射流三通對灌水器抗堵塞特性的影響

王新坤 樊二東 徐勝榮 張晨曦 薛子龍 王 軒

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心， 鎮江 212013)

0 引言

滴灌具有灌水均勻、高效節水節肥、改善作物品質、增產增收等特點，是我國大面積推廣應用的高效節水灌溉方式之一[1]。但是滴灌的毛管及灌水器內流速較小，增大了灌水器堵塞幾率，灌水均勻度受到影響[2]，因此，堵塞與灌水均勻性是低壓滴灌與地下滴灌技術的難點，也是影響其發展的關鍵問題。眾多學者圍繞優化流道結構參數及優化設計流道邊界，來保證流道內具有良好的流動狀態，提升流道內水流對顆粒物的運移能力，進而達到提高流道抗堵塞能力的目的[3-5]。魏正英等[6-8]分析迷宮道內部流動場的情況及堵塞機理，提出迷宮流道的設計方法。喻黎明等[9]分析了梯形流道內含沙量分布及水沙流速分布，并以某一含沙量分布線作為流道邊界，對流道進行優化，由此獲得較好的灌水器流道模型。閆大壯等[10]采用CFD模擬迷宮流道內懸浮顆粒的運動情況，得出粒徑大于0.075 mm顆粒不能很好地隨水流動，是引起堵塞的主要物質。王文娥等[11]采用CFD對粒徑小于0.1 mm顆粒在流道中的運移情況進行模擬，指出粒徑在0.01～0.04 mm范圍內不易引起滴頭堵塞。近年來，為提高滴灌系統及灌水器的抗堵塞性能，有學者提出動態水壓滴管系統，這種方法有別于已有的脈沖滴灌系統方式[12]，它通過制造動態水壓加劇滴灌內水流的紊動，提高水流對顆粒物的輸移能力，從而改善系統和灌水器抗堵塞性能[13-14]，這種動態水壓滴灌能明顯地降低灌水器水力性能及堵塞性能，但這種脈沖發生器造價較高，安裝、試驗、維護復雜，可靠性難以保證，是制約脈沖滴灌技術發展的關鍵問題之一。王新坤[15]設計了一種結構簡單的射流脈沖三通作為脈沖發生器，利用射流附壁原理能夠在滴灌帶內形成脈沖水流，壓力水流進入射流噴嘴形成射流，在控制管內產生負壓，切換射流附壁方向，驅使水流在兩條毛管形成間歇性水流，實現持續的脈沖水流。楊玉超[16]研究發現隨著射流三通噴嘴寬度的增大，振幅和頻率以一定的反比關系變小，隨著進口壓力的增大脈沖頻率和脈沖振幅也在增大。許鵬等[17-19]進行了射流脈沖三通的滴灌帶實驗，驗證了連接滴灌帶的射流三通能提高灌水均勻度及降低流量偏差率。王新坤等[20-21]分析了脈沖水流對毛管、支管與射流三通的優化匹配試驗，擬合了支管和毛管射流脈沖三通進口流量與水頭損失、水頭振幅與水頭損失、脈沖頻率與水頭損失、進口水頭最大值與平均值的關系式，提出了脈沖滴灌灌水小區的脈沖參數設計方法。上述研究主要集中于射流三通對毛管水力特性方面，未進行射流三通對滴灌灌水器抗堵塞的性能研究。

