改进的滴灌双向流道结构参数对水力性能影响

王新端, 白丹, 郭霖, 何靖

(西安理工大学水利水电学院, 陕西 西安 710048)

摘要：为了在现有滴灌管(带)生产设备加工成型,改进了滴灌双向流道结构．针对这一新型流道,探索分析流道结构参数对其水力性能的影响．以流道4个关键结构参数为因素,基于正交试验设计方法,设计16组方案并制作流道样件,进行水力性能试验．采用极差分析和方差分析研究各结构参数对水力性能的影响效应．利用多元线性回归,建立流态指数和流量系数与4个结构参数的回归模型．结果表明,流道过水宽度,对流态指数的影响最显著,分水件与边壁距离的影响最小;分水件与边壁距离对流量系数的影响最大．回归模型效果显著,且准确度较高,可用于流道流态指数、流量系数的预测,研究结果可为新型双向流道的参数化设计及其结构优化,提供一定的理论指导．

关键词：滴灌;双向流道;结构参数;水力性能;正交试验设计

王新端, 白丹, 郭霖， 等. 改进的滴灌双向流道结构参数对水力性能影响[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(12):1093-1098.

WANG Xinduan, BAI Dan, GUO Lin, et al. Influence of structural parameters of improved bidirectional flow channel on hydraulic performance in drip irrigation[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(12):1093-1098.(in Chinese)

滴头作为滴灌系统关键部件,决定着整个滴灌系统灌水均匀度、使用寿命等问题,滴头的水力性能一直是设计研发的重要研究问题[1-3]．魏青松等[4]指出滴头流道形式直接影响其水力性能,并提出依靠流道自身结构来提高流道水力性能,在此基础上研发了锥形涡流流道．除了广泛使用的迷宫式流道,近年来国内学者相继提出了一些新型流道结构如分形流道[5]、绕流流道[6]、分流式流道[7]和双向流道[8-9]等．田济扬等[10-11]通过试验和CFD数值模拟方法分析了结构参数对水力性能的影响,表明其具有良好的水力性能,但由于流道整体较宽(整体宽度最小8 mm),在现有的滴灌管(带)生产设备上不易加工成型(一般流道整体加工宽度5 mm),因此需要对流道结构进行改进,以降低生产成本,满足产业化生产需要．

流道结构参数是影响其水力性能的重要因素．喻黎明等[12]研究了齿形和梯形迷宫流道水力特性,结果表明流道转角是影响流道流量系数和流态指数的最显著因素,且均表现为负相关关系．魏正英等[13]认为,流道宽度对流量的影响比单元数的改变对流量的影响更大;李云开等[14]研究指出,流道设计中应尽量减少直线段长度,以增加流道的湍流强度,提高水力性能;李光永等[15]、张俊等[16]、魏青松等[17]和郭霖等[18]指出,流道转角(或者齿尖)对流道流态指数的影响最为显著．上述这些研究主要针对迷宫式流道,文中提出改进的双向流道,流道设计、水力特性等与迷宫式流道不同,结构参数与水力性能的关系有待研究．

文中对文献[10]双向流道结构进行改进,针对改进后的流道基于正交试验设计对流道进行压力-流量试验,研究新型双向流道结构参数对滴头水力性能的影响,通过多元回归建立流道结构参数与滴头流道流态指数、流量系数的量化模型,准确、快速地预测流道的水力性能,为滴灌双向流道研发设计奠定理论基础．

1 流道结构改进

原双向流道结构如图1所示,其工作原理见文献[10]．流道主要由八字形分水件、V字形挡水件和边壁组成．由于分水件和挡水件放置方式及其张角的影响导致流道整体较宽,在现有的滴灌管(带)生产设备上不易加工成型,因此需要对流道结构进行改进．改进的双向流道结构形式如图2所示,流道由进水口、分水件、挡水件、过水流道、边壁和出水口组成,每个分水件和挡水件构成一个流道单元,各部件尺寸如图3所示．

图1 原双向流道结构形式
Fig.1 Structure pattern of original bidirectional flow channel

图2 改进的双向流道结构形式及工作原理
Fig.2 Structure pattern and working principle of improved bidirectional flow channel

图3 流道结构参数及尺寸(单位：mm)
Fig.3 Structural parameters and size of flow channel

改进时仍基于双向流道的工作原理,以充分发挥双向流道水流混掺消能的机制为目的,重新设计分水件为矩形,将流道来流分为正向水流和反向水流;在齿形挡水件的作用下,正、反向两股水流相遇混掺,产生较大局部水头损失,消除有压水流部分能量;混掺水流经过流道截面突扩区进一步扩散消能,最后流出流道．流道整体宽度得以减小(减小至5 mm),可用现有滴灌管(带)设备生产．

