CN117581779A - 一种涡腔自冲洗渗灌灌水器及制备和冲洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种涡腔自冲洗渗灌灌水器及制备和冲洗方法，包括多孔渗水体，所述多孔渗水体顶部与上顶盖固定连接，多孔渗水体内部开设有渗水腔，上顶盖设有进水口，多孔渗水体底部与底筒固定连接，渗水腔内布置有锥形体，底筒内布置有伸缩排水套管，锥形体底部与伸缩排水套管顶部固定连接，底筒底部开设有出水口；本发明解决了现有渗灌灌水器易堵塞的问题。
Description
技术领域
本发明涉及渗灌灌水器设计领域，具体地指一种涡腔自冲洗渗灌灌水器及制备和冲洗方法。
背景技术
节水灌溉是现代农业尤其是旱区农业采用的主要灌溉方法，微灌作为一种先进的节水灌溉技术，已在旱区作物的灌溉中广泛采用。通过合理的系统设计和高效的田间管理，微灌可实现对作物根部进行定时适量的灌溉，有效减少地面水分的蒸发，极大提高灌溉水的利用效率。灌水器是微灌系统最为关键的部件，灌水器的结构、水力性能以及质量好坏直接影响到微灌系统的灌水均匀度和可靠性。近几年，人们在现代农业节水技术的快速发展中发现，滴灌是微灌中最节水的灌溉技术，而作为滴灌系统的核心部件，灌水器（滴头)已成为各国对滴管技术研究的重点之一。
近年来，关于微孔陶瓷灌水器和微孔混凝土灌水器的研究逐渐受到一些学者的重视。研究发现，微孔陶瓷灌水器和微孔混凝土灌水器不但水力性能优异,而且能有效避免塑料灌水器的缺陷。然而目前渗灌灌水器还存在较多的问题，如造价过高，灌水均匀度低，易堵塞等。这些问题极大地阻碍了滴灌技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种涡腔自冲洗渗灌灌水器及制备和冲洗方法，解决现有渗灌灌水器易堵塞的问题。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，包括多孔渗水体，所述多孔渗水体顶部与上顶盖固定连接，多孔渗水体内部开设有渗水腔，上顶盖设有进水口，多孔渗水体底部与底筒固定连接，渗水腔内布置有锥形体，底筒内布置有伸缩排水套管，锥形体底部与伸缩排水套管顶部固定连接，底筒底部开设有出水口。
优选地，所述锥形体顶部为半球形，锥形体底部设置有圆弧面翘边，圆弧面翘边底部设置有环形底座，环形底座侧部开设有进水孔。
优选地，所述伸缩排水筒体包括多块彼此存在间隙的连接板，连接板顶部与弹性体底部固定连接，弹性体顶部与外套管内壁固定连接，外套管外壁与底筒内壁固定连接，连接板底部与挡盘固定连接，挡盘与外套管底部配合。
优选地，所述上顶盖、底筒、锥形体和伸缩排水筒体均为聚乙烯材质，多孔渗水体顶部与上顶盖通过热熔胶密闭连接，多孔渗水体底部与底筒顶部通过热熔胶密闭连接，锥形体底部与伸缩排水筒体顶部通过热熔胶密闭连接，伸缩排水筒体外壁与底筒内壁通过热熔胶密闭连接。
优选地，所述多孔渗水体制备原料按质量份数计分别为：淤泥20~40份，炉渣30~50份，硅溶胶10~20份，造孔剂10~20份。
另外，本发明还公开上述涡腔自冲洗渗灌灌水器的多孔渗水体的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一：将稻壳、花生壳和木屑混合物放入破碎机破碎成颗粒状，然后将原料按照已有配合比例混合均匀；
步骤二：加入硅溶胶混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏一段时间；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在一定压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥一段时间；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，得到多孔渗水体。
进一步地，它具体包括以下步骤：
步骤一：将稻壳、花生壳和木屑混合物放入破碎机破碎成颗粒状，过100目筛，然后将三种原料按以下质量份数混合：淤泥35份，炉渣35、造孔剂15份；
步骤二：加入硅溶胶溶液占原料配方总重量的15%混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏24h；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在12MPa压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为60min；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，试验烧成温度800℃，保温时间为60~90min，得到灌水器多孔渗水体。