本文通過不同泥沙級配組合、不同的含沙量開展射流三通與普通三通條件下滴灌灌水器的抗堵塞對比試驗，分析射流三通產生的高頻脈沖水流及固體顆粒粒徑、含沙量對灌水器流量及堵塞的影響規律。通過試驗測試，分析灌水器平均相對流量、灌水均勻系數、射流三通抗堵塞能力與適用范圍，以期為構建水力性能和抗堵塞性能俱佳的脈沖滴灌系統提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗測試裝置由4 mm噴嘴寬度的射流三通、水沙混合設備組成。試驗水箱規格為高0.9 m、圓周長2 m的圓柱體水箱，上端固定回水管，通過水流將泥沙混合均勻。離心泵額定揚程45 m，壓力表量程0.16 MPa，精度等級0.4級。毛管布設于測試架上，共有15條滴灌帶，每條含5個灌水器，共75個灌水器，其間距0.3 m，滴灌帶采用華維有限公司生產的迷宮流道滴灌帶，其基本參數為：管外徑16 mm，額定流量2.7 L/h，進口柵格數3個，齒高4.0 mm，齒間距1.83 mm，流道深2.16 mm，流道長度20.13 mm，緩水區為6.75 mm×4.23 mm的長方形。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗平臺布置示意圖Fig.1 Layout of experiment platform1.水沙混合箱 2.水泵 3.閥門 4.普通三通 5.壓力表 6.灌水器 7.射流三通

試驗的參數、模型及邊界條件如下：射流三通結構如圖2所示，主要由3部分組成：進口段、出口段、射流元件，其中射流元件核心結構尺寸為：噴嘴寬度w=4 mm，位差s=2.1 mm,側壁夾角θ=20°,劈距h=28 mm，控制管寬度cw=5 mm,出口內寬度iow=10 mm, 分流劈半徑R=2 mm。

圖2 射流三通Fig.2 Jet pulse tee

泥沙為風干沙壤土，粒徑(D)小于0.10 mm，采用150～650目篩網，經過高頻振蕩研磨篩分處理，將其分為0～0.02 mm、0.02～0.030 8 mm、0.030 8～0.038 mm、0.038～0.05 mm、0.05～0.075 mm、0.075～0.1 mm范圍的6種粒徑，設定渾水含沙量為0.5、1.0、1.5 g/L。為確定射流三通和普通三通條件對不同粒徑的滴頭堵塞影響，設置如表1所示的3種泥沙級配，灌水器渾水試驗的總壓力為0.1 MPa。

1.2 試驗方法

采用連續性渾水滴灌測試方法，將6種粒徑范圍的泥沙分別配成含沙量為0.5、1.0、1.5 g/L的渾水，參考短周期堵塞的試驗方法，每次灌水時間為30 min，間隔30 min連續灌水，滴頭流量間隔30 min采用電子秤測量一次，射流三通與普通三通的管網測試系統中灌水器的平均流量低于額定流量的75%時，停止試驗，拆掉滴灌帶，并對管道系統、水箱、泵等沖洗3次，保證系統中無泥沙殘留，更換新的滴灌帶，進行下一組試驗。為深入分析射流三通對灌水器抗堵塞的影響，利用JT-HD61E型高速攝像機拍攝射流三通兩側進口壓力振幅和頻率變化過程,通過后處理軟件i-SPEED記錄壓力變化值，通過OriginPro 9.0繪制壓力變化曲線，并分析其抗堵塞能力。

表1 泥沙級配Tab.1 Sediment gradation %

1.3 評價指標與方法

將實測流量與設計流量的75%對比來判定單個滴頭是否發生堵塞，但對于灌水系統，目前還沒有統一的堵塞評價標準方法，因此，本文通過克里斯琴森均勻度系數、平均相對流量和流量降幅結合的方法評價堵塞情況。當滴頭發生堵塞時，克里斯琴森均勻度系數和平均相對流量減小，堵塞越嚴重，減小的幅度越大，而流量降幅相應升高。克里斯琴森均勻度系數的計算式為

(1)

式中Cu——克里斯琴森均勻度系數,%

i——滴頭序號

n——滴頭總數

qi——第i個滴頭的實測流量，L/h

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試驗時滴管系統隨著灌水次數的增加滴頭堵塞加劇，射流三通和普通三通條件下測試系統中滴頭之間流量差異較大，以平均相對流量低于75%作為評價指標。

(2)

式中qr——平均相對流量，%

q0——清水平均流量，L/h

qd=(q0-qi)/q0×100%

(3)

