0 引言
滴灌作为目前灌水效果最好的灌水方式之一，在我国华北和西北干旱缺水地区得到了广泛推广应用，有效提高了灌溉水利用率，但在推广应用中普遍存在滴头易堵塞、灌水均匀度低等问题，尤其是在地势落差较大的地区，灌水均匀度低已成为滴灌技术推广的瓶颈[1]。因此，改善滴头的性能、提高滴灌系统的灌水均匀度和抗堵塞性能已成为我国滴灌技术推广应用中急需解决的技术难题。目前，灌水器生产技术较先进的公司如以色列的Netafim、美国的Toro等均开发出了压力补偿性能好、灌水均匀度高的成熟产品。相比之下，我国对压力补偿式滴头的研究起步较晚，研发进展缓慢。目前国内企业生产销售的大多是管上式压力补偿式滴头，而对内镶式压力补偿式滴头的研究较少，尚处于引进和仿制阶段，产品性能与国际先进水平差距较大[2-4]。为此，在对内镶式压力补偿式滴头工作原理研究的基础上，对压力补偿式滴头的结构进行优化，以期提高滴头的抗堵塞性能和灌水均匀度，推进我国高效节水灌溉技术的发展。
1 压力补偿式滴头的优化设计
1.1 压力补偿式滴头的工作原理
内镶式压力补偿式滴头由基片、盖片和弹性膜片3部分组成（图1），弹性膜片内置于基片和盖片形成的腔体内，形成压力补偿腔起到调压稳流作用。灌水过程中，有压水流进入滴头的压力补偿腔后，通过压力补偿区的弹性膜片对压力和流量进行调节。当水压大时，水流速度较快，作用在弹性膜片上的压力较大，则弹性膜片对水流的反作用力也越大，水流受阻力而达到减压作用，同时弹性膜片通过弹性形变缩小流道进水口截面积，出水量相应的减小，反之亦然；其次，水流流经紊流流道形成紊流，起到二次减压消能和降低流速的作用，确保滴头出流的稳定性；最后，当水流压力较大，弹性膜片不足以抵抗水流压力时，弹性膜片将紧贴在流道上，此时紊流区只有少量水流出，迫使稳压腔升压，升压后弹性膜片又离开流道，稳压区恢复正常出流，从而起到对压力和流量的补偿作用，确保出流的均匀稳定性[5-6]。
图1 压力补偿式滴头结构示意图
1.2 弹性膜片结构设计
弹性膜片是灌水器重要的压力和流量调节元件，为满足工作要求，弹性膜片应具有弹性性能好、耐磨易加工等特点[7]。满足弹性膜片工作要求，可供选择的材料主要有聚氨酯类热塑性弹性体、SBS热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体以及硅胶等材料。综合考虑材料的性能、取材和加工的便利性及经济性，选取了硅胶作为弹性膜片的原材料。硅胶的弹性性能良好，在较小的外力作用下即可产生较大的弹性形变，除去外力后又能迅速恢复原状，几乎没有塑性形变，满足弹性膜片的工作要求，其邵氏硬度为20～80 HA，弹性模量为0.8～1.2 GPa，拉伸强度为8.7～12.1 MPa，伸长率在200%以上。
弹性膜片的结构参数直接影响滴头的压力补偿性能。弹性膜片的厚度过大时，受补偿腔的限制，弹性形变受限，影响其补偿性能；厚度过小时，补偿腔的间隙增大，仅通过膜片的形变，难以有效调节出水口断面面积，亦起不到相应的压力补偿和流量调节作用。借鉴国内外相关技术及试验表明，弹性膜片的结构与补偿腔相匹配时消能和过流效果均较好。在适宜的水压下，膜片紧贴在迷宫流道上，可以对迷宫流道起到较好的密封作用，使水流只能从紊流流道中通过。根据滴头补偿腔结构参数，确定了弹性膜片的规格为（长×宽×厚）26.3 mm×7.6 mm×0.8 mm，试验表明，弹性膜片与补偿区匹配良好，过流通畅，消能效果好。
1.3 滴头流道优化设计
压力补偿式滴头流道的结构形式及结构参数直接影响其消能效果，目前应用最广泛的流道结构为迷宫式流道，该流道通过管壁摩阻、流道尖角弯道及流道的收缩等共同作用进行消能，影响滴头性能的因素主要包括流道的宽度、深度和长度等，典型迷宫流道的结构示意图如图2所示[8-9]。为分析不同结构参数滴头的消能效果和水流流态，同时考虑试验的可行性，选取以色列Netfirm公司的Ram型扁平状压力补偿式滴头的结构形式为主要参考，综合其他典型滴头结构特点，确定了滴头流道的基本结构参数，如表1所示。
