(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106777589 A(43)申请公布日 2017.05.31
(21)申请号 201611090107.5(22)申请日 2016.11.29
(71)申请人 中国水利水电科学研究院
地址 100048 北京市海淀区车公庄西路20
号中国水科院水利所(72)发明人 王建东 龚时宏 许迪 马晓鹏
张彦群 王兴勇 赵月芬 吕烨 (74)专利代理机构 江苏纵联律师事务所 32253
代理人 蔡栋(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)A01G 25/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法(57)摘要
本发明公开了一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，根据灌水器流量Q0要求，依据相关公式依次确定锯齿型流道结构截面积A的大小；初步选定流道深度D后，依据相关公式确定流道宽度值W；初步选定锯齿角度θ后，依据相关公式确定锯齿间距B；初步选定锯齿高度H；基于优化范围内选定和计算确定的锯齿型流道结构参数：流道深度，锯齿角度，锯齿间距和锯齿高度,计算出初步所设计灌水器流量Q1；计算Q0和Q1的偏差qv，当qv＜5％时，认定确定锯齿型灌水器各流道结构参数的尺寸；借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，设计出满足常压或低压下流量Q0需求的锯齿型灌水器。
CN 106777589 ACN 106777589 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，其特征在于依据灌水器流量需求，利用流道结构关键参数值优选范围和流量与各流道结构参数之间的定量关系，从流量需求逆向反推优选或计算出锯齿型流道结构参数值，并进行多次试算校正后，最终获得满足流量需求的灌水器的锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度和流道深度尺寸大小，并定型锯齿型灌水器内部结构几何模型，具体包括以下步骤：
步骤一，设灌水器流量需求值为Q0，依据公式Q0＝σσ1A+0确定流道截面积A；步骤二，在优化范围内初步选定流道初始深度值D1；依据公式A＝W1×D1计算得流道宽度值W1；所述优化范围为0.58～0.75mm之间；
步骤三，初步选择锯齿初始角度值θ再依据公式1；W1＝B1/2×cos(θ (1)1/2)确定锯齿初始间距值B1；步骤四，初步选择锯齿初始高度值H1；齿尖参差量G固定为0mm，流道总长度L固定为19.6mm；
步骤五，根据公式Q1＝ζζθζζζ (2)0+11+2B1+3H1+4D1
初步计算出灌水器流量设计中间值Q1；再依据公式qv＝|Q1-Q0|/Q0×100 (3)
计算灌水器流量需求值Q0和灌水器流量设计中间值Q1之间的偏差qv；步骤六，当qv＜5％时，最终优化确定锯齿型灌水器流道关键结构参数设计尺寸：锯齿角度θ＝θ锯齿间距B＝B1、锯齿高度H＝H1和流道深度D＝D1；qv大于等于5％时，重回到步骤二1、中，在0.58～0.75mm之间重新选定流道深度值初始值D1后，继续执行至步骤六，如此循环，直到满足qv＜5％；
基于最终优化确定的锯齿角度θ、锯齿间距B、锯齿高度H和流道深度D的尺寸，借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，设计出满足灌水器流量需求的锯齿型灌水器。
2.根据权利要求1所述的一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，其特征在于：所述Q0和Q1计算公式是基于数值模拟和大量室内实物正交试验研究所得，具体过程如下：
基于不同锯齿型流道结构参数即锯齿角度、锯齿间距、齿高、流道深度之间的正交试验组合安排，同时借助Fluent模拟软件分析不同流道结构参数组合下的流道内部流动特性和压力流量分布特征，最后通过实物制造后的大量室内试验测试和计算分析，得到了灌水器流量与灌水器流道断面截面积以及与流道关键结构参数锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度、流道深度之间的定量关系。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，其特征在于所述Q0和Q1的计算公式中各系数的设置如下：
