变量灌水器独立双流道结构设计与优化研究

孙钰理; 刘旭飞; 杨福慧; 张林; SUN Yu-li; LIU Xu-fei; YANG Fu-hui; ZHANG Lin

doi:10.12396/jsgg.2023453

节水灌溉 ›› 2024 ›› (4) : 34-44. DOI: 10.12396/jsgg.2023453

灌溉工程与装备

变量灌水器独立双流道结构设计与优化研究

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Research on Design and Optimization of Variable Emitter with Independent Double Channels

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摘要

新疆灌溉农业通常在作物生长期采用低流量滴灌以提高水分利用效率，而后在休耕期采用沟灌洗盐来防止次生盐碱化。这个相对复杂的农业生产过程可能会增加新疆当地劳动力和资源过度投入。为此，通过3D打印技术开发了一种具有独立双重流道的新型变量灌水器，该灌水器在两个工作水压水平（6~10 m和12~15 m）下具有灌溉和洗盐功能。通过室内试验分析了变量灌水器基本水力性能（流量系数、流态指数），然后利用计算流体动力学（CFD）和通径分析相结合的方法，研究了变量灌水器水力性能对流道宽（w）、流道深（D）、流道长（L）、齿高（h）和齿底距（b）的响应。结果表明，随着工作水压从6 m增加至10 m，变量灌水器出流量从1.6 L/h缓慢地增加到2.1 L/h，当工作水压进一步增大至12 m时，变量灌水器出流量急剧达到4.5 L/h，增幅达114.3%，这说明通过调节工作水压，所设计的变量灌水器可原位实现灌溉功能（较小流量）和洗盐功能（较大流量）的自由切换。根据新疆当地农田实际灌溉定额和盐碱化程度，推荐了适宜的变量灌水器流道参数。例如，在轻度盐碱地中，变量灌水器适宜的w、D、h、L和b分别为0.60、0.60、0.80、8.80和0.60 mm。

Abstract

The agricultural planting system in Xinjiang commonly employs the drip irrigation with low discharge during the growth period to improve the water use efficiency, and then applies furrow irrigation at fallow period to restrict the secondary salinization. However, this relatively complex process increases the input of labor and material resources. To address this, this study developed a new variable emitter with independent double channels by 3D printing technology. The emitter was designed to provide irrigation and salt-leaching capabilities under two different working water pressure levels (6~10 m and 12~15 m). The basic hydraulic performance of variable emitter was tested by laboratory experiments. Computational fluid dynamics (CFD) combine with path analysis were then used to investigate the effect of hydraulic performance of variable emitter response to the width (w), depth (D), length of flow channel (L), height (h) and distance of tooth (b). The results demonstrated that the discharge of the designed variable emitter smoothly increased from 1.61 L/h^{to 2.08 L/h with the development of working water pressure (6~10 m), and then sharply reach to 4.50 L/h at working water pressure by 12 m. This indicated that variable emitter could be used for both irrigation and salt-leaching under two water pressure levels. Considering the practical application requirements of related to irrigation quota and salinization degree in most farmland in Xinjiang, the suitable flow channel parameters of variable emitter were recommended. For instance, the appropriate values for w, D, h, L and b of variable emitter were 0.60 mm, 0.60 mm, 0.80 mm, 8.80 mm, and 0.6 mm for the utilization on slight saline-alkali farmland, respectively.}

关键词

变量灌水器 / 独立双重流道 / 水力性能 / 盐分淋洗 / 洗盐 / 结构优化 / 数值模拟

Key words

variable emitter / independent double channels / hydraulic performance / salt washing / salt-leaching / structural optimization / numerical simulation

基金

“十四五”国家重点研发计划课题(2022YFD1900403)

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孙钰理 , 刘旭飞 , 杨福慧 , 张林. 变量灌水器独立双流道结构设计与优化研究[J].节水灌溉, 2024(4): 34-44 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023453

SUN Yu-li , LIU Xu-fei , YANG Fu-hui , ZHANG Lin. Research on Design and Optimization of Variable Emitter with Independent Double Channels[J].Water Saving Irrigation, 2024(4): 34-44 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023453

0 引言

土壤盐渍化是破坏土地资源、严重威胁生态系统安全与稳定的全球性问题，同时也是中国生态环境与农业生产长期平稳发展需要处理的主要问题^[1-3]。新疆是重要的粮食生产基地和棉花产地，为中国的农业发展和农产品供应做出了重要贡献。但其盐渍化耕地面积居全国之首，是中国盐碱土分布面积最广、种类最多样、积盐最严重、改良最困难的典型盐渍区^[4-6]。据统计，新疆盐渍化耕地占新疆耕地总面积的30.85%，占中低产田的60%以上，严重制约了新疆农业的可持续发展^[7]。盐碱化造成该地粮食年产量平均损失高达20~50 亿kg，其中棉花产量损失高达5 亿kg^[8]。总的来说，盐碱化对作物生产力和当地经济产生了重大不利影响，因此减缓土壤盐分胁迫，为作物提供适宜的土壤环境是提高作物生产力，保障粮食安全的重要手段。

新疆干旱缺水和土壤盐渍化问题严重，目前在新疆常用的水利工程改良措施包括灌水洗盐、明沟排水、暗管排盐、膜下滴灌等，均取得了较好的效果^[9]。然而，灌水洗盐需要大量淡水，在某些淡水资源短缺的地方，难以满足要求。明沟排水占用的土地空间较大，容易坍塌，且排盐效果受明沟深度限制，不利于大面积推广。暗管排盐需要进行排水管道的设计、施工和维护，实施应用较为困难。膜下滴灌系统的建设和安装初始投资成本较高，且设计和操作需要一定的技术知识和经验，对农民的农业生产技术要求较高。在新疆人们常在夏秋季节进行耕作，冬春季节大水漫灌洗盐，这是我国新疆等干旱盐碱地区广泛采用的水盐管理办法。冬春灌是南疆地区抑制土壤盐渍化的一种有效方法，冬春灌可对作物生育期积累的盐分进行淋洗，为作物出苗、成苗创造适宜的低盐环境，但不合理的冬春灌模式和淋洗定额导致灌区水资源浪费严重，灌溉效率低下^[10]，而且需要花费大量的人力、物力、财力。

滴灌是一种高效节水灌溉技术^[11]，具有灌水均匀性好、水肥利用率高、提质增产等优点^[12]。越来越多的研究表明，多阶段的调度（强化浸出、常规浸出和精准水盐调控）有利于盐分的充分淋洗，并持续为作物提供适宜的盐分环境，但实现多阶段的调度常使用张力计等传感器控制滴头流量，这无疑增加了滴灌系统的复杂程度和工程投资成本，难以在农户中大面积推广与使用。同时滴灌时效性较差，当灌水定额较高时，单次灌水时间很长，这将导致在土壤封冻及播种前难以完成大面积的农田冬灌、春灌任务。此外，低温下水的结冰风险也会增加，若使用小流量压盐，可能会导致管道结冰，甚至损坏灌水器。然而若提高压力来增大流量，会导致灌水器的设计和工作原理超出了其最大承受的压力范围，可能会导致灌水器损坏或水流不稳定。过高的压力还会增加水的喷洒范围和强度，使水流无法准确地覆盖到植物根部，造成水资源浪费和不均匀灌溉。由此可知，目前现有的滴灌技术无法同时解决灌溉和土壤盐渍化问题。党亚平等^[13]将传统灌水器的单流道设计为双流道，结果发现能够有效提高滴灌带的抗堵塞性能。李良等^[14]也设计了一种双流道灌水器，能够根据植物根部直径及其生长要求调节流量大小。

