CN1454459A - 一种滴灌灌水器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用在各种滴头、滴灌管上的灌水器，属灌溉设备领域。为了达到本发明的目的，所采取的技术方案包括壳体、设在壳体内的流道、与流道两端口相通的入口和出口，其特征在于，流道的边界线或中心线是分形曲线或含有分形曲线。本滴灌灌水器的流道比常规的迷宫式流道具有更强的消能效果，流态指数小，具有降低滴头的压力敏感的能力，且比常规的迷宫式流道的宽度要大，挟沙能力强，具有很强的抗堵塞能力。

Description

一种滴灌灌水器
技术领域
本发明涉及一种用在各种滴头、滴灌管上的灌水器，属灌溉设备领域。
背景技术
滴灌是一种现代的高效灌溉技术，它能够集灌溉、施肥于一体，适时、适量地向作物供水、施肥，为作物生长提供适宜的生长环境，从而实现高产、优质、高效的目的。灌水器是滴灌系统的关键部件，其流道的水力性能直接决定滴灌系统的工作效果。从1880年德国人利用排水瓦管进行的地下灌溉试验开始，灌水器的形式经历了孔口式、发丝管长流道式、迷宫长流道式等发展阶段，灌水器的性能不断提高，促进了滴灌技术在世界各地迅速推广。
滴头的水力特性用下式进行描述：
    Q＝Khf x                                        (1)式中：hf-滴头的压力水头；
K-头的流量系数；
Q-水器流量；
x-滴头的流量指数。
x是反映滴头流量对压力变化的敏感程度的参数，灌溉系统中的压力变化是难免的，灌溉系统要达到高的均匀度，就必须要具备较小的流量指数。理想的滴灌灌水器应该具有以下特点：流态指数小，结构简单，生产、使用方便，而且，具有不同的流量，以满足不同作物的灌溉需要。目前，滴灌系统所使用的灌水器按照是否具有压力调节功能分为压力调节灌水器和非压力调节灌水器。理论上压力调节灌水器的流态指数小(可以小到0)，灌水器流量对压力不敏感，在滴灌系统中使用这种灌水器能够达到比较高的灌水均匀度。然而，这种灌水器结构复杂，不但造价高而且生产工艺很难控制，制造偏差大，所以这种灌水器的使用情况并不理想。国内外有关专家、学者研究、开发灌水器的宗旨都是在减小流态指数的前提下简化灌水器的结构，提高灌水性能。迷宫式流道是目前使用的灌水器中众多流道形式中性能最优越的流道形式。常见的迷宫式流道灌水器的滴头有管上式滴头、管间式滴头和内镶式滴头。迷宫流道嵌在滴头中间的圆片上或者环绕在滴头周围，迷宫流道主要是通过复杂的流道边界使其中的水流紊乱以达到消能的目的，从而减小流态指数，即降低流量对压力的敏感性。但是，这些流道是由直线段和圆弧组成的，这种方法所得到的流道边界的复杂程度总是有限的，因为，构造的流道边界是基于欧氏几何理论得到的，流道边界总是分段连续可导的，所以导致水流紊乱的程度也是有限的。迷宫滴头的流态指数在0.45以上。
发明内容
本发明的目的是要提供一种灌水均匀度高的滴灌灌水器。
为了达到本发明的目的，所采取的技术方案包括壳体、设在壳体内的流道、与流道两端口相通的入口和出口，其特征在于，流道的边界线或中心线是分形曲线或含有分形曲线；流道的边界线或中心线也可以有几段相同或不同的分形曲线；
上述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线是Koch曲线或含有Koch曲线，其中，Koch曲线也可以有几段；
上述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线是Minkowski曲线或含有Minkowski曲线，其中Minkowski曲线也可以有几段；
上述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线含有Koch曲线和Minkowski曲线；
上述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线的迭代次数为1-5，初始生成长度为10-100mm，流道宽度为0.5-2.0mm，流道深度为0.5-2.0mm。
本发明主要以分形几何理论为指导，用非线性的方法来获得复杂的流道形式，降低流态指数。本滴灌灌水器流道边界(或中心线)为分形曲线，具有“处处连续不可导”的性质，因而本滴灌灌水器的流道比常规的迷宫式流道具有更强的消能效果，其流态指数可以小到0.33(常规的迷宫流道滴头流态指数通常都在0.45以上)，分形流道具有降低滴头的压力敏感的能力。本灌水器的流道比常规的迷宫式流道的宽度要大，挟沙能力强，具有很强的抗堵塞能力。
附图说明
图1-4为几种典型迷宫流道形式；
图5为Koch曲线的生成方法；
图6为Minkowski曲线的生成方法；
图7为分形K灌水器或分形M灌水器主视示意图；
图8为分形K灌水器或分形M灌水器俯视示意图；
图9为图7的分形K灌水器A-A剖面图；
图10为图8的分形K灌水器B-B剖面图；
图11为图7的分形M灌水器A-A剖面图；
图12为图8的分形M灌水器B-B剖面图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1、图2、图3和图4表示的是目前使用的几种典型迷宫流道形式。
