基于土壤負壓控制的滴頭流量自調節(jié)理論與技術研究.pdf

1、針對常規(guī)滴灌灌水器的類型、工作原理和應用模式等特點以及“計劃被動出水”的滴水方式,本論文在查閱分析了國內外大量有關土壤負壓、滴頭結構、消能原理和使用功能以及灌溉效果等相關文獻資料的基礎上,采用理論分析、室內外試驗測試和數(shù)值模擬計算相結合的方法,對不同的土壤類型、土壤容重和土壤含水量等條件的土壤負壓變化、非飽和土壤水分運動、土壤水勢與作物生理的關系、滴頭結構優(yōu)化、水力性能以及微尺度內部流場的數(shù)值模擬等開展研究,主要結論如下:
　　(

2、1)通過沙土、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與土壤負壓的關系試驗,研究表明:相同土壤初始含水量條件下,隨土壤容重的增加,土壤負壓逐漸減小,且對土壤負壓變化的影響越敏感;對于任意容重的粘土、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應的土壤水勢也隨著土壤顆粒質地粘性的減小而增大,粘土的土壤水勢

3、最低,約在-16~-13kPa的范圍,沙土的土壤水勢最高,約在-8~-7kPa的范圍。
　　(2)結合作物根區(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~根的界面交互關系,用土壤水勢作為控制灌溉指標時,提出土壤水勢-20~-60kPa是維持作物正常生長的土壤水勢的合理范圍。
　　(3)從土壤水分運動規(guī)律和能量角度出發(fā),考慮充分利用土壤負壓作為自動調流的控制動力,對常規(guī)滴頭進行結構優(yōu)化,通過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調節(jié)的特殊結構部件,構建了具有滴水流量補償、滴水流量自適應2種功能型滴頭的應用模式,以土壤含水量為控制條件,以作物實際需水量為控制目標,用土壤負壓的變化來實時控制滴頭的出流狀態(tài),并始終與土壤實際水分狀況自動相適應,實現(xiàn)土壤的“按需主動取水”。
　　(4)通過平面彈性膜片在不同模擬土壤負壓時產(chǎn)生不同撓度曲率變形和膜片中心點偏移量、硬度指標對耐壓~形變關系的影響試驗,分析得出硬度為邵氏A60彈性體的變形量與

5、滴頭內部結構的尺寸配合較為適宜,能夠實現(xiàn)較好的通水、斷水等自動調節(jié)效果,為彈性膜片的材料配方和硬度指標選擇、自動調流式滴頭模型控制部件的配合間隙度確定奠定了科學基礎。
　　(5)試驗得出自動調流式滴頭整體上具有較好的水力性能,建立了自動調流式滴頭在微壓供水和土壤負壓共同作用的流量變化特征。流量補償模式下,在供水壓力為100 kPa時,自動調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)濟林灌溉需求;流量自適應模式下,在供水壓力100 kPa、土壤負壓10kPa共同作用下,自動調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)探討了自動調流式滴頭出流狀態(tài)和滴水量實時調節(jié)的變化過程,在適宜供水壓力30~50kPa的微壓供水和自動調流式滴頭所處實際土壤水分環(huán)境的綜合條件下,自動調流式滴頭的實時滴水流量隨著土壤水分干濕狀況的變化在0~11.22L/h范圍內自動多次往

7、復調節(jié)變化,且在多次、往復自動調節(jié)過程中,對于同一供水壓力和土壤負壓條件下的出流穩(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”灌溉效果,節(jié)水、節(jié)能優(yōu)勢明顯。
　　(7)在適宜供水壓力30kPa、40kPa和50kPa和0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm共4個不同膜片開度條件下,對自動調流式滴頭的流量控制體進行平角齒形流道的內流流場仿真數(shù)值模擬,從微尺度提示了平角齒形流道的內部水流運動規(guī)律和水流壓

8、力場、速度場的分布特性,并分析驗證了自動調流式滴頭的適宜工作壓力及取值范圍,得出自動調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產(chǎn)生獨立的水流漩渦,容易引起灌溉水中雜質顆粒的累積、造成堵塞。
　　(8)把自動調流式滴頭的平角齒形流道優(yōu)化改進為圓角齒形流道,對內部水流壓力場、速度場的分布規(guī)律和水流運動特性進行數(shù)值模擬,分析得出圓角齒形道能較好地消除了其內部的水流低速區(qū)和漩渦區(qū)、減少灌溉水流的固體顆粒運動過程中在流道中