CN113906981A - 一种涡腔式滴灌灌水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡腔式滴灌灌水器，包括进水口、迷宫流道及出水口，所述迷宫流道是由若干个相同且连通的三角通道和涡腔串联为一起的流道单元构成，所述三角通道是由第一直通道和第二直通道构成；所述第一直通道的首端与涡腔连通，末端与第二直通道的首端连通；所述第二直通道的末端与本流道单元内的涡腔连通；所述涡腔是由进口、出口及涡齿联通构成；本发明在现有灌水器水力性能的基础上，其流道宽度提高了高达40%左右，大大提高了灌水器的抗堵塞性能，而且结构简单，适用范围广。

Description

一种涡腔式滴灌灌水器

技术领域

本发明涉及一种水利灌溉滴灌器，具体是一种用于灌溉的涡腔式滴灌灌水器，属于节水灌溉技术领域。

背景技术

农业灌溉设施的科技技术发展，节水、节肥、省时、省工、节能等滴灌技术日益受到人们的重视，滴灌是一种精密的灌溉设施，是目前世界上最有效的一种节水灌溉方式，是发展现代农业、高效、节约型农业最佳的不可或缺的灌溉措施。

现有迷宫式流道灌水器和压力补偿式灌水器是滴灌系统中常用的两种灌水器，且在国内外均得到了广泛应用，迷宫式流道灌水器主要利用水流紊动来实现消能减压目的，工作机理为：在复杂、弯曲的流道结构作用下，流道内水流维持紊流状态运动，并伴有漩涡，会产生较大的局部水头损失，消除滴灌灌水器进口处多余工作压力，从而使得由灌水器工作压力产生变化而引起的灌水器出流量的变化较小，灌水均匀度较高，此类型灌水器，水力性能较为优良，且制造成本较低，因此应用比较广泛。

滴灌技术不仅要求灌水器具有小流量、灌水均匀的特性，还要求灌水器具有较长的使用寿命，以保障滴灌系统长期、高效运行，即要求灌水器具有较好的抗堵性能；实际滴灌工程中，灌溉水源多以江河、湖泊、坑塘等地表水为主，这些水源往往含有较多泥沙，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；而为了提高灌水器水力性能，灌水器流道设计时通常要求结构尺寸微小，在1mm左右，并有向更小尺寸发展的趋势，且具有复杂弯曲边界，这导致进入其中的细颗粒泥沙无法顺畅通过，在流道内沉淀堆积；滴头堵塞后会降低灌水均匀度，引起作物生长不一致和减产，更换管道会增加投资和劳动力，目前堵塞问题是制约滴灌技术推广和应用的一个主要因素。

灌水器是整个滴灌工程的最为关键的部件，其性能的优劣极大地决定了整体工程效益的灌溉质量，通过增加流道断面尺寸，改变流道结构形式等，提高出水的均匀度，增强流道抗堵塞能力，保证灌水器在一定压力条件下具有好的工作性能是目前滴灌专家的研究热点。

现有应用较广泛的矩形迷宫流道灌水器流道单元长度为6mm，流道宽度1mm，深度1mm，流道总长300mm，为50个流道单元串联组成，其在5m-10m工作压力下出水量为2.0-2.9L/h，基于此，需要一种即使在灌溉水含沙量大的使用条件下，灌水器也难以堵塞的流道结构，同时保证其一定的水力性能和出流量，来解决目前灌水器存在极易结垢堵塞，追求水力性能和抗堵塞性能相矛盾等问题。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是提供一种消能效果优良、出水均匀、不易堵塞且结构简单的涡腔式滴灌灌水器。

为解决上述技术问题，本发明提出了如下技术方案。

一种涡腔式滴灌灌水器，包括进水口、出水口及迷宫流道；其特征在于：

所述迷宫流道是由若干个相同且连通的三角通道和涡腔串联为一起的流道单元构成；

所述三角通道是由第一直通道和第二直通道构成；

所述第一直通道的首端与涡腔连通，末端与第二直通道的首端连通；

所述第二直通道的末端与本流道单元内的涡腔连通；

所述涡腔是由进口、出口及涡齿联通构成。

上述技术方案的附件技术特征如下。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述进水口是连通于所述迷宫流道的始端；所述出水口是连通于所述迷宫流道的末端，并向外蔓延滴灌。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述三角通道的正视投影为等腰直角三角形结构，流道深度为1mm，流道宽度为1mm-1.4mm；所述第一直通道和第二直通道的夹角为90°。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述腔齿的正视投影为长条状平行四边形实体结构，其深度为1mm，宽度为0.3mm，竖直高度为涡腔高度的一半。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述腔齿是设置于进口与出口之间，并与进口与出口相连接，与直通道相垂直。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述腔齿底部平面与涡腔底部相平行。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述涡腔正视投影为矩形结构，深度为1mm，长度为5.8mm-7.4mm，高度为三角通道宽度的2倍。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述涡腔的相邻两个流道单元的间距为0.4mm。