图2 压力补偿式滴头流道结构示意图
表1 滴头流道结构参数
压力补偿式滴头流道不但尺寸非常小（毫米量级），而且滴头流道结构形式多样，流道结构参数和结构形式有多种不同的组合方式，受流道的封闭性和尺寸微小的限制，水流的许多水力学性能无法直接测量[10]，凭借经验和反复试验摸索进行滴头开发，效率低、成本高，很难设计出高性能的滴头。为此，针对目前应用较多的锯齿形结构、三角凸齿和梯形凹槽相结合的结构以及在齿脚处做圆弧处理的三角凸齿和梯形凹槽相结合的流道结构等分别建立了相应的微观数值模型，在分析滴头流道水力特性的基础上，借助Ansys-Fluent有限元分析软件对流道的流场进行了仿真模拟，并对滴头流道内的压力、速度分布进行了研究[11-12]。
1）流道结构形式的确定
滴头流道的结构形式直接影响流道内流场的分布和消能效果。为确定流道的结构形式，利用Ansys-Fluent对不同流道结构的流场分布进行了模拟分析[13]：利用UG3D软件绘制不同流道结构的示意图，导入Ansys-Fluent软件进行网格划分，物理模型选定为k-ε湍流模型（雷诺平均模型），根据其实际工况，入口边界为压力入口，压力范围设为50～350 kPa，出口边界条件为大气压，入口和出口的湍流强度均设定为10%，迭代次数设定为1 000，根据选定的计算模型和设定的参数即可模拟不同工况下的流场分布。试验时模拟了滴头进水口压力为0.1 MPa条件下3种常用的流道结构的流场分布，模拟结果如图3所示。
图3 不同流道结构形式的流场分布示意图
从图3可以看出，3种结构的流道在进水口处流速均较小且均呈匀速流态，通过第一个齿尖后，流速加大并在齿尖处形成高速水流区，在齿脚处形成低速漩涡区，在齿尖处通过水流流态的变化达到消能效果。但随流道结构不同，流场呈现不同的分布规律。锯齿形流道结构在尖角处存在大面积的滞留区，水流裹挟的小颗粒杂质易在此处堆积，另外滞留区还容易滋生细菌和微生物，造成滴头堵塞。齿脚处做圆弧处理的三角凸齿和梯形凹槽相结合的流道结构流场分布均匀，几乎不存在滞留区，综合考虑流道的消能效果和流态分布，确定流道结构为三角凸齿和梯形凹槽相结合的圆弧齿脚迷宫流道结构。
2）流道结构参数确定
流量系数(k)和流态指数(x)是评价灌水器性能的2个重要参数。流量系数反映了流道的过流能力，流量系数越大，过流能力越强；流态指数反映了滴头内部的流态特征及滴头流量和流态对压力变化的敏感程度，流态指数越小，滴头的压力补偿性能越好[2,14-15]。为确定滴头流道的结构参数，必须分析流道结构参数与滴头水力性能参数的关系。借助Ansys-Fluent软件，结合表1确定的结构参数，以Ram型滴头典型结构参数（长×宽×深）22 mm×0.75 mm×1.05 mm为基础，采用控制变量法，对不同结构参数系列模型在不同工作水头下的水力状况进行了模拟，并根据流量计算公式q=kHx应用最小二乘法拟合水力性能参数，结果见表2、表3。
表2 不同工作水头下的滴头流量
表3 不同流道长度、宽度、深度下的滴头水力性能参数
从表3可以看出，当流道形式、断面尺寸和其他参数相同时，在一定范围内，随流道宽度的增加，流态指数逐渐减小；随流道深度的增加，流态指数逐渐增大；随流道长度的增大，流量系数逐渐减小。
综合分析流道的消能效果及流态分布确定流道结构为三角凸齿形和梯形凹槽相结合的形式；综合分析流道不同结构参数下的流量状况和水力性能参数，确定滴头的基本设计参数为：设计流量为4 L/h，流道长度为48.2 mm，设计流道齿宽为0.86 mm，流道深度为1.02 mm。
2 内镶式压力补偿式滴头性能测试