另外，本发明还公开上述涡腔自冲洗渗灌灌水器的冲洗方法，它包括如下步骤：
S1：当渗灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水口流入到多孔渗水体的渗水腔内，在灌水模式下，渗水腔内的水压不足以将挡盘从外套管底部向下冲开，此时外套管底部被挡盘遮挡而成封闭状态，渗水腔内的水流在压力作用下从多孔渗水体的微孔渗出，对外进行灌水过程；
S2：随着灌水次数的增加，水源中的杂质颗粒会滞留在渗水腔内，且随着使用时间的增长，逐渐堵塞多孔渗水体的微孔；
S3：当多孔渗水体被堵塞导致流量明显下降时，增大灌溉系统首部压力，当渗水腔压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式，此时水流冲击力克服弹性体的弹力而将挡盘从外套管底部向下冲开，露出外套管底部出水缝隙，水流最终从底筒底部的出水口排出；
S4：水流从出水口排出的同时，进水口水流流量瞬间增大，水流会冲击锥形体顶部，沿着锥形体外壁流动，然后由于锥形体底部设置有圆弧面翘边，一部分水流受到翘边的挑流作用，向上运动，形成漩涡冲洗多孔渗水体内壁，然后水流携带泥沙颗粒向下运动，然后沿着环形底座外侧与多孔渗水体内壁间的缝隙进入进水孔，通过外套管内部后从其底部出水缝隙流出，最后从底筒的出水口排出，达到自动冲洗的目的。
本发明的有益效果：
1、采用本发明提供的方法制备的涡腔自冲洗渗灌灌水器具有优异的灌水性能；通过改变造孔剂稻壳、花生壳和木屑混合物的质量比，可有效控制灌水器的开口孔隙率和透水系数，灌水均匀度好；由于制备渗灌灌水器的主要原料为河底的淤泥和废料炉渣，有效降低灌水器的成本。
2、渗灌灌水器极易发生堵塞，由于水流通道是灌水器材料的微孔结构，在灌水器内壁表面极易发生物理堵塞和生物堵塞，所以很难对此类堵塞进行处理；本发明借助在冲洗工况下弹性体拉力不抵水压力，挡盘向下移动，露出外套管底部出水缝隙，利用水流冲击锥形体顶部，沿着锥形体外壁流动，由于锥形体底部设置有圆弧面翘边，一部分水流受到翘边的挑流作用，向上运动，形成漩涡冲洗多孔渗水体内壁，然后水流携带泥沙颗粒向下运动，然后沿着环形底座外侧与多孔渗水体内壁间的缝隙进入进水孔，通过外套管内部后从其底部出水缝隙流出，最后从底筒的出水口排出，达到自动冲洗的目的，实现自动冲洗渗水腔内壁附着堵塞物的效果。
3、本发明利用淤泥和炉渣反应形成网状结构钙钒石，利用稻壳、花生壳和木屑混合物在加热过程中首先由于混合物内微量水蒸发产生气孔，其次混合物的主要成分为木质素、半纤维素和纤维素，在高温下发生脱氢和解聚反应，释放出二氧化碳和水产生气孔，最后稻壳、花生壳和木屑混合物中含有挥发性的碳氢化合物，也会产生气孔，使得渗水体具有很好的透水性，省去了外加造孔剂的工序,简化了工艺。
4、渗灌灌水器渗水腔内存在大漩涡，漩涡会消耗一部分水能，因此灌水器多孔渗水体的壁厚可以适当减小，节约材料成本，所得的涡腔自冲洗渗灌灌水器结构简单，制备方便，造价低廉，便于大规模生产，灌水器抗堵能力强，可长期使用。
附图说明
图1为一种涡腔自冲洗渗灌灌水器的立体结构示意图；
图2为图1半剖结构示意图；
图3为一种涡腔自冲洗渗灌灌水器的三维爆炸示意图；
图4为锥形体立体结构示意图；
图5为伸缩排水套管结构和底筒连接的结构示意图；
图6为图5中挡盘与外套管底部配合的结构示意图；
图7为冲洗工况渗水腔整体流速分布图；
图8为冲洗工况渗水腔纵向流速分布图；
图9为灌溉工况1m水头灌水器周围土壤含水率分布图。
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所示，一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，包括多孔渗水体1，所述多孔渗水体1顶部与上顶盖2固定连接，多孔渗水体1内部开设有渗水腔3，上顶盖2设有进水口4，多孔渗水体1底部与底筒5固定连接，渗水腔3内布置有锥形体6，底筒5内布置有伸缩排水套管7，锥形体6底部与伸缩排水套管7顶部固定连接，底筒5底部开设有出水口51。
优选地，所述锥形体6顶部为半球形，锥形体6底部设置有圆弧面翘边61，圆弧面翘边61底部设置有环形底座62，环形底座62侧部开设有进水孔63。
