CN116508622A - 一种三向分叉迷宫流道灌水器及其水流流动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三向分叉迷宫流道灌水器及其水流流动方法，包括入水口和出水口，所述入水口和出水口之间的流道内设有迷宫流道，迷宫流道内设有若干个相同的结构单元，所述结构单元包括主流道，所述主流道两侧设有分水体，主流道末端设有阻水体，所述分水体为三角柱形结构，所述分水体靠近主流道末端的一侧为凹陷结构，所述分水体远离主流道末端的一侧为凸起结构；本发明在现有灌水器水力性能的基础上，有良好的消能效果，同时也提高了灌水器的抗堵塞性能，出水均匀，而且结构简单，适用范围广。

Description

一种三向分叉迷宫流道灌水器及其水流流动方法

技术领域

本发明涉及灌水器设计技术领域，具体地指一种三向分叉迷宫流道灌水器及其水流流动方法。

背景技术

滴灌可以大大提高水资源的利用率，对我农业大国有很大利用效能。但滴灌系统的缺点同时也是限制滴管技术发展的关键—灌水器易结垢和堵塞。大面积的堵塞会使滴灌系统失效，这在很大程度上限制了灌水器的推广应用。此外,近些年国内一些地区提倡低压灌溉，这对灌水器抗堵塞性能的要求无疑更加苛刻，因此需要一种即使在灌溉水含沙量大的工作条件下，灌水器也不易发生堵塞的流道结构，来解决目前灌水器极易发生堵塞的问题，使滴灌技术进一步推广。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种消能效果优良、出水均匀、不易堵塞且结构简单的一种三向分叉迷宫流道灌水器及其水流流动方法，以解决背景技术中提出的问题。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种三向分叉迷宫流道灌水器，包括入水口和出水口，所述入水口和出水口之间的流道内设有迷宫流道，迷宫流道内设有若干个相同的结构单元，所述结构单元包括主流道，所述主流道两侧设有分水体，主流道末端设有阻水体，所述分水体为三角柱形结构，所述阻水体靠近主流道末端的一侧为凹陷结构，所述阻水体远离主流道末端的一侧为凸起结构。

优选地，所述流道边壁与其中一个分水体侧部形成第一支流道，所述管壁侧壁与另一个分水体侧部形成第二支流道。

优选地，所述阻水体横截面形状为呈两侧对称的箭头形结构。

优选地，所述阻水体的两个迎水面分别与两个分水体的背水面平行，且高度与其对应。

优选地，所述主流道与第一支流道和第二支流道之间的夹角相等，其夹角范围在15-45°。

优选地，所述流道边壁与分水体的迎水面以及阻水体的背水面相互平行。

优选地，所述入水口和出水口之间的流道内还设有转向流道。

优选地，所述阻水体的两个迎水面相接壤的区域为尖角或圆角结构。

另外，本发明还公开上述三向分叉迷宫流道灌水器的水流流动方法，它包括如下步骤：

S1：水流在流经流道时，依次经过流道的多个结构单元；

S2：在进入相应的结构单元时，从入口位置通过分水体，由分水体将水流分为三股水流，消耗部分能量，三股水流分别进入到第一支流道、第二支流道和主流道；

S3：进入到主流道的水流在阻水体作用下又形成两股水流，并分别与第一支流道出来的水流和第二支流道出来的水流形成对冲并合流，重新形成两股水流，这个过程再次消耗部分能量；

S4：S3形成的两股水流在结构单元出口位置再次对冲消能并合为一股水流，消耗部分能量，最终流向下一结构单元。

本发明的有益效果：

1、本发明与传统灌水器流道的设计思路不同，通过主流道与两个支流道的对冲加上在流道单元末的对冲，形成一种全新的流道结构型式，由于一个流道单元内发生了三次水流对冲，致使水流在流道中损失大量能量，提高了灌水器的水力性能。且由于流道中水流大都保持高速流道，所以泥沙不易淤积，抗堵塞性能大大提高。