2 材料与方法

2.1 流道结构参数选取

由新型双向流道混掺消能工作机制可知,使得流道内水流水体结构发生改变的结构直接影响其水力性能．因此,选取分水件与边壁距离a,挡水件齿倾斜角度b,过水通道宽度c,挡水件底高d这4个参数为双向流道关键结构参数,如图3所示．由于滴头流道结构单元的数目主要影响滴头流量,因此文中以单个双向流结构单元为研究对象,分析各结构参数对流道水力性能的影响,为多单元双向流道设计提供参考．

2.2 试验方案设计

正交试验可以在较少的试验次数下迅速得出各因素的主效应,已广泛应用于工程试验设计．利用正交试验设计将上述4个双向流道结构参数作为因素,根据滴灌滴头压力和流量的实际应用情况和前期试验结果,设定流道结构参数取值水平,最后利用SPSS统计分析软件完成正交表的构造,见表1,其中x为流态指数,k为流量系数,q为100 kPa工作压力的流量．

表1 正交试验方案及流道水力性能参数
Tab.1 Orthogonal experiment scheme and hydrodynamic behaviors of flow channel

试验号流道结构参数a/mmb/(°)c/mmd/mmxkq/(L·h-1)10.401301.001.400.49202.50097.7620.401401.201.000.48792.54337.8230.401501.401.600.48142.69538.1740.401601.301.200.48302.70088.2150.501301.401.000.49152.68108.3160.501401.301.400.48092.74098.2970.501501.001.200.48862.65098.1780.501601.201.600.48242.80098.5190.601301.301.600.48572.78748.53100.601401.401.200.48492.78558.51110.601501.201.400.48482.74168.37120.601601.001.000.49562.70278.46130.801301.201.200.49202.90679.02140.801401.001.600.48982.89408.94150.801501.301.000.48942.81388.68160.801601.401.400.48022.95468.93

3 水力性能试验

3.1 流道样件加工

采用CAD软件辅助设计流道样件．为保证流道的光滑、平整,加工材料为有机玻璃．利用激光线雕刻技术,加工切割(加工精度0.02 mm),保证样件达到较高的精度;流道样件加工按1∶1比例,保证样件与实际流道流动机理相符．流道样件由流道底板与盖板两部分组成,两者由有机玻璃胶水黏合,组成最终的流道样件．

3.2 试验方案

对每组结构参数组合进行样件制作,按照构建的正交试验方案,进行水力性能试验,其测试工作压力分别为10,20,30,40,50,60,80,100,130,150 kPa,每次测试时间为3 min, 体积测量3次,其差值小于2%, 取其平均值为该压力下流道的流量．将各样件不同压力及对应的流量值代入式(1)进行回归计算,得到相应的流道水力性能参数,试验方案及结果如表1所示．

q=khx,

(1)

式中:q为滴头流量; h为工作压力;k为流量系数;x为流态指数．

4 试验结果与分析

4.1 结构参数对流道水力性能的影响

由表1结果可知,不同水平下结构参数组合的流道,流态指数x和流量系数k差别较大,说明结构参数对流道的水力性能有重要影响．利用极差分析,用因素-指标图表示各结构参数不同水平下与流态指数平均值、流量系数平均值的关系(见图4,5),以分析各结构参数对x，k的影响．

图4 结构参数对流态指数的影响效应
Fig.4 Effect of structural parameters on flow index

图5 结构参数对流量系数的影响效应
Fig.5 Effect of structural parameters on flow coefficient

由图4,5可知,影响流态指数因素的重要程度从大到小依次为c,d,b,a;随着a值增加,流态指数呈增加趋势;随着b,c,d值增加,流态指数呈减小趋势．而影响流量系数因素的重要程度依次从大到小为a,d,c,b;随着各结构参数值增加,流量系数呈增加趋势．

极差分析作为直观分析,提供整个系统的总体情形,反映因素对系统指标影响的大小程度,而不能判断其影响是否显著,一般还需进行方差分析,通过F值来评价因素对指标的影响是否显著．流道结构参数对流态指数和流量系数的方差分析如表2,3所示．表中SS为离差平方和,df为自由度,MS为均方,F为各因素均方与误差均方的比值．