为确保研发的滴头能达到设计的性能指标，采用计算机辅助设计及快速成型技术[6]试制了内镶式压力补偿式滴头，并开展相关水力性能测试试验。
2.1 滴头的性能指标
压力补偿式滴头的主要性能指标有流态指数、灌水均匀度、制造偏差系数和抗堵塞性能等。1）流态指数：反映了水流流态和流量对压力变化的敏感程度，流量-压力关系计算公式为：
式中：q为灌水器流量（L/h）；x为流态系数；H为工作压力（kPa）；k为流量常数。
2）灌水均匀度：灌水均匀度是衡量灌水质量和灌溉水利用率的标准之一，灌水均匀度越高，滴头的性能越好。压力补偿式滴头的灌水均匀度计算公式为：
式中：cu为滴头流量分布均匀系数；qi为第i个滴头的流量（L/h），qˉ为所有滴头的平均流量（L/h）；n为灌水器总数。
3）制造偏差系数：灌水器的制造偏差率是评价灌水器性能的重要指标，其与灌水器的结构、所选材料、制造工艺等有关。灌水器制造偏差系数Cv用计算公式为：
式中：S为滴头流量标准偏差；Cv为灌水器制造偏差系数；其他参数物理意义同前。
2.2 滴头性能测试
1）滴头的制造偏差和灌水均匀度
为测试滴头的制造偏差和灌水均匀度，在河北润农节水科技股份有限公司质检中心的灌水器性能测试平台进行了测试试验[16-17]，抽取检验合格规格为ϕ16×0.2×300×4 L/h的内镶式滴灌管（带）样品60 m，分别截取含有5个滴头的样品段留用。试验时将试验样品悬吊在试验台架上，堵上末端向内充水，排尽空气后逐渐加压至额定工作压力，稳定滴水5 min后，用集水容器收集每个滴头的滴水量，滴水时间为3 min。用量筒测量集水容器中的水的体积并计算流量。试验过程中实时记录系统的压力、滴水时间、滴头滴水量等。重复上述试验，连续2次所测流量偏差不得大于5%，取平均值，试验结果见表4。
表4 压力补偿式滴头性能测试实验
根据表4计算可知，滴头的平均流量为4.03 L/h，变异系数Cv为2.06%，灌水均匀度Cu为96.34%，按国标GB/T19812.3－2008规定，试样的Cv值小于5%，滴头满足A类产品灌水均匀度要求。
2）压力-流量关系
将待测样本水平悬吊在试验台架上，堵上末端，向试样内充水，排尽空气后由小到大调节入水口水压，以50 kPa的增幅，将压力从0 MPa增加到0.35 MPa，保压5 min，然后再将压力以50 kPa的降幅，从0.35 MPa降低至0，阶梯调压过程中压力调节完毕稳定3 min后，在每个压力点量取10个试样在3 min的出水量，并实时记录试验时的水压、试验日期、滴水时间、出水量等，以滴头在每个压力点对应的平均流量为纵坐标，以压力为横坐标，绘制压力-流量关系曲线，如图4所示。
从图4可以看出，压力补偿式滴头流量随压力的变化比较缓慢，平均流量相对于额定流量偏差小于5%。经回归得流量与压力的函数关系为q=3.16H0.048，R2=0.894 6，流态指数为0.048，按国标GB/T19812.2－2005[18]规定，流态指数应不大于0.2，研发的滴头满足国标要求，压力补偿性能良好。
图4 压力补偿式滴头压力-流量关系曲线
3 讨论
滴头作为滴灌系统的核心部件，其结构合理与否直接影响到系统的灌水效果,但由于其工作原理复杂，目前对其水力特性的研究大多在试验方面。如武永安等[19]针对压力补偿滴头流道狭窄，常规手段难以满足流场测试要求的问题，提出了采用数值模拟的方法进行研究。兹根据Ansys-Fluent模拟的滴头流道内流场和压力的分布特点，对滴头流道结构形式和结构参数进行了优化，并对滴头的压力补偿区进行了改进，通过产品试制及实测试验，结果表明实测结果与数值模拟结果具有较好的一致性，说明数值模拟是指导滴头优化设计行之有效的方法。
