本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種用于常壓(10m)和低壓(5m)下基于不同流量需求的鋸齒型灌水器逆向設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

灌水器(滴頭)被譽(yù)為滴灌系統(tǒng)的“心臟”，其對滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的壽命和灌水均勻度的保障具有不言而喻的重要性。我國自從20世紀(jì)70年代初引進(jìn)滴灌技術(shù)以來，自主開發(fā)了微管發(fā)絲滴頭、管式滴頭和孔口滴頭等灌水器，由于不具有較好的抗堵塞性能、水力性能和結(jié)構(gòu)形式及制造工藝等方面的問題，到80年代后期已極少應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以后，我國一些企業(yè)采取兩種途徑來改善滴頭性能，一是完全仿造國外先進(jìn)的滴頭結(jié)構(gòu)，如北京綠源公司仿造了以色列Plastro公司的Katif滴頭；二是采用高額引進(jìn)的辦法，即購買國外的滴頭專利及其模具，如北京綠源公司制造的Taphoon迷宮滴頭。而國際上一些著名的公司，如Netafim、Rainbird、Dis公司等都具有自己的滴頭設(shè)計所，但流道設(shè)計理論和方法均受到嚴(yán)格保密，罕見有相關(guān)的對灌水器設(shè)計有實(shí)際指導(dǎo)意義的文章或?qū)＠_發(fā)表。鋸齒型灌水器是目前市場上應(yīng)用最為普遍的灌水器類型，但截至目前，國內(nèi)廠家對灌水器的研發(fā)仍然主要停留在“引進(jìn)－仿制”的階段，其主要原因是由于缺乏相應(yīng)的設(shè)計理論指導(dǎo)，灌水器的設(shè)計與研發(fā)已成為阻礙我國企業(yè)與國外廠商競爭的主要因素，我國滴灌技術(shù)的健康發(fā)展與競爭力的提高，要求我們必須建立自己的滴頭設(shè)計理論體系和制定相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

近些年來，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者圍繞滴灌灌水器的設(shè)計機(jī)理，基于室內(nèi)實(shí)物測試試驗和數(shù)值模擬等手段，就滴灌灌水器內(nèi)部流體流動特性、灌水器水力性能和抗堵塞性能等內(nèi)容開展了一些研究，取得了一定成果，一些學(xué)者還提出了抗堵塞滴灌灌水器的設(shè)計方法，如發(fā)明專利“一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計方法”(ZL200610018493.7)，發(fā)明專利“一種抗堵塞滴灌灌水器設(shè)計方法”(ZL200710063794.6)，發(fā)明專利“一種低壓滴灌鋸齒型灌水器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法”(ZL 201210013015.2)等。這些發(fā)明專利都以計算流體力學(xué)(CFD)和Fluent模擬軟件為基本方法，基于灌水器單相流和兩相流模擬與室內(nèi)試驗測試等技術(shù)手段，提出了抗堵塞滴灌灌水器的設(shè)計方法，這些專利對國內(nèi)自主構(gòu)建抗堵塞灌水器設(shè)計方法和理論體系起到了積極作用，但這些發(fā)明專利所提出的抗堵塞灌水器設(shè)計方法還存在以下不足：一是這些發(fā)明專利主要借助先進(jìn)昂貴的觀測設(shè)備(PIV)或者相對高端的模擬軟件(Fluent)，通過模擬或?qū)崪y手段去改進(jìn)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達(dá)到較好的抗堵塞性能，這些方法存在明顯時間和財務(wù)成本。由于現(xiàn)有相關(guān)企業(yè)存在研發(fā)投入不足、科技人員不足等現(xiàn)狀，對這些設(shè)計方法的消化存在嚴(yán)重不足，導(dǎo)致現(xiàn)有發(fā)明專利的使用和轉(zhuǎn)化效果并不理想。二是，針對不同的用戶和灌溉對象，市場上對不同流量規(guī)格灌水器的需求很多，但是這些方法都無法指導(dǎo)設(shè)計出不同流量規(guī)格的灌水器，尤其是針對目前低壓滴灌的興起，在降低系統(tǒng)運(yùn)行壓力(降低能耗)的情況下許多用戶不希望降低灌水器的實(shí)際流量，以達(dá)到盡量維持原有灌溉周期和輪灌方案不變，方便管理。針對市場上對不同流量規(guī)格灌水器的巨大需求，快速簡便及低成本的設(shè)計并制造出滿足用戶需求的灌水器，將具有十分重要的應(yīng)用價值和生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于流量需求的鋸齒型灌水器逆向設(shè)計方法，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶對灌水器不同流量規(guī)格的需求，快速高效設(shè)計鋸齒型灌水器的流道結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，同時保障所設(shè)計灌水器具有較優(yōu)水力性能。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