式中qd——流量降幅，%

2 結果與分析

2.1 射流三通對滴頭堵塞的影響

以平均相對流量低于設計流量75%發生嚴重堵塞時的灌水次數作為因變量，結果表明，粒徑和渾水含沙量對堵塞的影響具有顯著差異。不同含沙量渾水的平均相對流量qr與灌水次數的克里斯琴森均勻度系數Cu如圖3所示。

圖3中A1和A2、B1和B2、C1和C2代表級配A、B、C條件下射流三通左出口和右出口連接的滴灌測試系統的qr和Cu，圖中A3、B3、C3代表3種級配條件下普通三通連接滴灌測試系統的qr和Cu。由圖3可知，射流三通對于灌水器抗堵塞能力并不完全隨著粒徑增大而增強，而是隨著粒徑和含沙量的增大，射流三通的抗堵塞能力呈先增強后減弱的趨勢，說明一定含沙范圍內，存在射流三通對于泥沙粒徑抗堵塞能力強的敏感粒徑范圍。

圖3 相對流量與克里斯琴森均勻度系數變化曲線Fig.3 Changing curves of relative flow and Christianson uniformity

3種級配渾水灌溉試驗條件下，隨著含沙量和灌溉次數的增加，滴頭流量的變化快慢程度也不同。當級配A渾水的含沙量為0.5 g/L時，粒徑范圍為0.03～0.05 mm占到57.10%，且該含沙量下級配A隨著灌水次數的增加，普通三通條件下平均相對流量下降速率較為顯著，而射流三通較普通三通連接滴灌的滴頭流量變化較為緩慢，連續灌水12次后，普通三通連接的滴灌測試系統滴頭堵塞率已超過25%，其平均相對流量低于75%，已經發生了嚴重堵塞，射流三通條件下兩側的個別滴頭發生堵塞，隨著灌水次數增加到16次后，射流三通右側的平均流量低于75%，而左側平均相對流量為82.3%,且隨著灌水次數的增加，射流三通兩側與普通三通條件下的克里斯琴森均勻度系數差值在逐漸增大，說明射流三通產生的高頻脈沖水流對該級配A渾水在含沙量0.5 g/L時滴頭抗堵塞性能較好，這是因為射流三通能產生高頻脈沖水流，使灌水器中水流紊動劇烈，流場速度變化較大，增強了水流在灌水器流道內的紊動性和挾沙能力，使得射流三通在該含沙量對0.03～0.05 mm范圍泥沙抗堵塞能力較為明顯。當級配B渾水含沙量為1.0 g/L時,0～0.03 mm的泥沙粒徑占到48.50%，普通三通條件下灌水11次后平均相對流量為74%，而射流三通右側灌水14次后平均相對流量為75%，左側灌水15次后，平均相對流量為83%，表明該級配渾水在含沙量為1.0 g/L時，該含沙量對級配B粒徑小于0.03 mm的泥沙，射流三通較普通三通抗堵塞能力也較強。當級配C渾水的含沙量為1.5 g/L時，粒徑為0.05～0.10 mm顆粒占到56.32%，普通三通灌水4次后平均相對流量已降到75%以下，而射流三通連接的兩側灌溉次數分別為5、7次，說明在0.05～0.10 mm范圍的粒徑，射流三通的抗堵塞能力也隨著泥沙含沙量的增加在迅速下降，而克里斯琴森均勻度系數也在逐漸下降,表明當含沙量小于1.0 g/L時，射流三通和普通三通對于同顆粒級配渾水對滴頭堵塞的影響有顯著差異，當含沙量大于1.0 g/L時，射流三通對泥沙級配的抗堵塞影響有所降低，級配C粒徑在0.05～0.10 mm顆粒是射流三通抗堵塞能力最差的泥沙粒徑，主要原因是隨著粒徑和含沙量的增大，射流三通產生的高頻脈沖水流對顆粒作用力減弱，顆粒粒徑的增大，自身重力影響較大，不易隨著水流的紊動流出流道，使得流道中的泥沙顆粒彼此凝結，泥沙更容易沉積，依附在流道形成較大的絮結構，易引發堵塞。