为提高新疆盐碱耕地水分利用效率，降低冬春灌洗盐用水定额，本文以传统的滴灌灌水器为基础，设计了一种兼具灌溉、洗盐功能的双流道新型变量灌水器。该灌水器内部设有独立双流道，并在进水口处加装弹性膜片，使膜片受压变形，实现双流道按压分级启动，通过调节灌水器工作压力即可短时间内达到灌溉、洗盐功能转换的效果。为进一步确定适宜的双流道变量灌水器结构参数，采用室内试验和数值模拟相结合的研究方法，分析了灌水器结构参数对其水力性能的影响，结合新疆盐碱地实际作物生长和洗盐用水量需要，以灌水器大、小流量转换最明显作为优化目标，确定适宜的灌水器结构参数。研究结果可为降低新疆盐碱耕地洗盐定额提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 变量灌水器结构设计

随着滴灌灌水器的发展及其水力性能的逐步优化，本文在对滴灌设备的结构形式、水力性能等研究的基础上，设计出一种灌溉洗盐双用变量灌水器。对不同结构参数下的方案进行试验，构建出了结构参数与流态指标之间的相关性，并对各个结构参数对灌水器水力性能的影响进行分析，可以更好地设计和优化灌水器，以提高其流量、水压稳定性和均匀性等性能指标。这对于滴灌设备的发展和优化有着重要的参考价值。

1.1.1 变量灌水器设计思路

土壤盐渍化和干旱缺水制约了新疆地区农业的可持续发展，由于西北地区土地盐碱化程度较高，严重影响农业综合发展，本文设计了一种新型变量灌水器，采用不同结构参数的独立双流道结构，见图1(a)。变量灌水器上设有进水口、洗盐流道、灌溉流道、变形调节腔、弹性膜片和出水口等结构，弹性膜片置于变形调节腔上，根据工作压力改变洗盐流道进水口面积，达到按压分级启动双流道、调节变量灌水器流量的目的，从而实现灌溉模式和洗盐模式的自由调换。

图1 变量灌水器结构设计

注：1-洗盐流道进水口；2-弹性膜片；3-灌溉流道进水口；4-洗盐流道；5-灌溉流道；6-出水口；w为流道宽；D为流道深；h为齿高；L为流道长度；b为齿底距。

Fig.1 Variable discharge emitter structure design

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受压力补偿式灌水器启发，弹性膜片在水流压力下产生形变，进而改变灌水器出流量。根据洗盐流道开启过程将弹性膜片变形分为3个阶段：快速变形阶段，水流从进水口进入挤压弹性膜片，由于开始水压较小，水压无法使洗盐流道开启，弹性膜片只能逐渐接近洗盐流道进水口；缓慢变形阶段，进水压力逐渐增大使弹性膜片向下压缩，洗盐流道进水口未打开；微小变形阶段，随着压力继续增加，弹性膜片完全压缩，其变形不会影响灌水器的出流量，洗盐流道完全打开，洗盐模式开启。

使用三维建模软件SolidWorks软件对变量灌水器进行三维建模。在SolidWorks中草图界面，以正视图为基准面，绘制出迷宫流道灌水器的平面图，然后根据尺寸表所给参数对平面图进行1∶1定义，通过特征工具栏下的拉伸命令对平面图进行拉伸得到变量灌水器的三维模型，使用3D打印技术制作变量灌水器试验件，材料采用进口NEXT树脂，精度为0.1 mm，利用这些试验件完成水力性能试验，试验件见图1(c)。

1.1.2 变量灌水器工作原理

对内部流场与弹性膜片进行形变、等效应变过程的静态过程模拟，不同压力状态下弹性膜片变形情况，数值模拟结果如图2所示。由灌水器内部流场压力分布变形图可知：相同尺寸下，弹性膜片在不同工作压状态下发生明显变化，说明该处为洗盐模式开启的关键触发区域，流量输出与该处结构具有较强相关性。

图2 弹性膜片形变过程

Fig.2 Deformation process of elastic diaphragm

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当控制灌溉系统工作压力较小时[见图3(a)]，即快速变形阶段和缓慢变形阶段，低速水流的冲击作用无法使弹性膜片的变形量开启洗盐模式，此时水流无法进入洗盐流道，仅通过灌溉流道进行消能，灌水器的流量较小。当灌溉系统工作压力较大时[见图3(b)]，即微小变形阶段，弹性膜片受到较高流速水流的冲击作用变形严重，此时洗盐模式逐渐开启，一部分水流经过洗盐流道消能后从出水口流出，灌水器的出流量显著增加。通过变量灌水器实现了低压灌溉，高压洗盐一系统两用的功能。

图3 灌溉和洗盐模式变量灌水器工作状态

注：1-灌溉流道入水口；2-洗盐流道未开启；3-出水口；4-洗盐流道开启。

Fig.3 Irrigation and salt washing mode Variable discharge emitter working state

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1.1.3 流道参数选择

流道结构参数是灌水器水力性能的决定因素，根据前人研究结果，选取影响其水力性能的关键结构参数包括w（流道宽）、D（流道深）、h（齿高）、L（流道长）、b（齿底距）、θ（齿角）^[15-17]。这6个参数可以确定齿形道单元平面形状。

灌溉流道结构参数参考市面上常用的迷宫流道灌水器结构尺寸（耐特菲姆）进行设计，该结构尺寸具有较好的水力性能，w为0.50 mm，D为0.48 mm，h为0.40 mm，L为8.80 mm，b为0.30 mm。变量灌水器洗盐流道结构参数根据正交试验设置，其流道结构参数见图1(b)和图1(d)。

1.2 试验设计

1.2.1 水力性能试验

（1）试验材料。试验装置由蓄水桶（高60 cm，直径60 cm），自吸泵（功率0.75 kW，扬程45 m），精密压力表（量程0.16 MPa），电子秤（精度0.01 g），控制阀门，毛管（长6 m、内径16 mm）和尾部排水管等组成^{[18, 19]}，见图4。

图4 灌水器性能模型验证

注：1-水桶；2-精密压力表；3-变量灌水器；4-自吸泵；5-量筒；6-精密电子秤。

Fig.4 Emitter performance model validation

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（2）试验设计。试验于2023年3-6月在西北农林科技大学水力学大厅内进行，试验用水为杨凌自来水。试验开始前首先将压力调至最小测试压力20 kPa并保压3 min，然后调制最大测试压力160 kPa保压3 min，循环3次后将压力值调至160 kPa保压42 min，整个调节过程持续1 h结束。每次测量前调整压力至压力表读数稳定后保持压力6 min，然后将量筒移至灌水器正下方开始测量，每组方案灌水器试件安装20个，在20~160 kPa工作压力下进行流量测试，每次测试时间均持续5 min，每个压力点测试5次取其平均值。