应用Ansys-Fluent软件可以比较直观地反映滴头流道内压力和流场的分布，为滴头的结构优化提供参考，但压力补偿滴头的工作原理复杂，其水力性能是水流特性与流道结构参数多因素耦合作用的结果[20]，流道内流场变化复杂，目前关于流道结构与流场分布和水力性能关系的研究较少，难以准确反映压力补偿滴头的水力性能，为设计出结构更合理的滴头需要进一步做专门的研究。
4 结论
1）滴头的弹性膜片选用硅胶材料，弹性性能好，有效提高了滴头的压力补偿性能，滴头的补偿区间为5～40 m，提高了滴灌系统对复杂地形的适应能力。
2）滴头流道采用三角凸齿形和梯形凹槽相结合圆弧流道形式，消能效果好，流态均匀稳定，圆弧流道结构有效提高了滴头的抗堵塞性能。
3）结构优化后滴头的制造偏差为2.06%，灌水均匀度为96.34%，滴头的流态指数为0.048，灌水均匀度高，压力补偿性能好。
参考文献：
[1]李云开,杨培岭,任树梅.滴灌灌水器流道设计理论研究若干问题的综述[J].农业机械学报,2006,37(2):145-149.
[2]何静.压力补偿滴头设计机理研究[D].北京:中国农业大学，2006.
[3]魏正英,苑伟静,周兴,等.我国压力补偿灌水器的研究进展[J].农业机械学报,2014,45(1):94-101,107.
[4]王栋.浅谈国内滴灌产业现状及建议意见[C]//第八届全国微灌大会论文汇编,酒泉,2009:210-216.
[5]王栋.内镶扁平紊流压力补偿式滴头的研制[J].节水灌溉，2007（1）：36-37.
[6]魏正英,唐一平,程英社,等.一体式压力补偿灌水器快速设计新方法[J].中国机械工程,2008,19(12):1 387-1 392，1 405
[7]武永安.压力补偿滴头流道流场的数值模拟与补偿元件分析[D].北京：北京化工大学,2009.
[8]陈瑾.迷宫滴头流道结构形式的性能研究[D].北京:中国农业大学,2006.
[9]王芳,吴普特,范兴科.滴灌灌水器迷宫流道数值模拟与结构优化设计[J].灌溉排水学报,2007,26(3):35-37.
[10]王威,翟志芬.灌水器水力性能参数的计算方法[J].安徽农业科学,2008,36(26):11 618-11 620.
[11]李勇,刘志友,安亦然.介绍计算流体力学通用软件——Fluent[J].水动力学研究与进展（A辑）,2001,16(2):254-258.
[12]王静,王文娥,胡笑涛,等.基于流固耦合方法的压力补偿滴头水力特性研究[J].灌溉排水学报,2011,30(3):107-109.
[13]武永安,陈卫红,吴大鸣.压力补偿滴头内流场的数值模拟[J].塑料，2010,39(1):107-109.
[14]OZEKICI B,RONALD S.Analysis of pressure losses in tortuous-path emitters[M].America Society ofAgriculture Engineering,1991,112-115.
[15]GLAAD Y K,KLOUS L Z.Hydraulic and mechanical properties of drippers[C]//Proceedings of the 2nd International Drip Irrigation Congress,1976.
[16]李云开,杨培岭,任树梅，等.滴头性能综合测试平台构建及其在水力特性研究中的应用[J].农业工程学报,2005,21(S1):104-106.
[17]雷显龙.滴头分形流通道设计及其水力特性的试验研究[D].北京:中国农业大学,2001.
[18]塑料节水灌溉器材压力补偿式滴头及滴灌管：GB/T19812.2－2005[S].
[19]武永安,陈卫红,吴大鸣.压力补偿滴头内流场的数值模拟[J].塑料,2010,39(1):107-109.
[20]王静.压力补偿滴头水力特性的试验及数值模拟研究进展[C]//现代节水高效农业与生态灌区建设（上），2010.