級配B和級配C在含沙量為0.5 g/L時，普通三通條件下分別灌溉14次和8次后平均相對流量分別為62%和75%，克里斯琴森均勻度系數在60%～76%之間,該級配渾水即使在低含量時也易引起堵塞，射流三通在該級配條件下，兩側灌水次數分別在19和16次后滴頭的平均相對流量低于75%，克里斯琴森均勻度系數在70%～80%之間，射流三通相對于低含沙量粒徑在0.05～0.10 mm范圍內顆粒物的抗堵塞能力較顯著，灌水均勻性較高，隨著泥沙含沙量的增加射流三通對該粒徑的抗堵塞能力較差。普通三通條件下，當含沙量增加到1.0 g/L和1.5 g/L時，灌水5、11次后平均相對流量小于75%，而射流三通條件下的灌水次數為12、15次，且克里斯琴森均勻度系數高于普通三通10%～25%，說明級配B、C渾水灌溉時，對于泥沙粒徑較大、含沙量較低的渾水，射流三通產生的脈沖水流對顆粒作用力也較為顯著，因為含沙量較低，顆粒碰撞幾率下降，水流紊動劇烈，泥沙難以形成較大的絮團造成流道堵塞，射流三通產生的水流對于低含沙量大粒徑的級配也表現出較強抗堵塞能力。

級配B在不同含沙量時，平均相對流量與克里斯琴森均勻度系數隨著灌水次數增加的下降趨勢基本與級配A與C相似，但其下降速度小于級配A和C,說明0～0.03 mm的泥沙粒徑占到48.5%時，脈沖水流紊動較為劇烈，此粒徑受水體紊動影響較為明顯，在灌水器流道中難以沉降，射流三通相對普通三通條件下水流紊動強烈，泥沙更易隨著水流流出，因此在含沙量較低或較高時也不易造成滴頭堵塞，射流三通抗堵塞效果較顯著。而級配A粒徑在0.03～0.05 mm范圍內的泥沙所占比例較大，此細小顆粒和黏顆粒團聚較明顯，表現出較為特殊的物理特性，顆粒之間碰撞凝結作用較強，大顆粒首先堆積在一起形成骨架結構，細小顆粒因其具有較大的表面吸附力，迅速吸附在較大的顆粒表面，并作為粘合劑連接相鄰的大顆粒，使其團聚結構繼續增大，而脈沖水流有較強的紊動和沖刷作用，在含沙量較低時，脈沖水流對此粒徑泥沙作用效果明顯，抗堵塞能力強，隨著含沙量增大，射流三通對其堵塞能力減弱，因此也容易造成堵塞。級配C粒徑在0.05～0.10 mm時，由于含沙量和泥沙粒徑都較高，隨水進入灌水器流道后，在自身重力作用下較易沉積，易造成滴頭內顆粒相互碰撞、沉積，從而造成堵塞，而射流三通產生的脈沖水流對流道內大顆粒泥沙作用力較小，傳遞的能量不足以使大顆粒泥沙隨水流排出，從而流道內開始沉積泥沙，流道逐漸發生堵塞，因此級配C較級配A和B更易造成堵塞，射流三通的脈沖水流對堵塞的敏感性下降。

由圖4可知，含沙量在0.5～1.0 g/L范圍內灌水次數下降速度較1.0～1.5 g/L下降速度慢，且射流三通與普通三通的灌溉次數差值隨著渾水的增加逐漸減小，說明隨著含沙量的增大，射流三通的抗堵塞能力減弱，整體上灌水次數大于普通三通。射流三通能夠增強灌水器抗堵塞的能力和延緩流道堵塞時間，這是因為射流三通能夠產生一定頻率和振幅的脈沖水流，使水流在毛管內形成間歇性水流，增大了水流對灌水器流道內泥沙的沖刷作用，增強了滴灌灌水器的抗堵塞能力，平均比普通三通條件下滴頭堵塞個數少2～5個，說明射流三通產生的脈沖水流能夠解決灌水器堵塞問題。