1.2.2 数值模拟

（1）基础理论。变量灌水器中的流体是常温水，它被认为是不可压缩的黏性流体，基本控制方程^[20]为连续性方程[式（1）]和动量方程[式（2）~式（4）]：

\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0

（1）

ρ \frac{\partial u}{\partial t} + ρ d i v (u \bar{u}) = μ d i v (g r a d u) - \frac{\partial p}{\partial x} + F_{u}

（2）

ρ \frac{\partial v}{\partial t} + ρ d i v (v \bar{u}) = μ d i v (g r a d v) - \frac{\partial p}{\partial y} + F_{v}

（3）

ρ \frac{\partial w}{\partial t} + ρ d i v (w \bar{u}) = μ d i v (g r a d w) - \frac{\partial p}{\partial z} + F_{w}

（4）

式中：u为流体速度，m/s；u、v、w分别为流体粒子在空间三维方向x、y、z上的速度分量，m/s；ρ为水的密度，kg/m³；μ为动力黏度，（N·s）/m²；p为流体粒子上的压力，Pa；F_u 、F_v 、F_w 为流体粒子在空间三维方向x、y、z上的体力，N/m³；div表示散度；grad表示梯度。

（2）网格划分与边界条件。为更好地适应模型平衡计算质量和时间，将流体模型采用非结构四节点四面体网格单元进行几何离散。通过划分网格、设置边界条件以及计算出流量，对流体网格进行无关性检查分析。最大尺寸为2.99 mm，变量灌水器对应的整体网格总数为98 589，流体域网格划分见图4(a)。进口采用压力入口，进口压力为0.02~0.16 MPa，出口的压力设置为0 kPa，壁面采用无滑移壁面条件，数值计算采用有限体积法离散控制方程，对流项等各参数的离散采用高阶精度格式，速度和压力的耦合采用Coupled算法求解，收敛精度为10^-6。

（3）湍流模型确定。灌水器流动问题的数值模拟常用的湍流模型有标准k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε模型。为了比较不同湍流模型对变量灌水器内流动模拟结果的影响，分别采用上述3种k-ε模型进行连续相流体进行数值模拟，得到相应的水力性能曲线，见图4(c)。

灌水器的水力性能利用式（5）来表征，通过式（6）和式（7）计算得到不同模型下水力性能参数K_d 与x ^[21]，见表1和表2。

q = K_{d} h^{x}

（5）

x = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (l g h_{i} l g q_{i}) - \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (l g h_{i}) \sum_{i = 1}^{n} (l g q_{i})}{\sum_{i = 1}^{n} (l g h_{i})^{2} - \frac{1}{n} (\sum_{i = 1}^{n} l g h_{i})^{2}}

（6）

k = 10^{\frac{1}{n}} (\sum_{i = 1}^{n} l g q_{i} - x \sum_{i = 1}^{n} l g h_{i})

（7）

式中：q为出水口流量，L/h；h为灌水器的压力水头，m；K_d 为灌水器的流量系数；x为灌水器的流态指数。

**表1 灌溉工况下不同计算模型的水力性能参数K_d 、x**

Tab.1 Hydraulic performance parameters K_d, x for different calculation models under irrigation conditions

模型	K_d	a_k /%	x	a_x /%
实测值	7.31		0.50
Standard k-ε	7.33	3.09	0.51	0.16
RNG k-ε	8.19	6.93	0.52	0.32
Realizable k-ε	7.81	6.10	0.51	0.29

注：

α_k 、α_x 分别代表K_d 和x的模拟误差，%。

**表2 洗盐工况下不同计算模型的水力性能参数K_d 、x**

Tab.2 Hydraulic performance parameters K_d, x for different calculation models under salt washing conditions

模型	K_d	a_k /%	x	a_x /%
实测值	34.87		0.51
Standard k-ε	35.21	0.09	0.52	0.001
RNG k-ε	38.75	0.24	0.52	0.003
Realizable k-ε	36.59	0.19	0.50	0.003

根据表1和表2中不同工况下的K_d 、x、α_k 及α_x 发现，RNG k-ε与Realizable k-ε模型计算得到的K_d 普遍比试验数据高，标准k-ε模型的K_d 与试验数据差距很小，相对误差为0.98%。同时，通过对图4(c)中不同模型的水力性能曲线进行误差，综合比较发现，标准k-ε模型模拟预测的水力性能关系曲线与试验数据更为接近，因此后续的模拟基于标准k-ε模型内流场数值计算结果上进行。

使用平均相对误差（MRE）、归一化均方根误差（NRMSE）和决定系数（R² ）评估模拟值与实测值之间的一致性^[22]：

M R E = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} \frac{(P_{i} - O_{i})}{O_{i}}

（8）

N R M S E = \frac{1}{\bar{O}} \sqrt[]{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (P_{i} - O_{i})^{2}}

（9）

R^{2} = 1 - \frac{\sum_{i = 1}^{n} (P_{i} - O_{i})^{2}}{\sum_{i = 1}^{n} (O_{i} {- \bar{O})}^{2}}

（10）

式中：P_i 是模拟值；O_i 是实测值；n是比较值的数量；

\bar{O}

是实测数据的平均值。

在最佳条件下，假设MRE和NRMSE的值较小，并且R² 的值接近1。根据公式（8）~（10）计算出灌溉工况下MRE、NRMSE、R² 分别为-0.03、0.05、0.98；洗盐工况下MRE、NRMSE、R² 分别为0.001、0.003、0.99，证明模拟值和实测值之间有非常好的一致性。

1.3 流道结构参数优化方法

1.3.1 正交试验

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，本文利用正交试验设计方法，将上述w、D、h、L和b五个结构参数作为因素，根据滴灌灌水器压力和流量的实际应用情况及滴灌灌水器一般尺寸范围^{[23, 24]}，同时结合前期试验结果，设置因素水平见表3。

表3 因素水平表

Tab.3 Factor level table

水平	流道宽w/mm	流道深D/mm	齿高h/mm	流道长L/mm	齿底距b/mm
1	0.50	0.48	0.40	8.80	0.30
2	0.60	0.60	0.50	13.20	0.45
3	0.70	0.72	0.60	15.00	0.60
4	0.80	0.84	0.70	17.60	0.75
5	0.90	0.96	0.80	22.00	0.90

注：流道齿角为60°^[25]。

1.3.2 局部水头损失基本公式

假设迷宫式灌水器流道能量损失全部为流道局部水头损失，即：

H = h_{f} = ζ_{t} \frac{{\bar{v}}^{2}}{2 g}

(11)

式中：h_f 为局部水头损失，m；

{\bar{v}}^{2}

为流道内水流的平均速度，m/s；ζ_t 为总的局部水头损失系数。

当入口工作压力为5 m水头时，g为9.81 m/s²，即：

ζ_{t} = \frac{98.1}{{\bar{v}}^{2}}

(12)