如图7所示为本发明的两个例子的主视图，这两个例子是以Koch曲线为流道边界线或中心线的灌水器(简称分形K灌水器)和以Minkowski曲线为流道边界线或中心线的灌水器(简称分形M灌水器)。图中，1为灌水器的外壳，2为灌水器的入口，3为出口，4为流道。图8为本发明的俯视图。
本发明以分形几何理论为基础，由简单的直线段生成Koch曲线，作为灌水器流道的边界或者中心线。具体做法以图5为例，取定一条欧氏长度为L0(生成线段)的直线段，将它三等份之后，保留两端的两段，将中间的一段改成夹角为60°的两个长为L0/3的等长直线段，如图5中n＝1(n为迭代次数)的操作；将边长为L0/3的四段直线段分别进行三等份，并将它们中间一段改成夹角为60°的两个长度为L0/9的等长直线段，得到如图5中n＝2的操作；重复上述操作直至无穷，得到一条具有相似结构的曲线，在实际中不可能进行无穷次迭代，所得到的曲线在一定的标度范围内是自相似的(图形是由把原图缩小为1/a的相似的b个图形所组成)，具有分形特性。以生成的折线为边或者为中心线，向两边或一边扩展不同距离，就能够形成不同宽度的缝隙作为灌水器的流道，如图9中的流道4，图10为这种灌水器的剖面图，即图8的分形K灌水器B-B剖面图。
图6为另外一种具有分形特征的Minkowski曲线的形成方法，以该曲线作为流道边界或者中心线所形成的流道如图11所示，图10为这种灌水器的剖面图，即图8的分形M灌水器B-B剖面图。
分形流道的设计思路，是通过不同迭代次数来控制流道边界的复杂程度，同时结合流道初始生成长度、流道宽度和深度三个参数控制灌水器的流量和对水流流态的影响程度，得到具有不同流态指数和流量系数的灌水器。在试验的基础上对不同的迭代次数、流道宽度和深度进行统计分析，归纳总结滴头的流量压力与几何参数的函数关系，从而根据需要设计满足不同工作需要的滴头。通过总结灌水器流道的水力特性的影响因素以及灌水器的加工方法，确定了分形流道的设计思路，设计了具有不同的迭代次数、初始生成长度、流道宽度和流道深度的灌水器，用精密电火花数控线切割仪加工金属滴头。下表所示为几种滴头的参数。
                      试验样品的流量压力关系
 流道种类   迭代次数 生成线段长度(mm)  流道宽度(mm)  流道深度(mm)   流量压力关系  相关系数R
 分形M分形K分形K分形K分形M     12333   2020304040   1.01.01.01.01.0   1.01.01.01.01.2  q＝7.473h0.429q＝3.717h0.346q＝3.881h0.404q＝3.120h0.331q＝4.086h0.359  0.9930.9930.9610.9910.979
上表中“分形K”表示以Koch曲线为边界线或中心线的流道，“分形M”表示以Minkowski曲线为边界线或中心线的流道。
由上表可见，流态指数在0.331～0.429之间，设计的分形流道在不同的参数组合下，能够得到不同流态指数的滴头，这种性质是迷宫式滴头和以往任何类型的灌水器所不具备的。
需要说明的是，上述实施例仅仅是为说明本发明而举出的实验例，并不包括所有，而且，本发明形成产品后，流道在灌水器中的设置可以为多种形式，可采用现有技术中流道的任何一种设置方式，如管上式、管间式、内镶式或薄壁滴灌带式等，则图9和图11中所表示的就是流道的展开图；另外，灌水器的出口和入口与壳体也可以做成一体式，如塑料或金属注模。

Claims (6)

1、一种滴灌灌水器包括壳体、设在壳体内的流道、与流道两端口相通的入口和出口，其特征在于，流道的边界线或中心线是分形曲线或含有分形曲线；流道的边界线或中心线也可以有几段相同或不同的分形曲线。
2、根据权利要求1所述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线是Koch曲线或含有Koch曲线，其中，Koch曲线也可以有几段。
3、根据权利要求1所述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线是Minkowski曲线或含有Minkowski曲线，其中Minkowski曲线也可以有几段。
4、根据权利要求1或2或3所述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线含有Koch曲线和Minkowski曲线。
5、根据权利要求1或2或3所述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线的迭代次数为1-5，初始生成长度为10-100mm，流道宽度为0.5-2.0mm，流道深度为0.5-2.0mm。
6、根据权利要求4所述的滴灌灌水器，其特征在于，所述流道的边界线或中心线的迭代次数为1-5，初始生成长度为10-100mm，流道宽度为0.5-2.0mm，流道深度为0.5-2.0mm。
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