优选地，所述伸缩排水筒体7包括多块彼此存在间隙的连接板71，连接板71顶部与弹性体72底部固定连接，弹性体72顶部与外套管73内壁固定连接，外套管73外壁与底筒5内壁固定连接，连接板71底部与挡盘74固定连接，挡盘74与外套管73底部配合。在本实施例中弹性体72可以选用可伸缩的橡胶材质，其顶部与外套管73内壁固定连接，并且将底部的连接板71及挡盘74拉紧，使得挡盘74压住外套管73底部，形成密封作用（具体可见图6中的灌溉工况）；当水流通过进水孔63进入到底筒5内后，只有当水压大于弹性体72的拉力作用，挡盘74才会向下离开外套管73底部一段距离，露出外套管73底部出水缝隙（具体可见图6中的冲洗工况）。
优选地，所述上顶盖2、底筒5、锥形体6和伸缩排水筒体7均为聚乙烯材质，多孔渗水体1顶部与上顶盖2通过热熔胶密闭连接，多孔渗水体1底部与底筒5顶部通过热熔胶密闭连接，锥形体6底部与伸缩排水筒体7顶部通过热熔胶密闭连接，伸缩排水筒体7外壁与底筒5内壁通过热熔胶密闭连接。
优选地，所述多孔渗水体1制备原料按质量份数计分别为：淤泥20~40份，炉渣30~50份，硅溶胶10~20份，造孔剂10~20份。
另外，本发明还公开上述涡腔自冲洗渗灌灌水器的多孔渗水体的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一：将稻壳、花生壳和木屑混合物放入破碎机破碎成颗粒状，然后将原料按照已有配合比例混合均匀；
步骤二：加入硅溶胶混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏一段时间；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在一定压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥一段时间；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，得到多孔渗水体1。
进一步地，它具体包括以下步骤：
步骤一：将稻壳、花生壳和木屑混合物放入破碎机破碎成颗粒状，过100目筛，然后将三种原料按以下质量份数混合：淤泥35份，炉渣35、造孔剂15份；
步骤二：加入硅溶胶溶液占原料配方总重量的15%混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏24h；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在12MPa压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为60min；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，试验烧成温度800℃，保温时间为60~90min，得到灌水器多孔渗水体。
另外，本发明还公开上述涡腔自冲洗渗灌灌水器的冲洗方法，它包括如下步骤：
S1：当渗灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水口4流入到多孔渗水体1的渗水腔3内，在灌水模式下（见图6中的灌溉工况），渗水腔3内的水压不足以将挡盘74从外套管73底部向下冲开，此时外套管73底部被挡盘74遮挡而成封闭状态，渗水腔3内的水流在压力作用下从多孔渗水体1的微孔渗出，对外进行灌水过程；
S2：随着灌水次数的增加，水源中的杂质颗粒会滞留在渗水腔3内，且随着使用时间的增长，逐渐堵塞多孔渗水体1的微孔；
S3：当多孔渗水体1被堵塞导致流量明显下降时，增大灌溉系统首部压力，当渗水腔3压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式（见图6中的冲洗工况），此时水流冲击力克服弹性体72的弹力而将挡盘74从外套管73底部向下冲开，露出外套管73底部出水缝隙，水流最终从底筒5底部的出水口51排出；
S4：水流从出水口51排出的同时，进水口4水流流量瞬间增大，水流会冲击锥形体6顶部，沿着锥形体6外壁流动，然后由于锥形体6底部设置有圆弧面翘边61，一部分水流受到翘边的挑流作用，向上运动，形成漩涡冲洗多孔渗水体1内壁，然后水流携带泥沙颗粒向下运动，然后沿着环形底座62外侧与多孔渗水体1内壁间的缝隙进入进水孔63，通过外套管73内部后从其底部出水缝隙流出，最后从底筒5的出水口51排出，达到自动冲洗的目的。
