波涌灌溉中的虹吸式時間調節控制器設計

2015-10-20 23:52:46孫超劉淵高昌珍

天津農業科學 2015年10期

孫超+劉淵+高昌珍

摘要：虹吸式時間調節控制器是通過利用調節浮子室的進水流量與虹吸管排水流量來實現虹吸間歇定時排水，在波涌閥中起到水力自動調節作用的裝置。根據自制波涌閥的過水特點以及灌溉需要，通過分析周期供水時間、進水流量以及排水流量三者建立數學模型，確定虹吸式時間調節控制器的各參數，并對該裝置進行無級調節分析。經試驗證明各項設計參數滿足灌溉要求，該虹吸式時間調節控制器也可為其他波涌閥的設計作參考。

關鍵詞：波涌閥；虹吸；水力自動調節

中圖分類號：S274.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.10.006

Abstract： Siphon type adjustment controller is through the use of time to adjust float chamber inlet flow and to implement the siphon drainage discharge siphon intermittent drainage regularly. It has the function of hydraulic automatic control device in the wave surge valve. Based on the characteristics of homemade wave surge valve of water and irrigations need， by analyzing the cycle time of water supply， mathematical model is set up.It can determine the siphon time to adjust the parameters of the controller and analyze stepless regulation and the device. After the experiment has proved that the design rod structure satisfies the requirement of irrigation and the siphon time adjusting controller can also be used for other wave surge valve design for reference.

Key words： wave surge valve； siphon； hydraulic automatic adjustment

波涌灌是一種比較新興的灌溉方式，它采用低水頭流量快速推進，間歇性地向溝、畦放水[1]。因其與連續灌水相比具有灌水均勻、省水省時、深層滲漏小等優點被認為是地面灌溉技術的一大突破[2]。然而針對在丘陵山區機修梯田地，旱井集蓄的雨水量少，灌水定額在很大程度上受到限制，尤其是位于黃土高原上大量集雨節灌的機修梯田地，以往的波涌閥因造價高，技術復雜等原因在生產實踐上受到限制。

因此，本研究結合當地灌水特點，通過建立數學模型分析設計了一種虹吸式時間調節控制器，這種小型的波涌灌溉設備具有結構簡單、性能穩定、價格低廉、操作方便等優點，它的研發可以進一步促進波涌灌水技術的發展和應用。

1 虹吸式時間調節控制器主體設計

虹吸式時間調節器由穩流機構與虹吸機構組成。穩流機構與虹吸機構共同完成波涌閥的時間調控。穩流機構的設計使流入浮子室的水流為恒定流，以使虹吸機構能準確控制浮子的升降。虹吸機構的功用是在穩流機構所提供的恒定流下，通過調控浮子的升降行程時間來實現閥片的定時轉換。

2 穩流機構的分析設計

穩流機構主要由水箱、浮球閥、濾管組成，其中浮球閥由小浮球、塑料桿、帶凸臺的橡膠膜片、入水管、出水管組成，穩流機構的作用是為虹吸機構提供恒定流（圖1）。

穩流機構的原理是根據水力學中的歐拉法（Euler），在水箱的下側開一小孔，如果水箱內的水不斷得到補充而使水位保持恒定不變時（不隨時間而變化），從孔口射出的水流的所有運動要素都不會隨時間而改變，即孔口流出的水流為恒定流[3]。

3 虹吸機構設計

虹吸機構的主要結構由浮子、浮子室、虹吸管、抽氣管、抽氣輔助管、虹吸破壞管、排水器組成。其工作原理是利用抽氣管中快速流動的水將虹吸管道中的空氣帶走，使虹吸管道內形成一定的真空度，在管道內外大氣壓差的作用下，浮子室中的水進入虹吸管道后排入排水器中。虹吸管中的水流速度可以通過閥片調節，能在規定時間內自動停止排水，如圖1所示。