表2 结构参数对流态指数影响的方差分析
Tab.2 Variance analysis on effect of structural parameters on flow index

方差来源SSdfMS/10-6Fa0.0000134.542291.52b0.0000632.118907.11c0.0001334.2075614.12d0.0001133.7167312.47误差0.0000132.98062总计0.0003215

表3 结构参数对流量系数影响的方差分析
Tab.3 Variance analysis on effect of structural parameters on flow coefficient

方差来源SSdfMSFa0.1627330.0542447.34b0.0122930.004103.58c0.0190530.006355.54d0.2550030.008507.42误差0.0034430.00115总计0.2230115

由表2,3可知,按显著水平α=0.05检验时,F0.95(3,3)=9.28,c和d对流态指数x的影响具有统计学意义(Fc(3,3)=14.12>9.28, Fd(3,3)=12.47>9.28);a,b对流态指数的影响不具有统计学意义．a对流量系数k的影响具有统计学意义(Fa(3,3)=47.34>9.28);b,c,d对流量系数的影响不具有统计学意义．

由方差分析和极差分析的结果可知,流道过水宽度c、挡水件底高d对流态指数的影响最显著,且随着c，d值的增大,流态指数总体下降明显．过水宽度c值增大,增加了流道反向水流流量,增强了流道的混掺,局部水头损失增大,水流动能下降,流道流量随压力变化敏感性下降,流道水力性能提高,流态指数减小;挡水件底高d增大,挡水件与流道上边壁的过水通道减小,水流流速增加,增强了挡水件后面水流的扩散消能效果,从而流态指数减小．分水件与边壁距离a对流量系数的影响最显著,随着结构参数a值的增大,流量系数总体呈上升趋势．分水件与边壁距离a增大,增加了流道过水宽度,从而流量增加,对流量的变化影响较大,从而流量系数增大．因此在流道设计时可适当增大流道过水宽度c及挡水件底高d的值,同时减小分水件与边壁距离a的值,使得流道流态指数较小,同时流量的波动较小,水力性能更优良．

4.2 结构参数与水力性能的回归模型

为了进一步研究流道结构参数与其水力性能的关系,利用多元回归方法建立数学模型．一方面,从定量角度研究其内在联系;另一方面,可用于快速准确地预测流道的水力性能．现假设流态指数x、 流量系数k与4个结构参数均呈线性关系,形式为

x=α0+α1a+α2b+α3c+α4d,

(2)

k=β0+β1a+β2b+β3c+β4d,

(3)

式中:αi,βi(i=0,1,2,3,4)为回归系数;a,b,c,d为流道结构参数．

采用SPSS软件对表1的16组数据进行多元线性回归(结果见表4,5)．由显著性Sig、复相关系数R可以看出2个回归模型的相关程度较高．文中试验数据自由度为(4,11)．由F表F0.95(4,11)=3.36,远小于Fx=12.314 2，Fk=28.385 4,因而2个回归模型高度显著．

表4 流态指数与结构参数回归模型的方差分析
Tab.4 Variance analysis on regression model betweenstructural parameters and flow index

方差来源SSdfMSFSig/10-4R回归2.647446.618612.31424.70.8174残差0.5912110.5375总计3.238615

表5 流量系数与结构参数回归模型的方差分析
Tab.5 Variance analysis on regression model between structural parameters and flow coefficient

方差来源SSdfMSFSig/10-6R回归0.2033240.0508328.3854010.91170残差0.01969110.00179总计0.2230115

表6,7分别列出了流态指数x、流量系数k与4个结构参数的回归系数及相应的t检验值,由非标准回归系数可得回归方程为

x=0.541 9+0.005 2a-0.000 2b-0.018 4c-0.010 7d,

(4)

k=1.594 1+0.673 0a+0.002 0b+0.229 6c+0.150 5d.

(5)

从表6回归标准系数可知,影响流态指数因素的重要程度从大到小依次为c,d,b,a,其中a与其呈正相关,b,c,d呈负相关,与极差分析结果一致．由t检验可知,c,d对流态指数影响在0.01水平下具有统计学意义,b在0.05水平具有统计学意义,而a不具有统计学意义,这与方差分析的结果稍有不同但b的显著程度不高．

表6 结构参数与流态指数的回归系数及t检验
Tab.6 Regression coefficients and t-test betweenstructural parameters and flow index

变量非标准回归系数标准回归系数tSig常量0.541955.21830.0000a0.00520.17211.33610.2085b0.0002-0.3684-2.85980.0155c-0.0184-0.6060-4.70450.0006d-0.0107-0.5336-4.14260.0016