\bar{v} = \frac{q}{A}

式中：A为流道横截面积，m²。

将式（11）代入式（12）即可计算出各因素水平流道总的局部水头损失系数ζ_t 和各流道单元的局部水头损失系数ζ ^[26]。

1.3.3 参数优选方法

首先，需根据实地调查或相关资料确定土地的盐碱化程度（轻度盐碱化、中度盐碱化和重度盐碱化^[27]）。其次，确认这3种盐碱化程度土地所需的目标流量。最后，在3组流量达标的灌水器中，逐一选择具有最佳水力性能的灌水器。

采用市面上常见的迷宫流道尺寸（耐特菲姆w≥0.50 mm，D≥0.48 mm，h≥0.400 mm，L≥8.80 mm，b≥0.30 mm），通过CFD软件模拟，评估灌水器的水力性能，以找到水力性能优良的灌水器参数。对于灌水器的结构参数选取，需要遵循以下约束条件：

\{\begin{array}{l} 0.50 \leq w \leq 0.90 \\ 0.48 \leq D \leq 0.96 \\ 0.40 \leq h \leq 0.80 \\ 8.80 \leq L \leq 22.00 \\ 0.30 \leq b \leq 0.90 \\ x \leq 0.48 \\ b \leq 0.75 \end{array}

（13）

2 结果与分析

2.1 流道关键因素的确定

通径分析是用于研究多变量之间因果关系的重要统计学方法。基于原始试验数据，采用通径分析方法，构建了w、D、h、L、b与变量灌水器水力性能（x、K_d ）间的相关系数表（见表4）。结果表明，b与变量灌水器x呈现极显著（P<0.01）负相关性，其相关系数为-0.54；而w对变量灌水器K_d 呈现极显著（P<0.01）正相关性，其相关系数为0.74；进一步地，b对变量灌水器K_d 呈现显著负相关性(P<0.05)，相关系数为-0.36。因此，在设计实现高压洗盐工况的变量灌水器时，建议增大w以提高高压工况变量灌水器出流量；同时建议增大b，以提高高压工况变量灌水器水力性能（以较低的x为目标）。此外，由于D、h、L对变量灌水器高压工况下的x、K_d 的影响不显著（P>0.05），故根据现有市面上的大流量（>3 L/h）滴头流道参数，将D、h、L设置为定值，分别为0.6 mm、0.8 mm、8.8 mm。

表4 各因子与流道水力性能参数的简单相关系数

Tab.4 Simple correlation coefficient between each factor and hydraulic performance parameters of flow channel

因素	w	D	h	L	b	x	K_d
w	1.00	0.00	0.04	0.00	0.00	0.09	0.74**
D		1.00	-0.02	-0.02	0.00	0.08	0.27
h			1.00	0.05	0.00	-0.05	0.20
L				1.00	0.02	-0.00	-0.06
b					1.00	-0.54**	-0.36*

注：*相关性显著( P<0.05 )；**相关性极显著( P<0.01 )。

对于各因素对变量灌水器水力性能参数影响效应的通径分析过程如表5所示。可以将流道几何参数对水力性能参数的影响效应分为直接作用(b_i )和间接作用(r_ij _{b_j )两部分，最终通过对决策系数的判断，来确定关键流道结构参数。}

表5 各因素对灌水器水力性能参数影响效应的通径分析

Tab.5 Path analysis of the effects of various factors on the hydraulic performance parameters of emitters

通径	流量系数K_d					流态指数x
通径	直接作用 b_i	间接作用 r_ijb_j		总作用 r_iy	决策系数R_(i) ²	直接作用 b_i	间接作用 r_ijb_j		总作用 r_iy	决策系数 R_(i) ²
w对y	0.74**	D	0.00	0.74	0.55	0.09	D	0.00	0.09	0.01
		L	0.00				L	0.00
		h	0.03				h	0.01
		b	0.00				b	0.00
D对y	0.27	w	0.00	0.27	0.07	0.08	w	0.00	0.08	0.01
		L	-0.01				L	-0.00
		h	-0.01				h	-0.02
		b	0.00				b	0.00
L对y	0.06	w	0.00	-0.06	-0.07	0.01	w	0.00	-0.00	0.00
		D	-0.01				D	0.00
		h	0.01				h	0.01
		b	0.00				b	0.00
h对y	0.18	w	0.01	0.20	0.04	0.05	w	0.02	-0.05	-0.01
		D	-0.01				D	-0.01
		L	0.01				L	0.03
		b	0.00				b	0.00
b对y	0.36*	w	0.00	-0.36	-0.39	0.54**	w	0.00	-0.54	-0.86
		D	0.00				D	0.00
		L	0.01				L	0.01
		h	0.00				h	0.00

注：

b_i 是x_i 的偏回归系数；r_ij 为x_i (w、D、L、h、b)与x_ij 的相关系数；r_ij 为x_i 与y的相关系数；R ²为x_i 对y的决策系数。

由表5可以看出：影响K_d 的直接作用|b_w|>|b_b|>|b_D|>|b_h|>|b_L|，而总作用|r_wy|>|r_by|>|r_Dy|>|r_hy|>|r_Ly|；影响x的直接作用|b_b|>|b_w|>|b_D|>|b_h|>|b_L|，而总作用|r_by|>|y_wy|>|y_Dy|>|r_hy|>|r_Ly|。流道几何参数对流道水力性能参数的作用过程复杂，直接作用和总作用表现不一致，需要通过计算决策系数来诊断其综合作用。从K_d 的角度来看，R² ₍ _w _） >R² ₍ _D _） >R² ₍ _h _） >R² ₍ _L _） >R² ₍ _b _）表明w是主要决策变量，而b是主要的限制因子，即适当减小w或增加b可以降低K_d；从x的角度来看，b对x的影响很大，而其他参数对x的影响很小，可忽略不计。

如图5所示，对x而言，b对变量灌水器x影响最为明显，呈负向线性分布（y=-0.10 x+0.57），拟合优度R ²=0.98，变量灌水器x随着b的增大而减小，齿底距从0.3 mm增加到0.9 mm时，x从0.54降低到0.48，这是因为b的增大使得水流动能损失增加，导致灌水器具有更好的灌水均匀度；对K_d 而言，w对K_d 呈现正向线性分布（y=8.06 x-3.01）,拟合优度R ²=0.99，变量灌水器K_d 随着w的增大而增大，w从0.52 mm增大到0.94 mm时，K_d 从1.19增大到4.56，这是因为w增大使得流道阻力减小、水流速度增加和水流扩散效应减小，导致灌水器的q越大；b对K_d 呈现二次函数分布（y=5.19 x² -8.84 x+6.04），拟合优度R ²=0.93，变量灌水器K_d 随着w的增大而减小，b从0.3 mm增加到0.9 mm时，K_d 从4.02降低到2.25，这是因为b的增大使得水流扩散效应增加，导致灌水器喷洒范围减小。而其他因素（D、h、L）对变量灌水器水力性能的影响未呈现显著关系，可忽略不计。