一種基于流量需求的鋸齒型灌水器逆向設(shè)計方法，其特征在于依據(jù)灌水器流量需求，利用流道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)值優(yōu)選范圍和流量與各流道結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，從流量需求逆向反推優(yōu)選或計算出鋸齒型流道結(jié)構(gòu)參數(shù)值，并進(jìn)行多次試算校正后，最終獲得滿足流量需求的灌水器的鋸齒角度、鋸齒間距、鋸齒高度和流道深度尺寸大小，并定型鋸齒型灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型，具體包括以下步驟：

步驟一，設(shè)灌水器流量需求值為Q₀，依據(jù)公式Q₀＝σ₁A+σ₀確定流道截面積A；

步驟二，在優(yōu)化范圍內(nèi)初步選定流道初始深度值D₁；依據(jù)公式A＝W₁×D₁計算得流道寬度值W₁；所述優(yōu)化范圍為0.58～0.75mm之間；

步驟三，初步選擇鋸齒初始角度值θ₁；再依據(jù)公式

W₁＝B₁/2×cos(θ₁/2) (1)

確定鋸齒初始間距值B₁；

步驟四，初步選擇鋸齒初始高度值H₁；齒尖參差量G固定為0mm，流道總長度L固定為19.6mm；

步驟五，根據(jù)公式

Q₁＝ζ₀+ζ₁θ₁+ζ₂B₁+ζ₃H₁+ζ₄D₁ (2)

初步計算出灌水器流量設(shè)計中間值Q₁；再依據(jù)公式

q_v＝|Q₁-Q₀|/Q₀×100 (3)

計算灌水器流量需求值Q₀和灌水器流量設(shè)計中間值Q₁之間的偏差q_v；

步驟六，當(dāng)q_v＜5％時，最終優(yōu)化確定鋸齒型灌水器流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計尺寸：鋸齒角度θ＝θ₁、鋸齒間距B＝B₁、鋸齒高度H＝H₁和流道深度D＝D₁；q_v大于等于5％時，重回到步驟二中，在0.58～0.75mm之間重新選定流道深度值初始值D₁后，繼續(xù)執(zhí)行至步驟六，如此循環(huán)，直到滿足q_v＜5％；

基于最終優(yōu)化確定的鋸齒角度θ、鋸齒間距B、鋸齒高度H和流道深度D的尺寸，借助CAD畫圖軟件建立灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型，設(shè)計出滿足灌水器流量需求的鋸齒型灌水器。

所述Q₀和Q₁計算公式是基于數(shù)值模擬和大量室內(nèi)實(shí)物正交試驗研究所得，具體過程如下：

基于不同鋸齒型流道結(jié)構(gòu)參數(shù)即鋸齒角度、鋸齒間距、齒高、流道深度之間的正交試驗組合安排，同時借助Fluent模擬軟件分析不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的流道內(nèi)部流動特性和壓力流量分布特征，最后通過實(shí)物制造后的大量室內(nèi)試驗測試和計算分析，得到了灌水器流量與灌水器流道斷面截面積以及與流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)鋸齒角度、鋸齒間距、鋸齒高度、流道深度之間的定量關(guān)系。

所述Q₀和Q₁的計算公式中各系數(shù)的設(shè)置如下：

常壓時，σ₁＝3.9，σ₀＝0；低壓時，σ₁＝2.7，σ₀＝0.078；所述的常壓為：滴灌系統(tǒng)常規(guī)工作壓力，大小為100kPa；所述的低壓為：滴灌系統(tǒng)的正常工作壓力降低到60kPa以下；