表7结构参数与流量系数的回归系数及t检验
Tab.7 Regression coefficients and t-test between structural parameters and flow coefficient

变量非标准回归系数标准回归系数tSig常量1.59418.89960.0000a0.67300.84449.42420.0000b0.00200.18632.07940.0618c0.22960.28763.21050.0083d0.15050.28523.18290.0087

从表7回归标准系数可知,影响流量系数因素的重要程度从大到小依次为a,c,d,b,其中b,c,d的排序与极差分析结果稍有不同;但由t检验可知,b,c,d对流量系数的影响是不具有统计学意义,而这与方差分析的结果一致．各结构参数与流量系数呈正相关,与极差分析一致．

4.3 回归模型验证

为了验证回归模型的准确性和可行性,特重新设计a=0.45 mm,b=120°,c=1.1 mm,d=1.3 mm的双向流道进行验证．将这一流道进行样件制作并进行水力性能试验,测得40～150 kPa工作压力下一系列流量值(见图6),拟合可得压力-流量公式:q=2.645 5h0.489 6．将上述流道相关参数值代入回归方程(4),(5)中,得到其压力-流量关系式为 q=2.581 9h0.490 2．

图6 回归模型与验证试验对比曲线
Fig.6 Contrast curves of regression model and verification test

回归模型得到的流道流态指数和流量系数与验证试验所测值的偏差分别为0.49%,2.40%,流量偏差在2.00%左右,因此回归模型的准确度较高,较好地反映了流态指数、流量系数与流道结构参数之间的量化关系,可用于双向流道的参数化设计及其结构优化．

5 结 论

1) 根据现有的滴灌管(带)生产设备的常用加工尺寸,对原有滴灌双向流道结构进行改进,解决了原有设计流道整体过宽的问题,满足了现有滴灌管(带)生产设备加工要求,降低生产成本．

2) 由方差分析和极差分析的结果可知,改进的双向流道过水宽度c,对流态指数的影响最具有统计学意义,分水件与边壁距离a的影响最小,而a对流量系数的影响最大．随着c值的增大,流态指数总体下降明显;随着a值的增大,流量系数总体呈上升趋势．这一结果有助于设计流态指数较小、流量波动较小的性能优良的双向流道滴头．

3) 利用多元线性回归方法建立了改进的双向流道流量系数和流态指数与4个关键结构参数之间关系的数学模型,并通过试验验证了模型的可行性和准确性．可用于流道流态指数和流量系数的快速预测,为流道的研发设计提供理论指导．

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(责任编辑 徐云峰)

Influence of structural parameters of improved bidirectional flow channel on hydraulic performance in drip irrigation

WANG Xinduan, BAI Dan, GUO Lin, HE Jing

(Institute of Water Resources and Hydroelectric Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an, Shaanxi 710048, China)

Abstract：The size of the existing bidirectional flow channel was so large that it was difficult to produce in current drip irrigation production facility. In order to solve this problem, the structure of flow channel was redesigned by means of changing the placing ways of dividing water and the blocking water objects and reducing the size of structure parameters. To the new flow channel, 16 hydraulic tests were carried out with the orthogonal design method to research the effects of 4 key structure parameters on hydraulic performance. The results obtained from range analysis and variance analysis show that the width of flow path is the most important factor affecting the flow index, and the flow coefficient is se-riously influenced by the distance between dividing water object and flow channel boundary. Then two models about flow index and flow coefficient to 4 key structure parameters are established according to the multiple linear regression method. It has been verified that the two models are able to express the relationship between the 4 key structure parameters and the hydrodynamic behaviors. These conclusions can offer guidance for the structural optimization of bidirectional flow channel and make the hydraulic performance of the new channel better.

Key words：drip irrigation;bidirectional flow channel;structural parameters;hydraulic performance; orthogonal design

doi：??端

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0009

收稿日期：2016-01-13;

网络出版：时间： 2016-12-09

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20161209.1004.006.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51299156); 高等学校博士学科点专项科研基金联合资助课题(20116118110010); 陕西省农业科技攻关项目(2010K02-08)

作者简介：王新端(1985—),男,河南南阳人,博士研究生([e-mail]),主要从事节水灌溉技术研究． 白丹(1960—),男,重庆开县人,教授,博士生导师(通信作者,[e-mail]),主要从事节水灌溉理论与技术研究．

中图分类号：S275.4

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2016)12-1093-06