L/h。

（2）平均流量与工作压力模型。

式中：k为流量系数；x为流态指数。

2 结果与分析

2.1 滴头水力性能评价

采用闭路法做工作压力（20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa）和铺设长度（15 m、20 m、25 m、30 m、35 m）的25 组全物理试验。由计算机设定工作压力值,人工铺设不同长度的滴灌带,保持压力5 min 后开始测量,测量取样时间为10 min,每组做三次重复试验。

由图3 不同工作压力下35 m 滴灌带的滴孔流量知,不同工作压力下35 m 滴灌带整体各滴头流量呈波浪状起伏,各相邻滴头流量的增减态势保持一致。15 m、20 m、25 m、30 m滴灌带在不同工作压力下的滴孔流量变化规律一致。

图3 不同工作压力下35 m 滴灌带的滴孔流量

在额定工作压力（100 kPa）的条件下平均流量相对于额定流量的偏差率C为0.065 %,-0.949 %,-2.711 %,-1.713 %,0.850 %,均在±7 %的范围内,见表2,额定工作压力下流量变异系数均满足小于7 %,满足中国微灌工程技术规范[2]中所规定的灌水均匀度大于0.8 的技术要求,故滴灌带流量均匀,质量合格。灌水均匀度较大,流量变异系数较小时,工况较优。见表2,存在最优工况为：工作压力60 kPa,铺设长度20 m,此时平均流量为1.403 L/h,灌水均匀度为0.983,流量变异系数为2.409 %。

表2 试验结果

2.2 工作压力和铺设长度因素分析

在95%的置信度条件下,对因素指标方差分析结果见表3,分析可知工作压力影响平均流量极显著,铺设长度影响灌水均匀度显著,工作压力与铺设长度对流量变异系数影响均不显著。两因素对各指标的影响排序为：平均流量为工作压力＞铺设长度,灌水均匀度为铺设长度＞工作压力,流量变异系数为铺设长度＞工作压力。

表3 因素指标方差分析

图4 为因素指标等值线图。见图4（a）,平均流量趋于直线,可认为铺设长度几乎不影响平均流量,与方差分析一致；当铺设长度一定时,平均流量随工作压力的增大而增大,且线条之间空隙增大,说明变化趋势有增加。图4（b）和4（c）中,工作压力一定时比铺设长度一定时两指标变化的梯度大,铺设长度影响两指标较大,与方差分析一致；由图4（b）和4（c）可知铺设长度取20 m 最优,灌水均匀度可达0.972 以上,流量变异系数在4.315%以下,水力性能较好；工作压力不低于40 kPa 时,灌水均匀度可保持在0.977 以上,流量变异系数在3.357%以下,水力性能较好。综上,滴灌带的最优工况为铺设长度20 m,工作压力不低于40 kPa。

图4 因素指标等值线图

2.3 基于RNG k-ε紊流模型的流场分析

表4 为平均流量与工作压力模型与数值模拟结果。建立的单翼迷宫式滴灌带不同铺设长度平均流量与工作压力的模型决定系数R2均大于0.993,符合良好的幂函数关系。当铺设长度为20 m 时,流量系数最大,流态指数最小,此长度为最优铺设长度,这与等值线图分析一致。

表4 相关模型与数值模拟结果

本研究对1 个单翼迷宫式滴灌带单元进行数值模拟分析,网格无关性验证时采用非结构网格,圆管流道网格尺寸范围取1 mm～10 mm,进水口、梯形流道、出水口网格尺寸取0.1 mm～1 mm。验证后确定圆管流道网格尺寸为2 mm,进水口、梯形流道、出水口网格尺寸为0.2 mm,网格数量为300182,网格质量为0.7392。RNG k-ε模型被诸多学者用于计算迷宫灌水器流场,因此采用RNG k-ε紊流模型进行计算,设定进口边界条件为压力进口,设压力为20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa,出口边界条件为压力出口,出口压力设为0。表4 中,试验流量与模拟流量误差均在5.142 %以内,模拟精度较高。

图5为数值模拟结果,展示了微观层面流道内部的流场。取最末端梯形流道单元分析,流速主要分布在中部的较高速主流区和近壁低速漩涡区。主流区高速带位于靠近梯形迷宫流道V 形突变处,流速呈现从中间向两边下降的态势,沿壁会出现管道中水的最低0 流速区[3]。而随着压力的不断增大,流道内流速梯度变化加快,流道内在梯形流道的水流反方向处仍存在0 湍动能区,对流道的冲刷小,极易形成堵塞。流体主航道呈曲线状而流道呈梯形状,流体主航道不能完全贴合流道,形成大范围的0 流速区。漩涡的形成有利于流道的消能,但由于近壁闭环漩涡区湍动能较低、流速较小、闭环流动的特征,以及0 流速区的存在容易造成水中杂质堆积和微生物附着,从而造成流道堵塞。在流道设计上应在利用漩涡消能的基础上减小流道长度,应与流体主航道,湍动能较大能量带形状一致,减小0 流速区、0 湍动能区对流道的堵塞影响,V 形突变处冲刷较其他部位严重,在设计中应适当加厚流道V 形突变处的滴灌带壁。

图5 数值模拟结果

2.4 各指标回归模型的建立

2.4.1 基于SPSS 26.0 建立平均流量与工作压力及铺设长度的回归模型

通过SPSS 26.0 对数据进行线性回归分析,建立函数模型=f（A,B）（A 为工作压力,B 为铺设长度,下同）。平均流量与工作压力及铺设长度的回归模型决定系数R2为0.962,拟合精度较高。回归系数0.012 ＞ 0.0002,即工作压力对平均流量的影响极为显著,与方差和等值线图分析一致。模型如下：

2.4.2 灌水均匀度模型建立

由于该型号滴灌带在新疆应用广泛,灌水均匀度是评价滴灌带水力性能的重要指标,故尝试建立清水条件下的灌水均匀度模型,为评价滴灌带的水力性能,指导滴灌带的生产设计。为检验灌水均匀度模型精度,从25 组全试验中使用excel RAND 函数随机选取五组（第2,21,8,3,15 组）数据用于检验函数模型,其他组用于建立灌水均匀度与工作压力和长度两因素的数学模型。

使用SPSS 26.0 对数据建立Cu=f（A,B）的函数模型,回归模型决定系数R2为0.380,拟合精度较低,故尝试建立非线性模型。1stOpt 的通用全局优化算法（UG04）自动搜索匹配函数模型的方法得到非线性回归模型（7）,决定系数为0.860。前人研究的回归模型发现灌水均匀度三角函数的模型拟合度较高[4],于是在公式Cu=ksin（b1A+b2B）+b3的基础上通过计算和迭代建立本试验非线性模型,最终得到式（8）灌水均匀度模型,决定系数R2为0.935,拟合精度较高。

将检验的五组（第2,21,8,3,15 组）数据带入式（7）和式（8）检验,计算见表5。使用1stOpt 的通用全局优化算法（UG04）自动搜索匹配函数模型计算的灌水均匀度与实际试验获得的灌水均匀度误差在7.984 %以内,三角函数迭代模型误差在1.610 %以内,式（8）模型精度较高。铺设长度与工作压力两因素对灌水均匀度和流量变异系数的影响趋势相近,两指标都可评价流量均匀性,因此不再建立流量变异系数与两因素的模型。