一种涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述进口和出口均设置于涡腔的顶端。

本发明上述所提供的一种涡腔式滴灌灌水器技术方案，不同于现有传统迷宫式灌水器流道的设计思路，通过在流道单元中设置涡腔及其内部结构，形成一种全新的流道结构型式；由于涡腔内部进、出口和涡齿的位置关系以及较大流通面积，致使水流在涡腔中形成多个大强度的旋涡，极大的提高了灌水器的水力性能，加上水流势能与动能的转换，达到降低灌水器内水流流速的目的；基于此，可大幅度的增加流道断面面积，且水力性能及出水量与现有传统迷宫式灌水器一致，抗堵塞性能大大增加。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果在于：与传统灌水器尺寸参数一致的情况下，由于涡齿对水流的阻挡，使水流在涡腔内产生了多个发展充分的旋涡，极大地增加了水流能量的消耗，同时灌水旋涡的持续冲刷，使灌水器不易产生堵塞，拥有更优良的水力性能，出水均匀度明显提升。

与现有灌水器相比，在同样长度的流道范围下，流道断面面积增大了40%以上，其水力性能与传统灌水器接近，但流道断面面积大幅增加，使抗堵塞性能有较大提升，且单元数更少，滴口更大，更不易堵塞。

本发明提供的涡腔式滴灌灌水器，流道结构简单，对制作工艺要求低，生产成本低，具有良好的工作性能，适用范围广泛，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的结构示意图。

图2是本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的单个流道单元结构示意图。

图3是本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的局部结构立体示意图。

图4是本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的局部速度矢量图。

图5是本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的流量—压力性能曲线图。

图中：1—进水口；2—出水口；3—迷宫流道；4—三角通道；5—第一直通道；6—第二直通道；7—进口；8—出口；9—涡腔；10—涡齿。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理结构和特征进行清晰、完整的描述，虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制；相反提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施本发明上述所提供的一种涡腔式滴灌灌水器的技术方案，其基本结构设计特征在于灌溉水经流道单元的三角通道，消耗部分能量，同时改变水流方向，在涡腔进口处设置涡齿，涡齿与从三角通道流出的水流方向垂直，水流经三角通道流出冲击涡齿后转变方向，在涡腔左侧较大的空间内形成发展充分的较大旋涡，旋涡与进口处的水流产生一定的对冲作用，增大对水流能量的消耗；随后水流经涡齿下方流入涡腔右侧，并在涡腔右侧再次形成多个发展充分的旋涡，且在涡腔的四个边角处，有较小的旋涡产生，之后水流从涡腔顶部出口流入下一流道单元，并重复上述过程；在整个过程中，水流经过偏转、对边壁的撞击、充分发展的涡流等效应，实现对水流能量的消耗，尤其是涡齿在涡腔内引发大小、强度不同的旋涡，由此改变或改善灌水器的性能，包括水力性能与抗堵塞性能，该结构是本灌水器消能效果优良的关键因素。

实施例1

本实施例通过采用38个流道单元组成的迷宫流道3进行具体描述，如附图1—附图3所示，本发明提供的涡腔式滴灌灌水器，主要包括进水口1、迷宫流道3和出水口2；主迷宫流道3包括串联在一起的若干个相同且连通的由三角通道4和涡腔9构成的流道单元；三角通道4为等腰直角三角形结构，由第一直通道5和第二直通道6连通构成；涡腔9为矩形结构，包括进口7、出口8和涡齿10，其中进口7和出口8设置在涡腔顶端，涡齿10为长条状平行四边形结构，并设置在进口7与出口8之间，且与第二直通道6相垂直，涡齿10竖直高度为涡腔9高度的1/2。

如附图1—附图3所示，本实施例具体尺寸为，进水口1、出水口2、迷宫流道3整体深度为1mm，三角通道4流道宽度为1.4mm，涡腔高度为2.8mm，涡腔长度为7.4mm，涡齿宽度为0.3mm，涡齿竖直方向高度为1.4mm。迷宫流道单元总高6.5mm，流道总长297mm。

水流首先流入三角通道4，三角通道4由直通道5和直通道6首尾连通构成，水流经过直通道5时，会在直通道5右下侧处形成一个发展较大的旋涡，在第一直通道5和第二直通道6的衔接处产生小的旋涡，同时水流撞击第二直通道6的边壁，使水流方向改变，在三角通道4中消耗少量能量。

从第二直通道6流出的水流经进口7流入涡腔9，在涡腔9顶端进口7处设置有涡齿10，涡齿10与第二直通道6相互垂直，从第二直通道6高速流出的水流冲击在涡齿10上，产生能量损耗，同时改变水流流向，使水流在涡腔9左侧区域形成一个几乎占据整个涡腔9左侧区域的大旋涡，涡腔9流通面积较大，旋涡充分发展，旋涡的旋转方向与从进口7流入的水流发生一定对冲作用，涡腔9左侧充分发展的旋涡以及旋涡与进口7水流的对冲作用，极大增加了水流的能量损耗。

涡腔9左侧的水流经涡齿10下方流入涡腔9右侧区域，在涡腔9右侧较大区域产生又形成一个充分发展的旋涡，再次增加了水流的能量消耗，在三角通道4和涡腔9中充分耗能的水流经涡腔9顶部出口8流入下一流道单元，并重复上述过程。