4 虹吸式時間調節控制器各參數的分析

虹吸機構各參數是以設計排水流量和排水周期兩個參數為根據來確定大小的。

排水周期由進水階段、抽氣階段、虹吸管排水階段組成。進水階段是浮子從浮子室底部上升到抽氣管開始抽氣所需的時間；抽氣階段是從抽氣管開始抽氣到抽氣結束；虹吸管排水階段是浮子從最高位置下降到最低位置時間。

（1）進水時間。

在供水階段找出浮子室的進水流量與t1、t2的關系和在停水階段找出浮子室的進水流量、虹吸管排水流量與t3的關系，建立起周期供水時間或周期停水時間、浮子室進水流量與虹吸管排水流量之間的數學模型，以實現調控浮子室進水流量與虹吸管排水流量，就可在一定范圍內實現周期供水時間和周期停水時間的無級調節。本試驗中循環率取1/2，因而周期供水時間等于周期停水時間，即：，同理：

（20）

式中：T—周期供水時間或周期停水時間，s；Q虹—t3時間內虹吸管排水的平均流量，m3·s-1；Q進—浮子室的進水流量，m3·s-1。

由（20）式可以建立起周期供水時間或周期停水時間、虹吸管的排水流量與浮子室的進水流量之間的數學模型，如（21）式：

（21）

式中：T—周期供水時間或周期停水時間，s；Q虹—t3時間內虹吸管的平均排水流量，m3·s-1；Q進-浮子室的進水流量，m3·s-1；s-浮子室橫截面積，m2；s1-抽氣管橫截面積，m2；v—浮子室中液面上升的速度，m·s-1；s2-虹吸管橫截面積，m2；h3—浮子室內t3時刻下降的水位高度即虹吸管在浮子室中的垂直高度，mm；h4—浮子室底與排水器中水位的距離，mm；h1—抽氣管在浮子室內的高度，mm；

6 波涌灌溉灌水參數的無級調節

山西農業大學工程技術學院高昌珍教授等專家對丘陵山區旱井集雨灌溉的特點分析[4]，以及對丘陵山區短溝畦、小定額灌水地塊上所進行的波涌灌溉試驗結果[5]表明，在丘陵山區小定額地塊上進行波涌灌溉的灌水周期一般設在15～45 min之間，以此為依據，在15～45 min之間，建立起周期供水時間或周期停水時間、浮子室進水流量Q進與虹吸管排水流量Q虹之間的數學模型，對Q虹和Q進進行最優組合，達到周期供水時間與周期停水時間準確無誤，實現波涌灌溉設備的高靈敏度。

由（22）可知，在確定的周期供水時間內或周期停水時間內，虹吸管排水流量與浮子室的進水流量成一次線性關系，虹吸管排水流量隨浮子室的進水流量而變化。在每次波涌設備應用時，周期供水時間或周期停水時間是確定的，浮子室的進水流量每取一定值，虹吸管排水流量有唯一值與之相對應。即通過調節穩流機構排入浮子室的進水流量，同時按照（22）式所建立的數學模型調節虹吸管的排水流量，便可在之間實現周期供水時間或周期停水時間的無級調節。

7 虹吸式時間調節控制器的優點

（1）裝置結構簡單、性能穩定，大大節約了成本，易于普及。

（2）整套裝置無需外部動力可以自行運轉，操作簡單易行，更加節能環保。

（3）可實現波涌灌溉參數的無級調節，裝置靈敏度更高。

8 結語

本次設計試驗的虹吸式時間調節控制器具有結構簡單、低成本、經濟節能等方面優點。但是此結果是基于數學模型試驗分析得到的，其各方面性能還有待在試驗中進一步證明和改善。

參考文獻：

[1] 高海菊，王道兵.波涌灌的研究進展[J].東北水利水電，2005，11（23）：60-72.

[2] 汪志農.灌溉排水工程學[M].北京：中國農業出版社，2010：80-187.

[3] 李大美.水力學[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

[4] 劉明國，黃勝，高昌珍.波涌閥的水力學性能實驗研究[J].沈陽農業大學學報，2006，37（2）：235-237.

[5] 高昌珍，左月明，任開興.小定額波涌溝灌技術要素的多目標模糊優化模型[J].農業工程學報，2006，22（10）：16-20.