常壓時，ζ₀＝-3.985，ζ₁＝1.131，ζ₂＝2.052，ζ₃＝-0.579，ζ₄＝3.599；

低壓時，ζ₀＝-2.874，ζ₁＝0.869，ζ₂＝1.459，ζ₃＝-0.414，ζ₄＝2.546。

所述步驟二、步驟三、步驟四中的鋸齒高度，流道深度和鋸齒角度的選取范圍是基于大量室內(nèi)實(shí)物正交和單因素試驗測試所得，具體過程如下：

基于不同鋸齒型流道結(jié)構(gòu)參數(shù)鋸齒角度、鋸齒間距、鋸齒高度、流道深度之間的大量室內(nèi)正交試驗和單因素試驗測試，同時借助Fluent數(shù)值模擬軟件，以灌水器水力性能和抗堵塞性能為評價指標(biāo)，最終獲得鋸齒型灌水器常壓和低壓下具有較優(yōu)水力性能和抗堵塞性能的關(guān)鍵流道結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計指標(biāo)范圍：

D₁的取值在0.58～0.75mm之間；

常壓時，H₁范圍為0.95～1.05mm,低壓時，H₁范圍為0.92～0.98mm；

常壓時，θ₁范圍為28°～40°,低壓時，θ₁范圍為30°～40°

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明從灌水器流量需求出發(fā)，通過逆向反推優(yōu)選或計算出鋸齒型流道結(jié)構(gòu)參數(shù)值，從而很好地實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶對灌水器不同流量規(guī)格的需求，快速高效設(shè)計鋸齒型灌水器的流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，同時保障所設(shè)計灌水器具有較優(yōu)水力性能，具體為：本發(fā)明通過流道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)值優(yōu)選范圍，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確初選滿足流量需求的灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)中的流道深度、鋸齒高度和鋸齒角度大小；通過流道寬度與鋸齒角度和齒間距之間定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)快速計算出滿足流量需求的灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)中的鋸齒間距；通過流量與各流道結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流道結(jié)構(gòu)各參數(shù)值的快速校正和最終確定。

相比現(xiàn)有灌水器設(shè)計方法，本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)真正意義上根據(jù)用戶及應(yīng)用對象對灌水器流量規(guī)格的需求，快速簡便及低成本的設(shè)計出滿足用戶需求的鋸齒型灌水器，實(shí)現(xiàn)由“流量大小來決定灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸”的灌水器逆向設(shè)計思路，所設(shè)計的灌水器同時具有較好的工作性能，這將極大改變目前市場上用戶或應(yīng)用對象只能根據(jù)市場上已有灌水器流量規(guī)格類型來被動選擇接近需求流量的格局。本發(fā)明對國內(nèi)現(xiàn)有灌水器生產(chǎn)企業(yè)具有十分重要的應(yīng)用價值和生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明鋸齒型灌水器流道深度D定義示意圖；

圖2是本發(fā)明鋸齒型灌水器其它關(guān)鍵流道結(jié)構(gòu)參數(shù)定義示意圖；

圖3為本發(fā)明常壓或低壓下滿足流量需求的鋸齒型灌水器逆向設(shè)計方法流程圖；

圖4是本發(fā)明滿足常壓10m下流量1.78l/h需求時逆向設(shè)計方法所獲得的鋸齒型灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型。

圖1中字母D表示流道深度；圖2中字母分別表示：流道寬度(W)、鋸齒高度(H)、鋸齒角度(θ)、鋸齒間距(B)、齒尖參差量(G)、流道總長度(L)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明相關(guān)鋸齒型灌水器流道各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)定義如圖1和圖2所示。

基于本發(fā)明人課題組多年來針對鋸齒型灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對灌水器水力性能和抗堵塞性能影響的試驗研究成果，本發(fā)明提出了常壓下和低壓下具有較優(yōu)水力性能和抗堵塞性能的鋸齒型灌水器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計指標(biāo)范圍：對于常壓灌水器，鋸齒高度在0.95mm～1.05mm之間，鋸齒角度在28°～40°之間，流道深度在0.58mm～0.75mm之間，齒尖參差量為0mm。對于低壓灌水器，鋸齒高度在0.92mm～0.98mm之間，鋸齒角度在30°～40°之間，流道深度在0.58mm～0.75mm之間，齒尖參差量為0mm。同時，本發(fā)明基于數(shù)值模擬和大量實(shí)物驗證測試等研究手段，獲得了常壓下(10m)和低壓下(5m)鋸齒型灌水器流量Q與流道各結(jié)構(gòu)參數(shù)或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量互饋機(jī)制。本發(fā)明基于常壓(10m)和低壓下(5m)下滿足流量規(guī)格需求的鋸齒型灌水器逆向設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)由流量需求來決定定灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，同時保障所設(shè)計的灌水器具有較優(yōu)工作性能。

