滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究

1、滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究2005年12月农业机械第36卷第12期滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究魏正英唐一平赵万华卢秉恒-R-【摘要】在对迷宫流道结构特征参数提取的基础上,应用快速成形制造技术制作一体化灌水器实验原型,进行了灌水器水力性能实验.应用多元线性回归拟合出了压力一流量关系式和回归曲线图,提出以梯形单元为主特征的流量与结构特征参数关系公式,通过实验验证了其可行性和准确性,建立了此种流道流量一压力一结构之间的关系.进一步分析了流道制造偏差对灌水器流量的影响,为迷宫型灌水器参数化结构设计和制造中的精度控制提供了理论依据.关键词:滴灌灌水器迷宫流道特征参数水力性能回归

2、分析中图分类号:$275.6文献标识码:AStructureandHydraulicPerformanceExperimentalResearchonLabyrinthChannelsofDripIrrigationEmittersWeiZhengyingTangYipingZhaoWanhuaLuBingheng(XianJiaotongUniversity)AbstractOnthebasisofpickingupthestructuralfeatureparametersoflabyrinthchannelsofdripirrigationemitters,thehydraulicspe

3、rformanceexperimentsonintegrallabyrinthemitterswereperformedinordertosummarizethedesignprincipleforlabyrinthchannels.Theintegrallabyrinthemittersweremadebymeansofutilizingrapidprototypingtechnique.Usingmultivariablelinearregression,formulasofpressureversusflowandregressionplotsfordifferentemitterswe

4、reinduced.Theformulasofflowversusstructuralfeatureparametersweresummarizedbasedonthetrapezoidunit,andthoseregressionformulaswereverifiedthroughexperiments.Therelationshipsamongflow,pressureandcrosssectiondimensionofthislabyrinthchannelwereestablished.Furthermore,theeffectofchannelfabricationerroront

5、heflowrateofemitterswasanalyzed,whichprovidedabasisforparameterizedstructuraldesignandprecisioncontrolinthefabricationofemitters.KeywordsDripirrigationemitter,Labyrinthchannels,Featureparameters,Hydraulicsperformance,Regressionanalysis引言迷宫型滴灌灌水器结构精细复杂,迷宫流道对其水力性能影响较大,但目前尚无成熟的理论指导迷宫流道的设计,主要通过反复实验验证设计结

6、构的合理性,这就制约了高性能灌水器流道的设计,不便于灌水器产品的系列化开发.雷显龙.总结了国内外专家的研究成果:滴头的水力性能由流道的形式,尺寸,材料等因素共同决定,局部水头损失是流道耗能的主要形式,管道流态收稿日期:20040809*国家自然科学基金资助项目(项目编号:50275119)和国家”863”高技术研究发展计划资助项目(项目编号:2002AA2Z4081)魏正英西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室副教授,710049西安市唐一平西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室教授博士生导师赵万华西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室教授博士生导师卢秉恒西安交通大学机械制造系统工

7、程国家重点实验室教授博士生导师农业机械理论不能解释小截面锯齿形迷宫流道的水流现象.由于迷宫流道结构形式很多,在此对典型的迷宫流道结构进行特征参数提取,改变不同特征参数,利用一体化灌水器流量实验总结出灌水器性能与结构之间的关系,为灌水器的设计提供理论依据.1迷宫型灌水器流道结构特征参数CAD1.1迷宫流道结构特征参数提取为了方便得出迷宫型灌水器流道结构与其水力性能之间的关系,在此选择在内镶滴片上常用典型的梯形迷宫流道为例.梯形迷宫流道结构形状规整,结构参数比较典型,可找出代表迷宫流道结构特征的参数进行提取.对梯形迷宫流道结构进行分析,首先将梯形流道单元作为特征单元,根据灌水器流量及抗堵设计要求,