**图5 变量灌水器高压流道关键参数（w、D、h、L以及b）与水力性能参数（x、K_d ）间数学关系**

Fig.5 The mathematical relationship between the key parameters of the high-pressure flow channel (w、D、h、L and b ) and the hydraulic performance parameters (x、K_d ) of the variable emitter

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2.2 流道宽、齿底距对变量灌水器双流道压力场、速度场分布的影响

各因素中w、b对变量灌水器的K_d 和x影响最大。由于正交试验中w为0.70 mm、D为0.60 mm、h为0.80 mm、L为8.80 mm、b为0.60 mm的变量灌水器x较小，该部分选取该流道结构参数设计了单因素试验，如图6和图7所示，分析不同流道宽、不同齿底距对灌水器双流道压力场和速度场的影响。

图6 不同流道宽、齿底距的压力云图分布

Fig.6 Pressure cloud diagram distribution of different flow channel width and tooth bottom distance

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图7 不同流道宽、齿底距的速度云图分布

Fig.7 The velocity cloud distribution of different flow channel width and tooth bottom distance

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不同流道宽的灌水器双流道压力和流速分布如图6(a)和图7(a)所示，随着w的增加，灌水器主流的最大流速逐渐增大。当w为0.90 mm时，灌水器的主流道速度最大，约为12~15 m/s，但是管道边壁处低速区较多，流速基本为0 m/s，且在锯齿间距间出现大量漩涡，贴片流道蓄水槽与主流道界面及出水孔周边均出现漩涡。w为0.5 mm时，灌水器主流的流速较慢，且边壁处的低速区较少。不同齿底距的灌水器流道压力和流速分布如图6(b)和图7(b)所示，随着b的增加，灌水器主流的最大流速逐渐减小。当b为0.3 mm时，灌水器的主流道速度最大，约为10~12 m/s，管道边壁处低速区较多，流速基本为0 m/s，在锯齿间距间出现大量漩涡。随着w增大，洗盐流道进口处压力降低，局部水头损失系数从13.29降低到1.99，造成了w为0.90 mm时灌水器最大流量值增大。随着b增大，齿间能量损失较大，洗盐流道进口处压力增大，导致水流速度减小，进而增加涡流的形成，使得灌水器最大流量减小，局部水头损失系数从1.63增加到7.07，导致b为0.30 mm时灌水器最大流量值增大。

单因素试验变量灌水器流量结果如图8所示。由图8可见，在D一定的情况下，随着变量灌水器w的增大，w为0.50 mm和0.70 mm的变量灌水器发生突变后流量分别由2.18 L/h变为4.26 L/h和4.68 L/h，变化并不明显；而w为0.90 mm的变量灌水器突变后的流量为14.18 L/h，流量变化程度较大，这是因为在复杂多变的流道内，w的增加会使过水断面面积增加，从而使流量增加。由压力流量特性曲线拟合式所得不同流道宽变量灌水器x依次为0.44、0.45、0.48；b逐渐增大的变量灌水器x依次为0.48、0.46、0.44，x逐渐减小。

图 8 不同流道宽、齿底距和的压力-流量曲线

Fig.8 Pressure-flow curves of different channel width, tooth base distance and

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2.3 流道结构参数对变量灌水器局部水头损失的影响

流道尺寸的变化可以改变流道中的流速和流量分布，进而影响局部水头损失。流道结构参数的变化可以增加阻力，导致局部水头损失增加。流道总的局部水头损失系数ζ_t 和各流道单元的局部水头损失系数ζ，见表6。通过研究流道结构参数对灌水器局部水头损失的影响，可以优化灌水器的设计和制造过程，减少能量损失，提高灌溉效率，剔除掉一些不合理的设计。

表6 流道局部水头损失系数表

Tab.6 local head loss coefficient table of flow channel

序号	平均流速 v/(m·s^-1)	ζ_t	ζ	序号	平均流速 v/(m·s^-1)	ζ_t	ζ
1	3.11	10.12	1.12	14	3.96	6.25	0.27
2	1.08	84.11	8.41	15	7.93	1.56	0.10
3	1.03	92.43	5.44	16	7.98	1.54	0.10
4	0.97	103.73	8.64	17	7.13	1.93	0.07
5	0.88	127.35	7.96	18	2.62	14.30	1.43
6	0.91	118.14	5.91	19	3.93	6.36	0.45
7	3.28	9.11	0.65	20	5.02	3.90	0.49
8	6.33	2.45	0.12	21	6.72	2.17	0.20
9	1.52	42.64	6.09	22	5.84	2.88	0.21
10	1.27	61.16	5.10	23	6.89	2.07	0.23
11	1.00	98.10	7.55	24	6.55	2.28	0.13
12	2.40	17.08	2.44	25	4.14	5.72	0.36
13	3.87	6.54	0.47	均值	3.85	32.96	2.56

注：

ζ、ζ_t 和

\overset{⃐}{v}

是入口压力为12 m时的模拟量。

从表6可以看出，当灌水器工作压力为0.12 MPa时，压力损失在整个迷宫流道的长度上符合线性叠加规律，流体的流态基本不会变化，都保持紊流状态。各流道单元的局部水头损失系数ζ平均值为2.56，平均流速为3.85 m/s，局部水头损失主要受到入水口、出水口以及灌水器内部尺寸变化所引起的压力损失，流道的局部水头损失系数的增加使对应的流速下降。

2.4 变量灌水器尺寸优选

本文采用模拟试验和数据分析方法，通过建立正交试验并确定试验因素及水平，找出最佳的试验因素组合。目的是为了在灌溉过程中实现最佳的水资源利用效率和灌溉效果，以及降低成本和提高技术可行性。在约束条件下，对灌水器的结构参数进行优选，得到灌水器结构参数如表7所示，为不同盐碱化程度土壤推荐灌水器型号。

表7 不同盐碱化程度土地推荐灌水器型号

Tab.7 Recommended emitter models for different saline-alkali land

盐碱化程度	灌水定额/（m³·hm^-2）	灌水器设计流量/（L·h^-1）	灌水器结构参数/mm
盐碱化程度	灌水定额/（m³·hm^-2）	灌水器设计流量/（L·h^-1）	流道宽w	流道深D	齿高h	流道长L	齿底距b
轻度盐碱化	2 000~3 000	2.96~4.44	0.60	0.60	0.80	8.80	0.60
中度盐碱化	3 000~5 000	4.44~7.41	0.70	0.60	0.80	8.80	0.75
重度盐碱化	5 000~10 000	7.41~14.82	0.90	0.60	0.80	8.80	0.75

注：流道齿角为60°。

表7列出了不同盐碱化程度土地推荐灌水器型号。x反映了流量对压力变化的敏感程度，其值越小说明灌水器的水力性能越好^{[28, 29]}，根据不同流道结构参数下的q和x指标，初步筛选出x在0.48以下的灌水器型号，然后结合不同盐碱化程度土地洗盐定额和实际常用灌水器设计流量，给出了同时满足洗盐和灌溉需求的变量灌水器推荐型号，确保土壤达到适宜的盐分浓度。