2、本发明流道结构单元个数以及对冲角度可以根据不同工况的要求来适当调整，以达到满足不同条件下灌水器的工作要求。

3、本发明在现有灌水器水力性能的基础上，有良好的消能效果，同时也提高了灌水器的抗堵塞性能，出水均匀，而且结构简单，适用范围广。

附图说明

图1为为一种三向分叉迷宫流道灌水器的结构示意图；

图2为一种三向分叉迷宫流道灌水器的内部流道示意图；

图3为图1中的单个结构单元结构示意图；

图4为一种三向分叉迷宫流道灌水器的阻水体迎水面圆角处理后示意图；

图5为一种三向分叉迷宫流道灌水器的局部速度矢量图；

图6为一种三向分叉迷宫流道灌水器的局部水流流线图；

图7为一种三向分叉迷宫流道灌水器的速度云图；

图8为一种三向分叉迷宫流道灌水器的阻水体迎水面圆角处理后的速度云图；

图9为一种三向分叉迷宫流道灌水器的阻水体迎水面圆角处理后的数值模拟沙粒运动轨迹图；

图10为一种三向分叉迷宫流道灌水器的数值模拟沙粒运动轨迹图；

图11为一种三向分叉迷宫流道灌水器的压力-流量关系曲线图；

图12为一种三向分叉迷宫流道灌水器的阻水体迎水面圆角处理后的压力-流量关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至9所示，一种三向分叉迷宫流道灌水器，包括入水口1和出水口3，所述入水口1和出水口3之间的流道内设有迷宫流道2，迷宫流道2内设有若干个相同的结构单元9，所述结构单元9包括主流道6，所述主流道6两侧设有分水体7，主流道6末端设有阻水体8，所述分水体7为三角柱形结构，所述阻水体8靠近主流道6末端的一侧为凹陷结构，所述阻水体8远离主流道6末端的一侧为凸起结构。

优选地，所述流道边壁与其中一个分水体7侧部形成第一支流道4，所述管壁侧壁与另一个分水体7侧部形成第二支流道5。在本实施例中，分水体7上边为3～5mm，两边底角分别为15°～45°和50°～80°。

优选地，所述阻水体8横截面形状为呈两侧对称的箭头形结构。

优选地，所述阻水体8的两个迎水面分别与两个分水体7的背水面平行，且高度与其对应。

优选地，所述主流道6与第一支流道4和第二支流道5之间的夹角相等，其夹角范围在15-45°。在本实施例中，主流道6宽1～1.5mm，支流道宽0.8～1.2mm，流道深度为1mm。

优选地，所述流道边壁与分水体7的迎水面以及阻水体8的背水面相互平行。

优选地，所述入水口1和出水口3之间的流道内还设有转向流道10。通过设置转向流道10后，可以连续往复转向设置迷宫流道，这样可以大大节约整个流道占用的空间。

优选地，所述阻水体8的两个迎水面相接壤的区域为尖角或圆角结构。如图7和8所示，所述接壤的区域为尖角结构时，本灌水器的水利性能更佳；接壤的区域为圆角结构时，本灌水器的抗堵性能更佳。

本实施例还公开上述三向分叉迷宫流道灌水器的水流流动方法，它包括如下步骤：

S1：水流在流经流道时，依次经过流道的多个结构单元9；

S2：在进入相应的结构单元9时，从入口位置通过分水体7，由分水体7将水流分为三股水流，消耗部分能量，三股水流分别进入到第一支流道4、第二支流道5和主流道6；

S3：进入到主流道6的水流在阻水体8作用下又形成两股水流，并分别与第一支流道4出来的水流和第二支流道5出来的水流形成对冲并合流，重新形成两股水流，这个过程再次消耗部分能量；

S4：S3形成的两股水流在结构单元9出口位置再次对冲消能并合为一股水流，消耗部分能量，最终流向下一结构单元9。

在上述过程中，水流不断的被分流合流并发生对冲，实现对水流能量的消耗，并且抗堵塞性能良好。

实施例1：

本实施例通过对10个流道结构单元的迷宫流道进行描述，如附图1～附图3所示，本发明所提供的三向分叉迷宫流道灌水器，主要包括进水口1，迷宫流道2和出水口3，迷宫流道2包括多个串联在一起的相互连通的相同结构单元9；所述结构单元由第一支流道4，第二支流道5，主流道6以及分水体7与阻水体8构成。结构单元9为对称结构，且阻水体的两个迎水面与两个分水体的背水面平行，高度与其对应。流道单元9中还存在转向流道10。如附图1～附图3所示，本实施例具体尺寸为，进水口1、迷宫流道2、出水口3整体深度为1mm，为保证水流能顺利流入支流道，分水体的左底角取一较小角度，主流道6与第一支流道4的夹角取15°，主流道宽1.5mm，又为使主流道与支流道的对冲消能效果更好，分水体的右底角取一较大角度，本实施例去60°。支流道宽1mm。分水体上边为4mm。两边底角分别为15°和60°。迷宫流道单元总高度为5.64mm，长度为12.68mm。

实施例2：

如附图5所示，本发明采用与实际相近的fluent软件进行数值模拟，对所述灌水器局部流道内流体速度分布进行了模拟仿真，通过观察速度矢量图可知，水流在第一支流道4和第二支流道5的末尾分别有两股水流发生对冲；在结构单元9的末尾也有两股水流发生对冲，增加对水流的能量消耗。在一个流道结构单元中多次发生水流对冲，以达到对水流能量的极大消耗，是本灌水器水力性能较好的关键因素。