实施例1：通过FLUENT数值模拟灌水器在冲洗工况下的内部水流流动特性。如图7至8所示（其中图7的a为立体分布图，b为俯视分布图），当渗灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水口流入到多孔渗水体的渗水腔内，在灌水模式下，渗水腔内的水压不足以将挡盘从外套管底部向下冲开，此时外套管底部被挡盘遮挡而成封闭状态，渗水腔内的水流在压力作用下从多孔渗水体的微孔渗出，随着灌水次数的增加，水源中的部分细小杂质颗粒会滞留在灌水器渗水腔内，且随着使用时间的增长，灌水器渗水体内壁会滋生藻类微生物，进一步堵塞灌水器。当灌水器被堵塞导致流量明显下降时，通过增大灌溉系统首部压力，当灌水器渗水腔压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式。此时水流将挡盘从外套管底部向下冲开，露出外套管底部出水缝隙，并最终从底筒底部的出水口排出，水流从出水口排出的同时，进水口水流流量瞬间增大，水流会冲击锥形体顶部，沿着锥形体外壁流动，然后由于锥形体底部设置有圆弧面翘边，一部分水流受到翘边的挑流作用，向上运动，形成漩涡冲洗多孔渗水体内壁，然后水流携带泥沙颗粒向下运动，然后沿着环形底座外侧与多孔渗水体内壁间的缝隙进入进水孔，通过外套管内部后从其底部出水缝隙流出，最后从底筒的出水口排出，达到自动冲洗的目的。
从灌水器腔内流速分布图可看出，一股水流受到翘边的挑流作用，水流呈抛物线向上运动，冲击灌水器多孔渗水体内壁，然后这正是灌水器易堵部位，然后形成漩涡携带泥沙颗粒向下运动，向下运动的水流流速较大，携带泥沙能力较强，沿着底座与多孔渗水体内壁间的缝隙，流入到进水孔，从灌水器腔内水流流线分布可看出，锥形体结构的设计，使得灌水器内部水流紊动增强，水流剧烈扰动及旋涡有利于实现对灌水器内壁的清洗，满足抗堵塞要求。
实施例2：本实施例通过HYDRUS数值模拟灌溉工况多孔渗水体内部流速分布情况，得到在灌水器内部流速为10×10-3m/s，流经多孔复合材料渗水体后流速降为4×10-4m/s，具有良好的消能效果。
实施例3：本实施例通过HYDRUS数值模拟灌水器周围1m³土壤含水率分布情况，如图9所示，经过24h灌水后，灌水器周围1m³土壤含水率出现明显的分层，内层含水率最大，为0.43，外层含水率最小，为0.038，灌水器周围土壤含水率呈对称分布显示，表明灌水器的灌水均匀度较好，含水率最大范围在灌水器周围25cm内，此实施例可指导作物种植位置，确保灌溉水利用率最大化。
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 (8)
1.一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，包括多孔渗水体（1），所述多孔渗水体（1）顶部与上顶盖（2）固定连接，多孔渗水体（1）内部开设有渗水腔（3），上顶盖（2）设有进水口（4），其特征在于：多孔渗水体（1）底部与底筒（5）固定连接，渗水腔（3）内布置有锥形体（6），底筒（5）内布置有伸缩排水套管（7），锥形体（6）底部与伸缩排水套管（7）顶部固定连接，底筒（5）底部开设有出水口（51）。
2.根据权利要求1所述的一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，其特征在于：所述锥形体（6）顶部为半球形，锥形体（6）底部设置有圆弧面翘边（61），圆弧面翘边（61）底部设置有环形底座（62），环形底座（62）侧部开设有进水孔（63）。
3.根据权利要求1所述的一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，其特征在于：所述伸缩排水筒体（7）包括多块彼此存在间隙的连接板（71），连接板（71）顶部与弹性体（72）底部固定连接，弹性体（72）顶部与外套管（73）内壁固定连接，外套管（73）外壁与底筒（5）内壁固定连接，连接板（71）底部与挡盘（74）固定连接，挡盘（74）与外套管（73）底部配合。
4.根据权利要求1所述的一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，其特征在于：所述上顶盖（2）、底筒（5）、锥形体（6）和伸缩排水筒体（7）均为聚乙烯材质，多孔渗水体（1）顶部与上顶盖（2）通过热熔胶密闭连接，多孔渗水体（1）底部与底筒（5）顶部通过热熔胶密闭连接，锥形体（6）底部与伸缩排水筒体（7）顶部通过热熔胶密闭连接，伸缩排水筒体（7）外壁与底筒（5）内壁通过热熔胶密闭连接。
5.根据权利要求1所述的一种涡腔自冲洗渗灌灌水器，其特征在于：所述多孔渗水体（1）制备原料按质量份数计分别为：淤泥20~40份，炉渣30~50份，硅溶胶10~20份，造孔剂10~20份。
6.一种权利要求5中所述涡腔自冲洗渗灌灌水器的多孔渗水体的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一：将稻壳、花生壳和木屑混合物放入破碎机破碎成颗粒状，然后将原料按照已有配合比例混合均匀；
