[发明专利]一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法

说明书

本发明公开了一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，根据灌水器流量Q₀要求，依据相关公式依次确定锯齿型流道结构截面积A的大小；初步选定流道深度D后，依据相关公式确定流道宽度值W；初步选定锯齿角度θ后，依据相关公式确定锯齿间距B；初步选定锯齿高度H；基于优化范围内选定和计算确定的锯齿型流道结构参数：流道深度，锯齿角度，锯齿间距和锯齿高度,计算出初步所设计灌水器流量Q₁；计算Q₀和Q₁的偏差q_v，当q_v＜5％时，认定确定锯齿型灌水器各流道结构参数的尺寸；借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，设计出满足常压或低压下流量Q₀需求的锯齿型灌水器。

技术领域

本发明涉及农业节水灌溉技术领域，具体涉及到一种用于常压(10m)和低压(5m)下基于不同流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法。

背景技术

灌水器(滴头)被誉为滴灌系统的“心脏”，其对滴灌系统运行的寿命和灌水均匀度的保障具有不言而喻的重要性。我国自从20世纪70年代初引进滴灌技术以来，自主开发了微管发丝滴头、管式滴头和孔口滴头等灌水器，由于不具有较好的抗堵塞性能、水力性能和结构形式及制造工艺等方面的问题，到80年代后期已极少应用。20世纪90年代以后，我国一些企业采取两种途径来改善滴头性能，一是完全仿造国外先进的滴头结构，如北京绿源公司仿造了以色列Plastro公司的Katif滴头；二是采用高额引进的办法，即购买国外的滴头专利及其模具，如北京绿源公司制造的Taphoon迷宫滴头。而国际上一些著名的公司，如Netafim、Rainbird、Dis公司等都具有自己的滴头设计所，但流道设计理论和方法均受到严格保密，罕见有相关的对灌水器设计有实际指导意义的文章或专利公开发表。锯齿型灌水器是目前市场上应用最为普遍的灌水器类型，但截至目前，国内厂家对灌水器的研发仍然主要停留在“引进－仿制”的阶段，其主要原因是由于缺乏相应的设计理论指导，灌水器的设计与研发已成为阻碍我国企业与国外厂商竞争的主要因素，我国滴灌技术的健康发展与竞争力的提高，要求我们必须建立自己的滴头设计理论体系和制定相应的技术指标。

近些年来，国内有关学者围绕滴灌灌水器的设计机理，基于室内实物测试试验和数值模拟等手段，就滴灌灌水器内部流体流动特性、灌水器水力性能和抗堵塞性能等内容开展了一些研究，取得了一定成果，一些学者还提出了抗堵塞滴灌灌水器的设计方法，如发明专利“一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法”(ZL200610018493.7)，发明专利“一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法”(ZL200710063794.6)，发明专利“一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法”(ZL 201210013015.2)等。这些发明专利都以计算流体力学(CFD)和Fluent模拟软件为基本方法，基于灌水器单相流和两相流模拟与室内试验测试等技术手段，提出了抗堵塞滴灌灌水器的设计方法，这些专利对国内自主构建抗堵塞灌水器设计方法和理论体系起到了积极作用，但这些发明专利所提出的抗堵塞灌水器设计方法还存在以下不足：一是这些发明专利主要借助先进昂贵的观测设备(PIV)或者相对高端的模拟软件(Fluent)，通过模拟或实测手段去改进优化流道结构参数，以达到较好的抗堵塞性能，这些方法存在明显时间和财务成本。由于现有相关企业存在研发投入不足、科技人员不足等现状，对这些设计方法的消化存在严重不足，导致现有发明专利的使用和转化效果并不理想。二是，针对不同的用户和灌溉对象，市场上对不同流量规格灌水器的需求很多，但是这些方法都无法指导设计出不同流量规格的灌水器，尤其是针对目前低压滴灌的兴起，在降低系统运行压力(降低能耗)的情况下许多用户不希望降低灌水器的实际流量，以达到尽量维持原有灌溉周期和轮灌方案不变，方便管理。针对市场上对不同流量规格灌水器的巨大需求，快速简便及低成本的设计并制造出满足用户需求的灌水器，将具有十分重要的应用价值和生产指导意义。

发明内容