下面分別以滿足常壓下(10m)灌水器流量Q₀為1.78l/h和低壓下(5m)灌水器流量Q₀為1.78l/h為例，具體說明基于流量需求下鋸齒型滴灌灌水器逆向設(shè)計方法和步驟，如圖3所示。

1.滿足常壓下(10m)灌水器流量Q₀為1.78l/h的逆向設(shè)計方法和步驟：

1)灌水器需求流量為1.78l/h，依據(jù)公式：Q＝3.9×A，確定鋸齒型流道

結(jié)構(gòu)截面積A的大小為0.456mm²；A為流道結(jié)構(gòu)截面積，單位mm²。

2)在0.58～0.75mm范圍內(nèi)初步選擇流道初始深度值D₁，初步選定D₁為0.58mm,依據(jù)公式：A＝W×D，確定流道寬度W₁＝0.456/0.58＝0.787mm；

3)在28°～40°之間初步選擇鋸齒初始角度值θ₁為28°，然后依據(jù)公式

確定鋸齒初始間距B₁＝2×0.787/cos(28°/2)＝1.62mm

4)在0.95～1.05mm之間初步選擇鋸齒初始高度值H₁＝0.95mm；

5)根據(jù)公式Q＝-3.985+1.131×θ(弧度制)+2.052×B-0.579×H+3.599×D,計算出流量中間值Q₁＝-3.985+1.131×0.489+2.052×1.62-0.579×0.95+3.599×0.58＝1.43l/h；

6)計算流量偏差q_v＝|Q₁-Q₀|/Q₀×100＝|1.43-1.78|/1.78×100＝19.5％,發(fā)現(xiàn)q_v＞5％,重新回到第2)步，重新選擇D₁值，如選擇0.75mm重新計算；D₁的選擇在0.58～0.75mm之間，可利用計算機(jī)進(jìn)行疊代遍歷，直到q_v＜5％時，使得各參數(shù)間達(dá)到一個協(xié)調(diào)優(yōu)化，從而最終確定鋸齒角度θ、鋸齒間距B、鋸齒高度H和流道深度D的尺寸；

7)鑒于灌水器流量設(shè)計中間值Q₁明顯小于需求流量Q₀，根據(jù)本人研究發(fā)現(xiàn)，鋸齒角度θ和滴頭流量存在正相關(guān)，且在28°～40°范圍內(nèi)變化時，在流道寬度W不變的前提下，鋸齒間距B隨著鋸齒角度增加而增大，鋸齒間距B的增大也會帶來灌水器流量的增大。因此考慮只增加鋸齒型角度，在第2)步中，依然選定流道初始深度值D₁為0.58mm，確定流道初始寬度值W₁依然為0.787mm；

8)在28°～40°之間初步選擇鋸齒初始角度θ₁值為38°，然后依據(jù)公式W₁＝B₁/2×cos(θ₁/，2)確定鋸齒初始間距B₁＝2×0.787/cos(38°/2)＝1.67mm；

9)在0.95～1.05mm之間依然選擇鋸齒初始高度值H₁＝0.95mm；

10)根據(jù)公式Q₁＝-3.985+1.131×θ₁(弧度制)+2.052×B₁-0.579×H₁+3.599×D₁,從而計算出流量中間值Q₁＝-3.985+1.131×0.663+2.052×1.67-0.579×0.95+3.599×0.58＝1.72l/h；

11)計算流量偏差q_v＝|Q₁-Q₀|/Q₀×100＝|1.72-1.78|/1.78×100＝3.5％,發(fā)現(xiàn)qv＜5％，此時最終優(yōu)化確定常壓下基于本發(fā)明方法獲得的流道結(jié)構(gòu)各參數(shù)設(shè)計尺寸：流道深度D為0.58mm，鋸齒角度θ為38°，鋸齒間距B為1.67mm，鋸齒高度H為0.95mm；