常压时，σσ低压时，σσ所述的常压为：滴灌系统常规工作1＝3.9，0＝0；1＝2.7，0＝0.078；压力，大小为100kPa；所述的低压为：滴灌系统的正常工作压力降低到60kPa以下；
常压时，ζζζζζ0＝-3.985，1＝1.131，2＝2.052，3＝-0.579，4＝3.599；低压时，ζζζζζ0＝-2.874，1＝0.869，2＝1.459，3＝-0.414，4＝2.546。
4.根据权利要求1所述的一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，其特征在
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权 利 要 求 书
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于：所述步骤二、步骤三、步骤四中的锯齿高度，流道深度和锯齿角度的选取范围是基于大量室内实物正交和单因素试验测试所得，具体过程如下：
基于不同锯齿型流道结构参数锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度、流道深度之间的大量室内正交试验和单因素试验测试，同时借助Fluent数值模拟软件，以灌水器水力性能和抗堵塞性能为评价指标，最终获得锯齿型灌水器常压和低压下具有较优水力性能和抗堵塞性能的关键流道结构参数设计指标范围：
D1的取值在0.58～0.75mm之间；常压时，H1范围为0.95～1.05mm,低压时，H1范围为0.92～0.98mm；常压时，θ～40°,低压时，θ～40°。1范围为28°1范围为30°
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说 明 书
一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法
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技术领域[0001]本发明涉及农业节水灌溉技术领域，具体涉及到一种用于常压(10m)和低压(5m)下基于不同流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法。
背景技术[0002]灌水器(滴头)被誉为滴灌系统的“心脏”，其对滴灌系统运行的寿命和灌水均匀度的保障具有不言而喻的重要性。我国自从20世纪70年代初引进滴灌技术以来，自主开发了微管发丝滴头、管式滴头和孔口滴头等灌水器，由于不具有较好的抗堵塞性能、水力性能和结构形式及制造工艺等方面的问题，到80年代后期已极少应用。20世纪90年代以后，我国一些企业采取两种途径来改善滴头性能，一是完全仿造国外先进的滴头结构，如北京绿源公司仿造了以色列Plastro公司的Katif滴头；二是采用高额引进的办法，即购买国外的滴头专利及其模具，如北京绿源公司制造的Taphoon迷宫滴头。而国际上一些著名的公司，如Netafim、Rainbird、Dis公司等都具有自己的滴头设计所，但流道设计理论和方法均受到严格保密，罕见有相关的对灌水器设计有实际指导意义的文章或专利公开发表。锯齿型灌水器是目前市场上应用最为普遍的灌水器类型，但截至目前，国内厂家对灌水器的研发仍然主要停留在“引进－仿制”的阶段，其主要原因是由于缺乏相应的设计理论指导，灌水器的设计与研发已成为阻碍我国企业与国外厂商竞争的主要因素，我国滴灌技术的健康发展与竞争力的提高，要求我们必须建立自己的滴头设计理论体系和制定相应的技术指标。[0003]近些年来，国内有关学者围绕滴灌灌水器的设计机理，基于室内实物测试试验和数值模拟等手段，就滴灌灌水器内部流体流动特性、灌水器水力性能和抗堵塞性能等内容开展了一些研究，取得了一定成果，一些学者还提出了抗堵塞滴灌灌水器的设计方法，如发明专利“一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法”(ZL200610018493.7)，发明专利“一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法”(ZL200710063794.6)，发明专利“一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法”(ZL 201210013015.2)等。