3 讨论

（1）流道参数对变量灌水器水力性能的影响。由通径分析可知，w对K_d 的影响最大，b为限制因子，即通过适当减小w或增大b，可使K_d 减小。这是因为减小w或增大b可以增加流道的阻力，导致单位时间内通过流道的流体量减小，K_d 是根据流道的几何形状和流体流动特性计算得出的，与流道的阻力有关，使流体在流道中的流动速度减小，从而减小K_d。从x的角度来看，b对x的影响较大且呈负相关，这是因为b较小时，流体在管道中的速度分布比较均匀，导致x较大；而当b增加时，流体的速度分布变得不均匀，从而降低了x。其他参数对x的影响很小，可以忽略不计。

（2）流道宽、齿底距对变量灌水器双流道流量的影响。结合通径分析的结果，利用计算流体力学，进一步分析了w和b对变量灌水器双流道压力场和速度场的影响。分别选取3个梯度的w和b进行模拟，结果表明变量灌水器流量随着w的增加而增大；随着b的增加，会增加流体的阻力，变量灌水器流量逐渐减小。这是因为w的增加可以提供更大的出流面积，使得水流通过时的阻力减小，从而影响流体的压力分布和速度分布。而b的增加会使旋涡区增大，流体在迷宫流道中的流动路径长度增加，导致水流通过时的摩擦阻力增加，从而减小了灌水器主流的最大流速，导致流体的压力场分布和速度场分布减小的程度较快。

（3）流道结构参数对变量灌水器水头损失系数的影响。漩涡的形成主要是因为水流流过挡水装置尖角位置时，压力能降低较快，水流无法立即附着于壁面，出现回流，从而产生了漩涡。漩涡区水流存在明显速度差，水流间不断发生混掺，消耗水流能量，产生局部水头损失^{[30, 31]}，存在强度较大的内壁漩涡区，因此是水头损失的主要原因。由于局部压力损失系数只与流道结构参数有关，对于不同结构参数的流道其产生的水头损失是不同的，水头损失过大不利于变量灌水器出流，这也为筛选变量灌水器提供一个有力依据。

（4）变量灌水器优选指标。提高水力性能一般以x最小为优化目标，进行灌水器流道的结构设计。文中对变量灌水器结构参数对其水力性能的影响做了深入分析，由于迷宫式流道灌水器x一般在0.5~0.7之间，水力性能较为优良^{[32, 33]}，本文初步优选出灌水器x在0.48以下的灌水器型号，且符合不同盐碱化程度土壤洗盐的需求。这意味着这些型号具有更好的水力性能和洗盐能力，在洗盐过程中可以提供更均匀和适量的水分，有助于有效洗除土壤中的盐分，这为改进水力性能和满足不同盐碱化程度土地洗盐需求提供了有力依据。

本文对灌水器结构间的关键参数做了通径分析，并且已经优选出了一些性能较好的灌水器，但是灌溉水源多以江河、高山雪水等地表水为主，这些水源往往含有较多泥沙，即使配置了过滤设备，仍然无法完全阻止细颗粒泥沙进入灌水器流道，导致堵塞问题的发生。一旦发生堵塞，会导致滴灌系统的灌水不均匀，造成部分植株得不到足够的水分供应，影响作物生长和产量。同时，堵塞问题也会导致整个滴灌系统的运行受阻，需要进行维修和更换，增加了维护和投资成本。即使滴灌系统配置了完善的过滤设备，仍然有部分细颗粒泥沙进入灌水器流道，灌水器一旦堵塞轻则引起滴灌系统灌水不均匀，重则导致整体系统崩溃，造成大量的投资成本浪费，直接降低滴灌系统经济、社会及生态效益。因此，后期研究应综合各种因素将水力性能与抗堵性能统一考虑，并结合灌水器的流场分布与流动状态，对其结构进行合理优化，这将有助于更全面的了解流道结构与流体之间的内在联系，提高灌水器在农业工程中的实际使用价值。

4 结论

（1）设计了一种新型灌溉洗盐一体化的变量灌水器，灌水器采用独立双流道结构，弹性膜片变形将开启洗盐模式，在灌水器原位即可实现灌溉模式和洗盐模式的自由调换，水力性能优良，可以适应于不同作物洗盐流量的需求，结构简单，调压性能稳定，应用前景较好。

（2）由通径分析可知，b是主要的限制因子，即适当减小w或增加b长度可以降低K_d；从x的角度来看，5因素中b对变量灌水器的x影响最大，b为主要决策变量，且x与b呈负相关，b越大灌水器x越小，水力性能就越好。而其他参数对x的影响很小，可忽略不计。

（3）通过分析流道速度场、压力场分布云图发现水流在流道拐角处产生很多漩涡，高速区仅存在于齿尖部位，且成点状分布，两高速区之间有较大的速度差，低速区分布面积较大，主要分布在底部和顶部，距离主流区较远，易形成漩涡区，流速基本为0 m/s，影响灌水器正常出流，导致局部水头损失增大。

（4）通过多因素正交试验分析得出b对x具有显著影响作用，为参数优化确定了合理区间。确定出轻度盐碱化、中度盐碱化和重度盐碱化地区适宜的变量灌水器参数分别为w为0.60 mm、D为0.60 mm、h为0.60 mm、L为8.8 mm、b为0.6 mm，w为0.70 mm、D为0.6 mm、h为0.6 mm、L为8.8 mm、b为0.75 mm，w为0.90 mm、D为0.60 mm、h为0.6 mm、L为8.8 mm、b为0.75 mm。洗盐模式3种灌水器均在0.12 MPa压力下运行，流量分别为3.49、5.27、13.07 L/h，流态指数分别为0.48、0.47、0.45。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

1	李勇, 李林, 王峰, 等. 我国北方盐碱地区冬春灌盐分淋洗研究进展[J]. 中国农村水利水电, 2022(11): 71-76, 82. LI Y, LI L, WANG F, et al. Progress in research on the salt leaching of winter and spring irrigation in saline-alkali alkali areas of North China[J]. China Rural Water and Hydropower, 2022(11): 71-76, 82. 本文引用 [1]

2	罗雪园, 周宏飞, 柴晨好, 等. 不同淋洗模式下干旱区盐渍土改良效果分析[J]. 水土保持学报, 2017, 31(2): 322-326. LUO X Y, ZHOU H F, CHAI C H, et al. Analysis of improvement effects on different leaching modes of saline soil in arid areas[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(2): 322-326.

3	胡清阳. 滴灌方式和生育期洗盐定额对盐碱棉田土壤水盐运移及棉花生长的影响[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学, 2022. HU Q Y. Effects of different drip irrigation methods on soil water-salt transport and crop growth in salinized cotton field[D]. Yangling, Shaanxi: Northwest A&F University, 2022. 本文引用 [1]

衡通, 何新林, 杨丽莉, 等. 暗管与竖井排水工程改良新疆盐渍土的设计与效果评价[J]. 农业工程学报, 2022, 38(21): 111-118.