8、主要控制的结构参数为流道的过水截面积(流道宽度a流道深度6),依据实际应用情况和简化实验分析取流道深度b一1ITlm,得到的梯形流道特征单元结构如图1所示.而迷宫流道是由个流道单元首尾相连组成,因此图1梯形流道特征单元Fig.1Featureunitoftrapezoidchannel将流道宽度a与流道单元个数结合起来,作为限定灌水器流量的流道特征参数,以期找出特征参数与流量的定量关系,用以指导灌水器的结构设计.如图2为迷宫单元数/-/一12和24的梯形流道结构.【b)图2梯形迷宫流道结构形式Fig.2Structureoftrapezoidlabyrinthchannel(a)一12(b)=

9、241.2迷宫型灌水器特征参数流道结构设计针对梯形迷宫流道结构特征参数流道的宽度a和流道单元数规,取不同的参数值进行梯形迷宫流道CAD设计,制作一体化灌水器实验样件,进行灌水器水力性能实验,以分析梯形迷宫灌水器流道结构特征参数与其水力性能之间的关系.根据灌水器实际应用情况,灌水器梯形迷宫型流道单元宽度特征参数a分别取0.8mm,1.0mm和1.2mm.针对相同流道宽度的灌水器结构设计,其上分布的流道单元数分别取8,12,16,24,36,48等,形成根据不同流道宽度a,不同的流道单元数和排布方式的特征参数化梯形迷宫流道结构设计思想.基于此设计出图3的实验用灌水器流道结构CAD模型.(a)(b)

10、图3实验用灌水器流道结构CAD模型Fig.3CADmodelsofemitterchannelforexperiment(a)a=1.0mm,=36(b)a一1.0mm,=48为快速进行实验,将灌水器与其外管一体化设计,应用快速成形技术成形出每组25个的灌水器一体化实验原型,可直接接入输水管进行灌水器水力性能实验43.图4为成形出的特征参数a一1.0mm,一48的灌水器一体化实验原型,标记为:T一0816,T一0824,TO836,T一18,T一116,T一136,T一148,T一1216,T一1236等.其中T为梯形单元,1或O8为梯形单元流道宽度a,8,16,24,36,48为构成流道的单

11、元个数.为检验灌水器实验件的精度,用VH一8000型显微系统进行实验流道尺寸测量,得到流道的尺寸误差均小于5,符合灌水器国标【5机械性能试验和要求”的制造厂规定精度(5以内),可见,基于RP技术的一体化灌水器原型可应用于灌水器水力性能实验中6.图4口一1.0mm,n一48的灌水器一体化实验原型Fig.4Integralexperimentprototypeofemitter2一体化灌水器水力性能实验分析2.1一体化灌水器水力性能实验平台实验方案参照农业灌溉设备滴头技术规范和试验方法(GB/T171871997)Is3,灌水器一体化实验原型的布局示意图如图5所示.一.蔷_蕊:-?_簧.:-瞄1.

12、3m图5试验台上一体化灌水器连接布局图Fig.5Layoutofintegralemittersontestbench通过实际测试,在试验所测量的压力范围(40150kPa)中,实验台压力波动变化范围小于2%,表第12期魏正英等:滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究明此实验装置具有良好的压力稳定性,为流量实验数据的准确性奠定了基础.2.2灌水器压力流量数据处理根据微灌灌水器国标5,由灌水器水力性能实验所测出的压力流量数据,拟合出各特征参数迷宫流道的压力一流量关系式,其关系式不是线性的但却是可线性化的.对灌水器压力一流量关系式q一是H,两边取对数,可表示为7lgq一lgkd+xlgH(1)式

13、中实验流量是流量系数H实验压力压力和流量的对数成线性关系,以式(1)作为回归方程,根据不同压力及其流量,按最小二乘法计算和k值,压力和流量的相关系数为R.2lgHlgq一1,2lgH2lgq一ka=IO(E一gm(1g/-/gq)一lgHR-_=I2lg.一(2lg.).lIl一().l.(4)2.3灌水器结构水力性能回归分析灌水器的流量与压力间的幂函数关系可线性化表示为式(1).令lgq,bolgkd,b1一lgH,可得y=b.+6.在求得Y的回归方程和预测区间后,再按q=lgy的逆变换回原变量q,此时q的回归方程为曲线回归方程.数据回归处理用SPSS数据分析软件完成,优度检验判定系数Rsq