如附图6所示，本发明采用与实际相近的fluent软件进行数值模拟，对所述灌水器局部流道内流体速度分布进行了模拟仿真，通过观察流线图可以清晰的看到在流道单元中没有明显漩涡的产生，即流道中水流保持高速流动，因此沙粒难以在流道中淤积，所以本迷宫流道在改善水利性能的同时，有良好的抗堵能力。

实施例3：

如附图9和10所示，利用fluent软件的离散相模型，黏性模型选用RNG k-ε模型，可以很好地处理流线弯曲程度较大的流动。设置0.1mm粒径的沙子，密度为2500g/m³，泥沙含量为1%。由颗粒轨迹图可以清晰的看到，泥沙颗粒可以很顺畅的排出流道外，流道内难以淤积泥沙，灌水器抗堵性能良好。

由于目前消能主要形式为两种，一种为对冲消能，另一种为形成漩涡来消能，但漩涡的存在，会使泥沙在同一位置长时间堆积，难以排出流道。所以本发明舍弃漩涡消能的方式，只采用水流对冲消能的方式，利用水流对冲时导致的水流紊动来达到消能的效果，将灌水器的抗堵性能发挥到最佳，所以本发明适用泥沙含量较大的水源情况。

实施例4：

如附图11所示，本发明采用与实际相近的fluent软件进行数值模拟，对所述灌水器局部流道内流体速度分布进行了模拟仿真，得到了压力-流量关系曲线图，附图11中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0.571，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12所示，本发明对将阻水体的迎水面圆角处理后的灌水器局部流道内流体速度分布进行了模拟仿真，得到了有泥沙淤积后的压力-流量曲线图，附图12中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0.576，与没有泥沙淤积的流态指数相差不大，但流量系数有较为明显的提升，适用于须水量较大的作物来使用。这是由于圆角的结构相比于尖角结构，更适合流体通过，使水流可以更顺滑的流过，如附图7和附图8所示，又由于本灌水器流道消能只采用对冲消能的方法，所以对流态指数没有较大影响，但对流量系数有较大优化，使灌水器流道过水能力有较明显提升。

本实施例提供的三向分叉迷宫流道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，单元数较少，抗堵塞性能提升明显。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三向分叉迷宫流道灌水器，包括入水口（1）和出水口（3），所述入水口（1）和出水口（3）之间的流道内设有迷宫流道（2），迷宫流道（2）内设有若干个相同的结构单元（9），其特征在于：所述结构单元（9）包括主流道（6），所述主流道（6）两侧设有分水体（7），主流道（6）末端设有阻水体（8），所述分水体（7）为三角柱形结构，所述阻水体（8）靠近主流道（6）末端的一侧为凹陷结构，所述阻水体（8）远离主流道（6）末端的一侧为凸起结构。

2.根据权利要求1所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述流道边壁与其中一个分水体（7）侧部形成第一支流道（4），所述管壁侧壁与另一个分水体（7）侧部形成第二支流道（5）。

3.根据权利要求1所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述阻水体（8）横截面形状为呈两侧对称的箭头形结构。

4.根据权利要求1所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述阻水体（8）的两个迎水面分别与两个分水体（7）的背水面平行，且高度与其对应。

5.根据权利要求2所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述主流道（6）与第一支流道（4）和第二支流道（5）之间的夹角相等，其夹角范围在15-45°。

6.根据权利要求1所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述流道边壁与分水体（7）的迎水面以及阻水体（8）的背水面相互平行。

7.根据权利要求1所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述入水口（1）和出水口（3）之间的流道内还设有转向流道（10）。

8.根据权利要求1所述的一种三向分叉迷宫流道灌水器，其特征在于：所述阻水体（8）的两个迎水面相接壤的区域为尖角或圆角结构。

9.一种权利要求1至8任一项所述三向分叉迷宫流道灌水器的水流流动方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：水流在流经流道时，依次经过流道的多个结构单元（9）；

S2：在进入相应的结构单元（9）时，从入口位置通过分水体（7），由分水体（7）将水流分为三股水流，消耗部分能量，三股水流分别进入到第一支流道（4）、第二支流道（5）和主流道（6）；

S3：进入到主流道（6）的水流在阻水体（8）作用下又形成两股水流，并分别与第一支流道（4）出来的水流和第二支流道（5）出来的水流形成对冲并合流，重新形成两股水流，这个过程再次消耗部分能量；

S4：S3形成的两股水流在结构单元（9）出口位置再次对冲消能并合为一股水流，消耗部分能量，最终流向下一结构单元（9）。