这些发明专利都以计算流体力学(CFD)和Fluent模拟软件为基本方法，基于灌水器单相流和两相流模拟与室内试验测试等技术手段，提出了抗堵塞滴灌灌水器的设计方法，这些专利对国内自主构建抗堵塞灌水器设计方法和理论体系起到了积极作用，但这些发明专利所提出的抗堵塞灌水器设计方法还存在以下不足：一是这些发明专利主要借助先进昂贵的观测设备(PIV)或者相对高端的模拟软件(Fluent)，通过模拟或实测手段去改进优化流道结构参数，以达到较好的抗堵塞性能，这些方法存在明显时间和财务成本。由于现有相关企业存在研发投入不足、科技人员不足等现状，对这些设计方法的消化存在严重不足，导致现有发明专利的使用和转化效果并不理想。二是，针对不同的用户和灌溉对象，市场上对不同流量规格灌水器的需求很多，但是这些方法都无法指导设计出不同流量规格的灌水器，尤其是针对目前低压滴灌的兴起，在降低系统运行压力(降低能耗)的情况下许多用户不希望降低灌水器的实际流量，以达到尽量维持原有灌溉周期和轮灌方案不变，方便管理。针对市场上对不同流量规格灌水器的巨大需求，快速简便及低成本的设计并制造出满足用户需求的灌水器，将具有十分重
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说 明 书
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要的应用价值和生产指导意义。
发明内容[0004]本发明的目的在于提供一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，以实现根据用户对灌水器不同流量规格的需求，快速高效设计锯齿型灌水器的流道结构及关键结构参数尺寸，同时保障所设计灌水器具有较优水力性能。[0005]为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：[0006]一种基于流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，其特征在于依据灌水器流量需求，利用流道结构关键参数值优选范围和流量与各流道结构参数之间的定量关系，从流量需求逆向反推优选或计算出锯齿型流道结构参数值，并进行多次试算校正后，最终获得满足流量需求的灌水器的锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度和流道深度尺寸大小，并定型锯齿型灌水器内部结构几何模型，具体包括以下步骤：[0007]步骤一，设灌水器流量需求值为Q0，依据公式Q0＝σσ1A+0确定流道截面积A；[0008]步骤二，在优化范围内初步选定流道初始深度值D1；依据公式A＝W1×D1计算得流道宽度值W1；所述优化范围为0.58～0.75mm之间；[0009]步骤三，初步选择锯齿初始角度值θ再依据公式1；[0010]W1＝B1/2×cos(θ (1)1/2)[0011]确定锯齿初始间距值B1；[0012]步骤四，初步选择锯齿初始高度值H1；齿尖参差量G固定为0mm，流道总长度L固定为19.6mm；[0013]步骤五，根据公式[0014]Q1＝ζζθζζζ (2)0+11+2B1+3H1+4D1[0015]初步计算出灌水器流量设计中间值Q1；再依据公式[0016]qv＝|Q1-Q0|/Q0×100 (3)[0017]计算灌水器流量需求值Q0和灌水器流量设计中间值Q1之间的偏差qv；[0018]步骤六，当qv＜5％时，最终优化确定锯齿型灌水器流道关键结构参数设计尺寸：锯齿角度θ＝θ锯齿间距B＝B1、锯齿高度H＝H1和流道深度D＝D1；qv大于等于5％时，重回到1、步骤二中，在0.58～0.75mm之间重新选定流道深度值初始值D1后，继续执行至步骤六，如此循环，直到满足qv＜5％；[0019]基于最终优化确定的锯齿角度θ、锯齿间距B、锯齿高度H和流道深度D的尺寸，借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，设计出满足灌水器流量需求的锯齿型灌水器。[0020]所述Q0和Q1计算公式是基于数值模拟和大量室内实物正交试验研究所得，具体过程如下：[0021]基于不同锯齿型流道结构参数即锯齿角度、锯齿间距、齿高、流道深度之间的正交试验组合安排，同时借助Fluent模拟软件分析不同流道结构参数组合下的流道内部流动特性和压力流量分布特征，最后通过实物制造后的大量室内试验测试和计算分析，得到了灌水器流量与灌水器流道断面截面积以及与流道关键结构参数锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度、流道深度之间的定量关系。[0022]所述Q0和Q1的计算公式中各系数的设置如下：
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说 明 书