圖4 不同含沙量下級配和灌水次數的關系Fig.4 Relationship between gradation of different sediment concentration and irrigation times

2.2 射流三通抗堵塞特性分析

流量作為衡量灌水器水力性能的重要因素，其大小可以直接反映整個測試系統的供水能力，表2為射流三通和普通三通滴頭的平均流量。由于射流三通的脈沖效果，兩側連接滴灌帶的壓力是隨時間變化的，相同進口壓力下，射流三通左右兩側的脈沖振幅和流量相同，而脈沖水壓下灌水器流道內水壓不斷地波動變化，具有周期性的脈沖水壓對灌水器的平均流量影響必定小于普通三通條件，流量相對偏差在1%～4%之間，偏差較小，說明脈沖水壓對滴灌系統的供水能力影響較小。

表2 不同壓力下射流三通和普通三通滴頭實測平均流量Tab.2 Measured average flow rate of jet tee and tee through common emitter at different pressures

由表3和圖5可知，射流三通相對普通三通能產生類似正弦波的脈沖水流，且具有一定的振幅和頻率，滴灌帶進口壓力最大值與最小值的差值為脈沖振幅，時間間隔為脈沖周期。相比普通三通，射流三通連接的滴灌測試系統的工作水壓始終不斷變化，左側水壓始終持續在57～84 kPa之間，振蕩頻率保持在236/min左右,說明射流三通能產生高頻率脈沖水流。隨著時間的變化，流道內工作水壓不斷變化，灌水器內流場流速變化較大，加強了紊動過程，增加了灌水器流道中水流的紊動性能，使得流道水流流速始終保持較大幅度的上下波動，水流始終紊動強烈，從而水流在灌水器流道內傳遞能量較好，將能量傳遞給沉積在灌水器流道內的堵塞泥沙，并沖擊流道內沉積的堵塞介質，隨著脈沖水流波峰和波谷的周期性變化，使得泥沙沉積區不斷遭到沖擊并發生破壞，射流三通的脈沖效應使得顆粒物發生強烈沖擊，并對滯留甚至沉積在流道的泥沙發生強烈沖擊，使得泥沙重新運動，顆粒物離底懸浮，并迅速通過流道，增強了水流挾沙能力，極大地增大了脈沖水流對顆粒物的輸運能力，從而增強流道的抗堵塞性能。而普通三通測試系統中，水流穩定，灌水器內流場流速較穩定，紊動程度低，而在工作水壓均勻變化階段，由于每點壓力值持續時間短，對內流場流速的增加作用小，內流場的紊流程度低，水流挾沙堵塞介質能力差，易發生堵塞。所以同等條件下，普通三通相對射流三通條件下水流攜帶堵塞介質的能力較弱，更容易發生堵塞。因此，射流三通產生的高頻脈沖水流可以有效提高灌水器流道的抗堵塞能力。

表3 測試滴灌系統進口壓力與振幅Tab.3 Inlet pressure and amplitude of drip irrigation system

圖5 射流三通出口壓力曲線Fig.5 Pressure curve of jet tee outlet

3 結論

(1)不同含沙量條件下，射流三通對于0.03～0.05 mm和0～0.03 mm的泥沙粒徑抗堵塞能力較顯著，對0.05～0.10 mm的泥沙粒徑，隨著含沙量的增大抗堵塞能力呈減弱趨勢。

(2)與普通三通相比，射流三通連接滴灌測試系統的滴頭平均流量較小，而不同含沙量條件下灌水器的平均相對流量和灌水均勻性均高于普通三通，灌水次數也高于普通三通3～8次。

(3)相對于普通三通，射流三通能夠產生類似正弦波的高頻脈沖水流，水流能在灌水器流道內進行周期性的大幅度上下波動，加劇灌水器流道中水流的紊動性能，使得水流能夠持續沖刷流道沉積的泥沙，極大地增大了脈沖水流對顆粒物的輸運能力，并迅速通過流道，射流三通產生的高頻脈沖水流能夠增強灌水器流道的抗堵塞能力。