HENG

, HE

X L

, YANG

L L

, et al. Design and effect evaluation of subsurface pipe and vertical shaft drainage project to improve saline soil in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2022, 38(21): 111-118.

本文引用 [1]

5	杨丽萍, 任杰, 王宇, 等. 基于多源遥感数据的居延泽地区土壤盐分估算模型[J]. 农业机械学报, 2022, 53(11): 226-235. YANG L P, REN J, WANG Y, et al. Soil salinity estimation model in Juyanze based on multi-source remote sensing data[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2022, 53(11): 226-235.

6	丁建丽, 姚远, 王飞. 干旱区土壤盐渍化特征空间建模[J]. 生态学报, 2014, 34(16): 4 620-4 631. DING J L, YAO Y, WANG F. Detecting soil salinization in arid regions using spectral feature space derived from remote sensing data[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(16): 4 620-4 631. 本文引用 [1]

7	衡通, 王振华, 张金珠, 等. 新疆农田排水技术治理盐碱地的发展概况[J/OL]. 中国农业科技导报, 2019, 21(3): 161-169. HENG T, WANG Z H, ZHANG J Z, et al. Development of farmland drainage technology to control saline-land in Xinjiang[J/OL]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2019, 21(3): 161-169. 本文引用 [1]

王小芳, 李毅, 姚宁, 等. 生物炭改良棉花-甜菜间作土壤理化性质与盐分效果分析[J]. 农业机械学报, 2022, 53(4): 352-362.

WANG

X F

, LI

, YAO

, et al. Effects of biochar on soil physical and chemical properties and salt in cotton-sugarbeet intercropping field[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2022, 53(4): 352-362.

本文引用 [1]

9	朱生堡, 托尔逊乌尔古丽, 唐光木, 等. 新疆盐碱地变化及其治理措施研究进展[J]. 山东农业科学, 2023, 55(3): 158-165. ZHU S B, TUOERXUN W, TANG G M, et al. Research progress on saline-alkali land changes and its treatment measures in Xinjiang[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2023, 55(3): 158-165. 本文引用 [1]

10	王兴鹏. 冬春灌对南疆土壤水盐动态和棉花生长的影响研究[D]. 北京：中国农业科学院, 2018. WANG X P. Effects of winter-spring irrigation on soil water-salt dynamics and cotton growth[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. 本文引用 [1]

牛夏, 张彩霞, 张芮. 滴灌系统灌水器结构优化与抗堵性能提升研究进展[J]. 甘肃水利水电技术, 2021, 57(6): 26-29.

NIU

, ZHANG

C X

, ZHANG

. Research progress on emitter structure optimization and anti-clogging performance improvement of drip irrigation system[J]. Gansu Water Resources and Hydropower Technology, 2021, 57(6): 26-29.

本文引用 [1]

12	王金丽. 滴灌技术的特点及应用[J]. 农业科技与装备, 2012(1): 62-63. WANG J L. Features of drip irrigation and its present applications[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2012(1): 62-63. 本文引用 [1]

13	党亚平, 纪学伟. 一种双流道滴灌带[P]. 中国专利：201920845536.1.2020. DANG Y P, JI X W. A double-channel drip irrigation belt[P]. China patent: 201920845536.1. 2020. 本文引用 [1]

14	李良, 李志刚. 圆柱体锯齿形迷宫式双流道灌水器：201210297502.6[P]. 2012-12-05. LI L, LI Z G. Cylindrical zigzag labyrinth double channel emitter : 201210297502.6[P]. 2012-12-05. 本文引用 [1]

15	陈雪, 吴普特, 范兴科, 等. 灌水器迷宫流道结构参数数值模拟与抗堵塞分析[J]. 灌溉排水学报, 2008(2): 35-38. CHEN X, WU P T, FAN X K, et al. Numerical simulation of structural parameters using CFD and anti-clogging design analyse on drip emitter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2008(2): 35-38. 本文引用 [1]

16	武鹏, 牛文全, 常莹华, 等. 齿形迷宫流道不同结构参数下灌水器抗堵塞性能研究[J]. 节水灌溉, 2010(5): 1-4, 8. WU P, NIU W Q, CHANG Y H, et al. Research on anti-clogging performance of different structural parameters for dental labyrinth channel emitters[J]. Water Saving Irrigation, 2010(5): 1-4, 8.

17	张丽娟, 李双营. 滴灌齿型迷宫流道灌水器水力性能数值试验研究[J]. 水电能源科学, 2017, 35(8): 103-106. ZHANG L J, LI S Y. Numerical experimental investigation of douche hydraulic performance on drop irrigation of tooth-type labyrinth channel[J]. Water Resources and Power, 2017, 35(8): 103-106. 本文引用 [1]

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 塑料节水灌溉器材第2部分：压力补偿式滴头及滴灌管: GB/T 19812.2-2017 [S]. 北京：中国标准出版社，2017. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People 's Republic of China，China National Standardization Management Committee. Plastic equipment for water saving irrigation—Part2: Pressure compensating emitter and emitting pipe: GB/T 19812.2-2017 [S]. Beijing: China Standards Press, 2017.

本文引用 [1]

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 农业灌溉设备　滴头和滴灌管技术规范和试验方法: GB/T 17187-2009 [S]. 北京：中国标准出版社，2010. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People 's Republic of China，China National Standardization Management Committee. Agricultural irrigation equipment—Emitters and emitting pipe—Specification and test methods: GB/T 17187-2009 [S]. Beijing: China Standards Press, 2010.

本文引用 [1]

田济扬, 白丹, 于福亮, 等. 基于Fluent软件的滴灌双向流流道灌水器水力性能数值模拟[J]. 农业工程学报, 2014, 30(20): 65-71.

TIAN

J Y

, BAI

, DING

F L

, et al. Numerical simulation of hydraulic performance on bidirectional flow channel of drip irrigation emitter using fluent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(20): 65-71.

本文引用 [1]

唐学林, 赵旭红, 李云开, 等. 迷宫流道滴头内流场和颗粒运动的不同湍流模型数值模拟[J]. 农业工程学报, 2018, 34(16): 120-128.

TANG

X L

, ZHAO

X H

, LI

Y K

, et al. Numerical simulation of flow fields and particle movement characteristics in labyrinth channel emitter using different turbulence models[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018,34(16):120-128.

