基于土壤負(fù)壓控制的滴頭流量自調(diào)節(jié)理論與技術(shù)研究.pdf

1、針對(duì)常規(guī)滴灌灌水器的類型、工作原理和應(yīng)用模式等特點(diǎn)以及“計(jì)劃被動(dòng)出水”的滴水方式,本論文在查閱分析了國(guó)內(nèi)外大量有關(guān)土壤負(fù)壓、滴頭結(jié)構(gòu)、消能原理和使用功能以及灌溉效果等相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,采用理論分析、室內(nèi)外試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法,對(duì)不同的土壤類型、土壤容重和土壤含水量等條件的土壤負(fù)壓變化、非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)、土壤水勢(shì)與作物生理的關(guān)系、滴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水力性能以及微尺度內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬等開展研究,主要結(jié)論如下:
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2、1)通過(guò)沙土、壤土和粘土等不同的土壤類型、土壤容重和土壤含水量等指標(biāo)與土壤負(fù)壓的關(guān)系試驗(yàn),研究表明:相同土壤初始含水量條件下,隨土壤容重的增加,土壤負(fù)壓逐漸減小,且對(duì)土壤負(fù)壓變化的影響越敏感;對(duì)于任意容重的粘土、壤土和沙土,粘土的田間持水量最大,約在25％~34%范圍,沙土的田間持水量最小,約為15%~23%范圍,壤土介于粘土和沙土中間,約為21%~28%,與田間持水量值相對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)也隨著土壤顆粒質(zhì)地粘性的減小而增大,粘土的土壤水勢(shì)

3、最低,約在-16~-13kPa的范圍,沙土的土壤水勢(shì)最高,約在-8~-7kPa的范圍。
　　(2)結(jié)合作物根區(qū)的土壤水分環(huán)境,分析了沙土、壤土和粘土等類型土壤的水~土~根的界面交互關(guān)系,用土壤水勢(shì)作為控制灌溉指標(biāo)時(shí),提出土壤水勢(shì)-20~-60kPa是維持作物正常生長(zhǎng)的土壤水勢(shì)的合理范圍。
　　(3)從土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能量角度出發(fā),考慮充分利用土壤負(fù)壓作為自動(dòng)調(diào)流的控制動(dòng)力,對(duì)常規(guī)滴頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過(guò)增添能夠感知土壤水分含

4、量、智能化控制灌溉和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)的特殊結(jié)構(gòu)部件,構(gòu)建了具有滴水流量補(bǔ)償、滴水流量自適應(yīng)2種功能型滴頭的應(yīng)用模式,以土壤含水量為控制條件,以作物實(shí)際需水量為控制目標(biāo),用土壤負(fù)壓的變化來(lái)實(shí)時(shí)控制滴頭的出流狀態(tài),并始終與土壤實(shí)際水分狀況自動(dòng)相適應(yīng),實(shí)現(xiàn)土壤的“按需主動(dòng)取水”。
　　(4)通過(guò)平面彈性膜片在不同模擬土壤負(fù)壓時(shí)產(chǎn)生不同撓度曲率變形和膜片中心點(diǎn)偏移量、硬度指標(biāo)對(duì)耐壓~形變關(guān)系的影響試驗(yàn),分析得出硬度為邵氏A60彈性體的變形量與

5、滴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸配合較為適宜,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的通水、斷水等自動(dòng)調(diào)節(jié)效果,為彈性膜片的材料配方和硬度指標(biāo)選擇、自動(dòng)調(diào)流式滴頭模型控制部件的配合間隙度確定奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
　　(5)試驗(yàn)得出自動(dòng)調(diào)流式滴頭整體上具有較好的水力性能,建立了自動(dòng)調(diào)流式滴頭在微壓供水和土壤負(fù)壓共同作用的流量變化特征。流量補(bǔ)償模式下,在供水壓力為100 kPa時(shí),自動(dòng)調(diào)流式滴頭的額定平均流量為14.71L/h,流量偏差系數(shù)為9.79%,能夠較好地滿足灌水定額稍

6、大的作物或經(jīng)濟(jì)林灌溉需求;流量自適應(yīng)模式下,在供水壓力100 kPa、土壤負(fù)壓10kPa共同作用下,自動(dòng)調(diào)流式滴頭的平均流量為13.65L/h,流量偏差系數(shù)為9.84%,流量均勻性好。
　　(6)探討了自動(dòng)調(diào)流式滴頭出流狀態(tài)和滴水量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的變化過(guò)程,在適宜供水壓力30~50kPa的微壓供水和自動(dòng)調(diào)流式滴頭所處實(shí)際土壤水分環(huán)境的綜合條件下,自動(dòng)調(diào)流式滴頭的實(shí)時(shí)滴水流量隨著土壤水分干濕狀況的變化在0~11.22L/h范圍內(nèi)自動(dòng)多次往

7、復(fù)調(diào)節(jié)變化,且在多次、往復(fù)自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中,對(duì)于同一供水壓力和土壤負(fù)壓條件下的出流穩(wěn)定、滴水流量變化率小,流量變化率的最大值小于7%,具有較好的“精準(zhǔn)”灌溉效果,節(jié)水、節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。
　　(7)在適宜供水壓力30kPa、40kPa和50kPa和0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm共4個(gè)不同膜片開度條件下,對(duì)自動(dòng)調(diào)流式滴頭的流量控制體進(jìn)行平角齒形流道的內(nèi)流流場(chǎng)仿真數(shù)值模擬,從微尺度提示了平角齒形流道的內(nèi)部水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水流壓

8、力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布特性,并分析驗(yàn)證了自動(dòng)調(diào)流式滴頭的適宜工作壓力及取值范圍,得出自動(dòng)調(diào)流式滴頭的平角齒形流道在適宜工作壓力下,在各消能齒單元處會(huì)產(chǎn)生獨(dú)立的水流漩渦,容易引起灌溉水中雜質(zhì)顆粒的累積、造成堵塞。
　　(8)把自動(dòng)調(diào)流式滴頭的平角齒形流道優(yōu)化改進(jìn)為圓角齒形流道,對(duì)內(nèi)部水流壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布規(guī)律和水流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,分析得出圓角齒形道能較好地消除了其內(nèi)部的水流低速區(qū)和漩渦區(qū)、減少灌溉水流的固體顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在流道中