步骤二：加入硅溶胶混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏一段时间；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在一定压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥一段时间；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，得到多孔渗水体（1）。
7.根据权利要求6所述涡腔自冲洗渗灌灌水器的多孔渗水体的制备方法，其特征在于：它具体包括以下步骤：
步骤一：将稻壳、花生壳和木屑混合物放入破碎机破碎成颗粒状，过100目筛，然后将三种原料按以下质量份数混合：淤泥35份，炉渣35、造孔剂15份；
步骤二：加入硅溶胶溶液占原料配方总重量的15%混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏24h；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在12MPa压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为60min；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，试验烧成温度800℃，保温时间为60~90min，得到灌水器多孔渗水体。
8.一种权利要求1至5任一项所述涡腔自冲洗渗灌灌水器的冲洗方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1：当渗灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水口（4）流入到多孔渗水体（1）的渗水腔（3）内，在灌水模式下，渗水腔（3）内的水压不足以将挡盘（74）从外套管（73）底部向下冲开，此时外套管（73）底部被挡盘（74）遮挡而成封闭状态，渗水腔（3）内的水流在压力作用下从多孔渗水体（1）的微孔渗出，对外进行灌水过程；
S2：随着灌水次数的增加，水源中的杂质颗粒会滞留在渗水腔（3）内，且随着使用时间的增长，逐渐堵塞多孔渗水体（1）的微孔；
S3：当多孔渗水体（1）被堵塞导致流量明显下降时，增大灌溉系统首部压力，当渗水腔（3）压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式，此时水流冲击力克服弹性体（72）的弹力而将挡盘（74）从外套管（73）底部向下冲开，露出外套管（73）底部出水缝隙，水流最终从底筒（5）底部的出水口（51）排出；
S4：水流从出水口（51）排出的同时，进水口（4）水流流量瞬间增大，水流会冲击锥形体（6）顶部，沿着锥形体（6）外壁流动，然后由于锥形体（6）底部设置有圆弧面翘边（61），一部分水流受到翘边的挑流作用，向上运动，形成漩涡冲洗多孔渗水体（1）内壁，然后水流携带泥沙颗粒向下运动，然后沿着环形底座（62）外侧与多孔渗水体（1）内壁间的缝隙进入进水孔（63），通过外套管（73）内部后从其底部出水缝隙流出，最后从底筒（5）的出水口（51）排出，达到自动冲洗的目的。
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|---|---|---|---|
| CN202311431959.6A CN117581779A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 一种涡腔自冲洗渗灌灌水器及制备和冲洗方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311431959.6A CN117581779A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 一种涡腔自冲洗渗灌灌水器及制备和冲洗方法 |
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2023
- 2023-10-31 CN CN202311431959.6A patent/CN117581779A/zh active Pending
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