如附图4所示，本发明采用和实际一致的数值模拟方法，对所述灌水器局部流道内流体速度分布进行了模拟仿真，通过观察附图4可知，水流在第一直通道5和第二直通道6的衔接处以及第二直通道6的前端产生了不同大小的旋涡；经进口7流入的水流与涡齿10发生垂直对冲碰撞，增加水流的能量损失，后在涡腔9的左侧较大空间内形成一个充分发展的旋涡，主流沿涡齿10下方流入涡腔9右侧区域，由于涡腔9右端边壁的阻挡以及出口8位置在涡腔9的顶部，流入涡腔9右侧的水流又形成一个充分发展的旋涡，在涡腔9中形成的多个大小、强度不同的旋涡极大消耗了水流的能量，是本灌水器滴水效果较好的关键因素。

如附图5所示，本发明对所述灌水器通过数值模拟得到了压力—流量关系曲线图，附图5中的横坐标为进水口处的工作压力H（m），纵坐标为出水流量Q（L/h），可以得到流态指数为0.494，符合灌水器的水力性能要求，水力性能良好，流道单元的耗能作用明显。

如附图5所示，对本实施例灌水器通过数值模拟得到的压力-流量关系曲线图，其中，设进水口压力水头为5m下，出水流量为2.25L/h；进水口压力水头为10m下，出水流量为3.17L/h；对比现有灌水器5-10m工作压力下，出水量为2-2.9L/h，本实施例在流道断面面积比传统灌水器扩大40%条件下，出水量增量不大，且流量—压力曲线斜率比传统灌水器最大降低7%，灌水均匀度仍有略微提升；因此本发明所述的一种涡腔式滴灌灌水器具有比传统灌水器大幅度增强的水力性能或抗堵塞性能。

本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的流道与现有迷宫流道相比，本实施例的出水均匀度提高，消能效果良好，且流道截面尺寸提升较大，单元数较少，抗堵塞性能提升明显。

应用本发明时，可根据灌溉区域的具体工作环境进行选择：

当本发明提供的涡腔式滴灌灌水器的流道尺寸参数与现有灌水器迷宫流道尺寸参数一致时，其水力性能明显提升，出水均匀度更高，适用于水质条件良好的地域，可更大限度的节约水资源，降低生产成本，提升农作物品质。

当本发明提供的滴灌灌水器的迷宫流道断面面积与现有灌水器迷宫流道相比，增大40%左右时，其水力性能与现有灌水器接近，且流道断面面积增大，单元数较少，抗堵塞性能提升明显。适用于水质条件较差，流道易堵塞的地域，可延长灌水器的使用寿命，有利于灌溉工作的正常进行。

当本发明提供的涡腔滴灌灌水器的迷宫流道断面面积与现有灌水器迷宫流道相比，适量增大时，其水力性能和抗堵性能均有一定提升。

使用时可根据具体需求，增减流道断面尺寸、增减流道单元及流道长度，可更大限度的节约水资源，降低生产成本，提升农作物品质。

以上对本发明所提供的涡腔式滴灌灌水器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种涡腔式滴灌灌水器，包括进水口（1）、出水口（2）及迷宫流道（3）；其特征在于：

所述迷宫流道（3）是由若干个相同且连通的三角通道（4）和涡腔（9）串联为一起的流道单元构成；

所述三角通道（4）是由第一直通道（5）和第二直通道（6）构成；

所述第一直通道（5）的首端与涡腔（9）连通，末端与第二直通道（6）的首端连通；

所述第二直通道（6）的末端与本流道单元内的涡腔（9）连通；

所述涡腔（9）是由进口（7）、出口（8）及涡齿（10）联通构成。

2.如权利要求1所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述进水口（1）是连通于所述迷宫流道（3）的始端；所述出水口（2）是连通于所述迷宫流道（3）的末端，并向外蔓延滴灌。

3.如权利要求1所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述三角通道（4）的正视投影为等腰直角三角形结构，流道深度为1mm，流道宽度为1mm-1.4mm；所述第一直通道（5）和第二直通道（6）的夹角为90°。

4.如权利要求1所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述腔齿（10）的正视投影为长条状平行四边形实体结构，其深度为1mm，宽度为0.3mm，竖直高度为涡腔（9）高度的一半。

5.如权利要求1或4所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述腔齿（10）是设置于进口（7）与出口（8）之间，并与进口（7）与出口（8）相连接，与直通道（6）相垂直。

6.如权利要求1或4所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述腔齿（10）底部平面与涡腔（9）底部相平行。

7.如权利要求1所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述涡腔（9）正视投影为矩形结构，深度为1mm，长度为5.8mm-7.4mm，高度为三角通道（4）宽度的2倍。

8.如权利要求1或7所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述涡腔（9）的相邻两个流道单元的间距为0.4mm。

9.如权利要求1所述的涡腔式滴灌灌水器，其特征在于：所述进口（7）和出口（8）均设置于涡腔（9）的顶端。

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