12)對于鋸齒型灌水器，基于慣用固定的齒尖參差量G(0mm)和流道總長度L(19.6mm)，基于最終優(yōu)化確定的鋸齒型灌水器流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計尺寸：流道深度D(0.58mm)，鋸齒角度θ值(38°)，鋸齒間距B(1.67mm)，鋸齒高度H(0.95mm)，借助CAD畫圖軟件建立灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖4所示，設(shè)計出常壓下滿足流量Q₀＝1.78l/h需求的鋸齒型灌水器。

2.滿足低壓下(5m)灌水器流量Q₀為1.78l/h的逆向設(shè)計方法和步驟：

1)灌水器需求流量為1.78l/h，依據(jù)公式：Q＝2.7×A+0.078，確定鋸齒型流道結(jié)構(gòu)截面積A的大小為0.63mm²；A為流道結(jié)構(gòu)截面積，單位mm²。

2)在0.58～0.75mm范圍內(nèi)初步選擇流道初始深度值D₁，初步選定D₁為0.58mm,依據(jù)公式：A＝W×D，確定流道初始寬度W₁＝0.63/0.58＝1.09mm；

3)在30°～40°之間初步選擇鋸齒初始角度θ₁值為30°，然后依據(jù)公式W＝B/2×cos(θ/2)，確定鋸齒初始間距B₁＝2×1.09/cos(30°/2)＝2.25mm

4)在0.92～0.98mm之間初步選擇鋸齒高度值H₁＝0.92mm；

5)根據(jù)公式Q₁＝-2.874+0.869×θ₁(弧度制)+1.4591×B₁-0.414×H₁+2.546×D₁,從而計算出流量中間值Q₁＝-2.874+0.869×0.524+1.4591×2.25-0.414×0.92+2.546×0.58＝1.96l/h；

6)計算流量偏差q_v＝|Q₁-Q₀|/Q₀×100＝|1.96-1.78|/1.78×100＝10.1％,發(fā)現(xiàn)q_v＞5％,重新回到第2)步；重新選擇D₁值，如選擇0.75mm從重新計算；D₁的選擇在0.58～0.75mm之間，可利用計算機(jī)進(jìn)行疊代遍歷，直到q_v＜5％時，使得各參數(shù)間達(dá)到一個協(xié)調(diào)優(yōu)化，從而最終確定鋸齒角度、鋸齒間距、鋸齒高度和流道深度的尺寸；

7)鑒于灌水器流量設(shè)計中間值Q₁大于需求流量Q₀，根據(jù)本發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，鋸齒高度和流道深度與流量存在負(fù)相關(guān)，因此考慮只增加鋸齒高度和流道深度，因此在第2)步中，重新選擇流道初始深度D₁為0.65mm，確定流道初始寬度W₁為0.97mm；

8)在28°～40°之間依然選擇鋸齒初始角度θ₁值為30°，然后依據(jù)公式

W₁＝B₁/2×cos(θ₁/2)

確定鋸齒初始間距B₁＝2×0.97/cos(30°/2)＝2.01mm；

9)在0.92～0.98mm之間選擇鋸齒初始高度值H₁＝0.96mm；

根據(jù)公式Q＝-2.874+0.869×θ+1.4591×B-0.414×H+2.546×D,計算出流量中間值Q₁＝-2.874+0.869×0.524+1.4591×2.01-0.414×0.96+2.546×0.65＝1.77l/h；此處θ為弧度制；

11)計算流量偏差q_v＝|Q₂-Q₀|/Q₀×100＝|1.77-1.78|/1.78×100＝0.7％,發(fā)現(xiàn)q_v＜5％,，此時最終優(yōu)化確定低壓下本發(fā)明方法計算獲得的流道結(jié)構(gòu)各參數(shù)設(shè)計尺寸為：流道深度D為0.65mm，鋸齒角度θ值為30°，鋸齒間距B為2.01mm，鋸齒高度H為0.96mm；

12)對于鋸齒型灌水器，基于慣用固定的齒尖參差量G(0mm)和流道總長度L(19.6mm)，基于定型的鋸齒型灌水器流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸：流道深度D(0.65mm)，鋸齒角度θ值(30°)，鋸齒間距B(2.01mm)，鋸齒高度H(0.96mm)，借助CAD畫圖軟件可建立低壓灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型，設(shè)計出低壓壓下滿足流量Q₀＝1.78l/h需求的鋸齒型灌水器。

以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。