14、均接近于1,回归曲线拟合程度很高,样本回归方程的代表性很强.相伴概率为零,小于0.05,拒绝零假设,认为回归方程中至少有一个因自变量的系数不为零,该回归方程有意义.得到的迷宫流道灌水器的压力流量关系如表1所示,其额定流量q为当压力为100kPa时,压力一流量曲线上对应的流量值.流态指数是反映灌水器流量随压力变化敏感程度的数值,对于非压力补偿式灌水器值越靠近0.5,流量对压力敏感程度就越小g.从表1可看到所设计的灌水器流态指数均靠近0.5,其流量随压力的波动变化较小,可见梯形单元流道具有良好的水力性能.图6为压力一流量回归曲线图.可以看出,流道宽度a相同时,灌水器随单元数增加,曲线越平缓,也就是

15、随压力波动流量变化较小,水力性能越好;相同单元数的梯形迷宫流道随流道宽度越小,流量表1压力流量关系Tab.1Relationshipbetweenpressureandflowrate灌水器类型q./L髓.h-1流数关系式如图6压力一流量回归曲线图Fig.6Regressioncurveofpressureandflowrate也就越小;减小流道尺寸引起的灌水器流量的变化比增加流道单元数所引起的流量的变化幅度要大.这就为以后设计不同流量的灌水器结构提供了参考,若想获得流量明显不同的灌水器,可以通过改变流道宽度尺寸实现.3迷宫流道特征参数与流量关系公式回归3.1流道单元数与流量Q的关系公式建立与

16、实验检验从表1的分析可看出:当流道截面宽度a一定时,流量系数和流态指数随着流道单元数的改变而改变,结合公式(1)以及由SPSS回归得出的流量系数k和流态指数,设定单元数()与流量系数(是)和流态指数()的多项式分别为k一厂()一a0+a1+a2n+a3n.(5)g()一b0+bin+b2n+b3n.(6)农业机械式中,no,n1,n2,n3和bo,b1,b2,b3为待定系数.利用SPSS软件的多项式回归计算方法分别计算出待定系数,将k和代回流量压力公式,即可得到流道单元数与流量Q,压力H之间的经验公式.这样建立的灌水器单元数与流量Q,压力H之间的计算关系公式为Qf(n)H(7)所回归出的迷宫型

17、灌水器QH一关系公式,按流道宽度日分别为0.8mm,1.0mm和1.2mm,则为Q=(0.92590.0697n+0.0026n一3.010)?H.5n-0,001ln2+1.3><10(n:1)(0.1710.7908n+0.0312n一1.010.)?H.?.+.?467n-0,.+.8n3(n:0.8)(0.4796-0.0026一5.010一)?H.-.9n-3,010(a=1.2)为了检验上述灌水器QH一公式(8)的准确性和可行性,在此设计了流道单元数一20,宽度n一1.0mm的梯形迷宫灌水器,制作了一体化灌水器(T一120),按照灌水器水力性能试验条件测出了在各个压力点

18、下的流量值,并拟合出其压力一流量回归公式为q一0.3589H.?.根据上面压力一流量一单元数回归公式可分别推算出40150kPa下12个压力点的流量,用图表示可得如图7所示的对比曲线.从图中可看到两种方法之间的偏差,QH一公式的计算值虽有逐渐增大的趋势,但整体一致性较好.其中极限值在两端,试验条件如下:h,一4m,Q一2.3508L/h;h,一15m,图7T一120的实验和计算对比曲线图Fig.7ContrastcurveofexperimentandcomputationQ一4.6099L/h.而对应于用回归公式计算出的值为:h,一4m,Q一2.3946L/h;h,一15m,Q一4.7759