本文引用 [1]

22	CAI Y H, WU P T, ZHANG L, et al. Prediction of flow characteristics and risk assessment of deep percolation by ceramic emitters in loam[J]. Journal of Hydrology, 2018, 566 901-909. 本文引用 [1]

23	潘雅阁. 齿形流道结构对滴头水力性能影响的试验研究[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学, 2017. PAN Y G. Experimental study on the effect of tooth flow structure on the hydraulic performance of emitter drip [D]. Yangling, Shaanxi: Northwest A&F University, 2017. 本文引用 [1]

24	杨彬, 张赓, 王建东, 等. 齿型迷宫流道灌水器水力性能数值模拟研究[J]. 灌溉排水学报, 2019, 38(4): 71-76. YANG B, ZHANG G, WANG J D, et al. Numerical simulation of hydraulic performance of tooth-form channel of labyrinth emitter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(4): 71-76. 本文引用 [1]

25	牛文全, 喻黎明, 吴普特, 等. 迷宫流道转角对灌水器抗堵塞性能的影响[J]. 农业机械学报, 2009, 40(9): 51-55, 67. NIU W Q, YU L M, WU P T, et al. Influence of angle of labyrinth channels on anti-clogging performance of emitter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(9): 51-55, 67. 本文引用 [1]

26	喻黎明, 吴普特, 牛文全, 等.迷宫流道转角对灌水器水力性能的影响[J]. 农业机械学报, 2009, 40(2): 63-67. YU L M, WU P T, NIU W Q, et al. Influence of angle of labyrinth channels on hydraulic performance of emitter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(2): 63-67. 本文引用 [1]

27	李文娟, 吐马尔白虎胆, 杨鹏年, 等. 不同春灌水量对不同盐度棉田盐分运移规律影响研究[J]. 节水灌溉, 2014(4): 7-10. LI W J, TUMARBA H, YANG P N, et al. Influence of different spring irrigation scheduling on moisture and salinity change rules in cotton field with different salinity[J]. Water Saving Irrigation, 2014(4): 7-10. 本文引用 [1]

郭霖, 白丹, 王新端, 等. 双向对冲流灌水器水力性能和消能机理模拟与验证[J]. 农业工程学报, 2017, 33(14): 100-107.

GUO

, BAI

, WANG

X D

, et al. Numerical simulation and verification of hydraulic performance and energy dissipation mechanism of two-ways mixed flow emitter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(14): 100-107.

本文引用 [1]

29	杜少卿, 曾文杰, 施泽, 等. 工作压力对滴灌管迷宫流道灌水器水力性能的影响[J]. 农业工程学报, 2011, 27(S2): 55-60. DU S Q, ZENG W J, SHI Z, et al. Effects of working pressure on hydraulic performances of labyrinth path emitters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(S2): 55-60. 本文引用 [1]

30	王新端. 滴灌双向流道灌水器抗堵性能及结构参数优化研究[D]. 西安：西安理工大学, 2019. WANG X D. Study on anti-clogging performance and structural parametters optimization of bidirectional flow channel emitter in drip irrigation[D]. Xi'an：Xi'an University Of Technology, 2019. 本文引用 [1]

31	王存才. 漩涡对迷宫灌水器水力性能的影响分析[D]. 太原：太原理工大学, 2022. WANG C C. Analysis of the influence of vortex on hydraulic performance of the labyrinth emitter[D/OL]. Taiyuan：Taiyuan University of Technology, 2022. 本文引用 [1]

32	田济扬, 白丹, 任长江, 等. 滴灌双向流流道灌水器水力特性分析[J]. 农业工程学报, 2013, 29(20): 89-94. TIAN J Y, BAI D, REN C J, et al. Analysis on hydraulic performance of bidirectional flow channel of drip irrigation emitter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(20): 89-94. 本文引用 [1]

郭霖, 白丹, 王新端, 等. 双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果[J]. 农业工程学报, 2016, 32(17): 77-82.

GUO

, BAI

, WANG

X D

, et al. Hydraulic performance and energy dissipation effect of two-ways mixed flow emitter in drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(17): 77-82.

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摘要
Abstract
关键词
Key words
基金
引用本文
0 引言
1 材料与方法
1.1 变量灌水器结构设计
1.1.1 变量灌水器设计思路
图1 变量灌水器结构设计
1.1.2 变量灌水器工作原理
图2 弹性膜片形变过程
图3 灌溉和洗盐模式变量灌水器工作状态
1.1.3 流道参数选择
1.2 试验设计
1.2.1 水力性能试验
图4 灌水器性能模型验证
1.2.2 数值模拟
表1 灌溉工况下不同计算模型的水力性能参数Kd 、x
表2 洗盐工况下不同计算模型的水力性能参数Kd 、x
1.3 流道结构参数优化方法
1.3.1 正交试验
表3 因素水平表
1.3.2 局部水头损失基本公式
1.3.3 参数优选方法
2 结果与分析
2.1 流道关键因素的确定
表4 各因子与流道水力性能参数的简单相关系数
表5 各因素对灌水器水力性能参数影响效应的通径分析
图5 变量灌水器高压流道关键参数（w、D、h、L以及b）与水力性能参数（x、Kd ）间数学关系
2.2 流道宽、齿底距对变量灌水器双流道压力场、速度场分布的影响
图6 不同流道宽、齿底距的压力云图分布
图7 不同流道宽、齿底距的速度云图分布
图 8 不同流道宽、齿底距和的压力-流量曲线
2.3 流道结构参数对变量灌水器局部水头损失的影响
表6 流道局部水头损失系数表
2.4 变量灌水器尺寸优选
表7 不同盐碱化程度土地推荐灌水器型号
3 讨论
4 结论
参考文献

收稿日期	接受日期	出版日期
2023-11-17	2024-01-05	2024-04-10
发布日期
2024-04-28

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关键词

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基金

引用本文

0 引 言

1 材料与方法

1.1 变量灌水器结构设计

1.1.1 变量灌水器设计思路

图1 变量灌水器结构设计

1.1.2 变量灌水器工作原理

图2 弹性膜片形变过程

图3 灌溉和洗盐模式变量灌水器工作状态

1.1.3 流道参数选择

1.2 试验设计

1.2.1 水力性能试验

图4 灌水器性能模型验证

1.2.2 数值模拟

表1 灌溉工况下不同计算模型的水力性能参数Kd 、x

表2 洗盐工况下不同计算模型的水力性能参数Kd 、x

1.3 流道结构参数优化方法

1.3.1 正交试验

表3 因素水平表

1.3.2 局部水头损失基本公式

1.3.3 参数优选方法

2 结果与分析

2.1 流道关键因素的确定

表4 各因子与流道水力性能参数的简单相关系数

表5 各因素对灌水器水力性能参数影响效应的通径分析

图5 变量灌水器高压流道关键参数（w、D、h、L以及b）与水力性能参数（x、Kd ）间数学关系

2.2 流道宽、齿底距对变量灌水器双流道压力场、速度场分布的影响

图6 不同流道宽、齿底距的压力云图分布

图7 不同流道宽、齿底距的速度云图分布

图 8 不同流道宽、齿底距和的压力-流量曲线

2.3 流道结构参数对变量灌水器局部水头损失的影响

表6 流道局部水头损失系数表

2.4 变量灌水器尺寸优选

表7 不同盐碱化程度土地推荐灌水器型号

3 讨 论

4 结 论

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参考文献

0 引言

**表1 灌溉工况下不同计算模型的水力性能参数K_d 、x**

**表2 洗盐工况下不同计算模型的水力性能参数K_d 、x**

**图5 变量灌水器高压流道关键参数（w、D、h、L以及b）与水力性能参数（x、K_d ）间数学关系**

3 讨论

4 结论