19、L/h.从图中可看到两条曲线有相同的趋势,虽然随着压力H的提高两曲线之间的误差有所增大,但实际使用压力范围小于100kPa,因此,采用回归的QH一公式对灌水器设计具有一定的使用价值.一0.0184rain07?04一Aql50.03615m050ax一?015其流量误差量均小于4,说明所回归出的灌水器QH一关系公式(8)具有良好的可行性和准确性,可用于梯形迷宫灌水器结构设计中,从而为滴灌灌水器的参数化软件提供结构设计依据.3.2梯形流道宽度n与流量Q的关系公式回归与分析从前面的数据对比分析可看出:梯形迷宫流道的另一特征参数流道宽度n对流量的影响比单元数的改变对流量的影响更大.对流道截面尺寸n和

20、流量Q,压力H的关系式进行回归,过程同3.1节.得出流道宽度与压力流量的关系公式为Q一(0.45730.5677a+0.455la.)?一.?.?.8a-O,2704aa(一16)(一0.7019+1.2916a一0.2646a0)?(9)H.-.-6a-O.0146aa(一24)(一2.40143.915la一1.14a0)?H?.6-2.la+1662aa(一36)回归出的迷宫流道流量压力一宽度(QHn)关系式(9),不但可为迷宫流道的结构设计提供理论依据,而且通过式(9).-j-以得出流道结构尺寸的变化对灌水器流量的影响,这样可预测灌水器流道制造偏差对流量的影响程度,从而为灌水器的设计制

21、造精度控制提供依据.图8给出100kPa压力下3种流道由于制造偏差Aa(ram)变化而引起的流量变化AQ(L/h)曲线.当单元数相同,随着压力的增大,由于制造偏差而引起的流量偏差是逐渐增大的,变化曲线趋于平缓;而流道截面宽度越大制造偏差n所引起的流量偏差越小.按照GB/T171871997,流量偏差小于5为制造偏差fmm图8制造偏差一流量偏差变化曲线Fig.8Variationalcurveofmanufacturingerrorsandflowrate第12期魏正英等:滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究A级(优等品),流量偏差小于10%为B级(合格品).表2给出合格与优等的梯形流道灌水

22、器临界制造偏差值.表2合格与优等梯形迷宫流道灌水器临界制造偏差值Tab.2Criticalmanufacturingerrorsofacceptableandexcellentemitters对于T一0816梯形流道灌水器,当制造偏差为0.025mm时,流量偏差近似等于5%;制造偏差为0.048mm时,流量偏差近似等于10%;故偏差在0.025mm以内为优等品,在0.048mm以内才能保证合格.而对于T一1016梯形流道灌水器,当制造偏差达到0,032mm,流量偏差才等于5%;制造偏差为0.07mm时,流量偏差为10%;对T一1216梯形流道灌水器制造偏差甚至达到0.2mm时,流量偏差才接近5

23、.由此可见,对于不同流道宽度的灌水器,随着流道宽度的增加,制造偏差对流量偏差的影响减小.对于T一0816,T一0824,T一0836三种灌水器,灌水器质量达到优等及合格的制造偏差值分别为:0.025mm,0.01mm,0.004mm以及0.048mm,0.025mm,0.013mm.由此可见,对于相同流道宽度,不同流道单元数的梯形迷宫灌水器,随着单元数的增加,其加工精度要求越高.因此针对灌水器使用要求,通过控制其设计精度和模具制造精度来保证灌水器的精度.4结论(1)针对典型的梯形迷宫灌水器流道结构,提取迷宫流道的结构特征参数进行灌水器特征参数化结构设计,应用一体化灌水器水力性能实验平台可进行其水力性能实验研究.利用多元线性回归分析可以得出:流道单元数越多或单元尺寸越小,压力流量曲线越平缓,即流量均匀,受