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常压时，σσ低压时，σσ所述的常压为：滴灌系统常1＝3.9，0＝0；1＝2.7，0＝0.078；
规工作压力，大小为100kPa；所述的低压为：滴灌系统的正常工作压力降低到60kPa以下；[0024]常压时，ζζζζζ0＝-3.985，1＝1.131，2＝2.052，3＝-0.579，4＝3.599；[0025]低压时，ζζζζζ0＝-2.874，1＝0.869，2＝1.459，3＝-0.414，4＝2.546。[0026]所述步骤二、步骤三、步骤四中的锯齿高度，流道深度和锯齿角度的选取范围是基于大量室内实物正交和单因素试验测试所得，具体过程如下：[0027]基于不同锯齿型流道结构参数锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度、流道深度之间的大量室内正交试验和单因素试验测试，同时借助Fluent数值模拟软件，以灌水器水力性能和抗堵塞性能为评价指标，最终获得锯齿型灌水器常压和低压下具有较优水力性能和抗堵塞性能的关键流道结构参数设计指标范围：[0028]D1的取值在0.58～0.75mm之间；[0029]常压时，H1范围为0.95～1.05mm,低压时，H1范围为0.92～0.98mm；[0030]常压时，θ～40°,低压时，θ～40°1范围为28°1范围为30°[0031]本发明的有益效果[0032]本发明从灌水器流量需求出发，通过逆向反推优选或计算出锯齿型流道结构参数值，从而很好地实现根据用户对灌水器不同流量规格的需求，快速高效设计锯齿型灌水器的流道关键结构参数尺寸，同时保障所设计灌水器具有较优水力性能，具体为：本发明通过流道结构关键参数值优选范围，实现快速准确初选满足流量需求的灌水器流道结构参数中的流道深度、锯齿高度和锯齿角度大小；通过流道宽度与锯齿角度和齿间距之间定量关系，实现快速计算出满足流量需求的灌水器流道结构参数中的锯齿间距；通过流量与各流道结构参数之间的定量关系，实现流道结构各参数值的快速校正和最终确定。[0033]相比现有灌水器设计方法，本发明首次实现真正意义上根据用户及应用对象对灌水器流量规格的需求，快速简便及低成本的设计出满足用户需求的锯齿型灌水器，实现由“流量大小来决定灌水器结构参数尺寸”的灌水器逆向设计思路，所设计的灌水器同时具有较好的工作性能，这将极大改变目前市场上用户或应用对象只能根据市场上已有灌水器流量规格类型来被动选择接近需求流量的格局。本发明对国内现有灌水器生产企业具有十分重要的应用价值和生产指导意义。
附图说明[0034]图1是本发明锯齿型灌水器流道深度D定义示意图；[0035]图2是本发明锯齿型灌水器其它关键流道结构参数定义示意图；[0036]图3为本发明常压或低压下满足流量需求的锯齿型灌水器逆向设计方法流程图；[0037]图4是本发明满足常压10m下流量1.78l/h需求时逆向设计方法所获得的锯齿型灌水器内部结构几何模型。[0038]图1中字母D表示流道深度；图2中字母分别表示：流道宽度(W)、锯齿高度(H)、锯齿角度(θ)、锯齿间距(B)、齿尖参差量(G)、流道总长度(L)具体实施方式[0039]下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
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本发明相关锯齿型灌水器流道各关键结构参数定义如图1和图2所示。
[0041]基于本发明人课题组多年来针对锯齿型灌水器流道结构参数对灌水器水力性能和抗堵塞性能影响的试验研究成果，本发明提出了常压下和低压下具有较优水力性能和抗堵塞性能的锯齿型灌水器关键结构参数的设计指标范围：对于常压灌水器，锯齿高度在0.95mm～1.05mm之间，锯齿角度在28°～40°之间，流道深度在0.58mm～0.75mm之间，齿尖参差量为0mm。对于低压灌水器，锯齿高度在0.92mm～0.98mm之间，锯齿角度在30°～40°之间，流道深度在0.58mm～0.75mm之间，齿尖参差量为0mm。同时，本发明基于数值模拟和大量实物验证测试等研究手段，获得了常压下(10m)和低压下(5m)锯齿型灌水器流量Q与流道各结构参数或关键结构参数之间的定量互馈机制。本发明基于常压(10m)和低压下(5m)下满足流量规格需求的锯齿型灌水器逆向设计方法，实现由流量需求来决定定灌水器结构参数尺寸，同时保障所设计的灌水器具有较优工作性能。[0042]下面分别以满足常压下(10m)灌水器流量Q0为1.78l/h和低压下(5m)灌水器流量Q0为1.78l/h为例，具体说明基于流量需求下锯齿型滴灌灌水器逆向设计方法和步骤，如图3所示。[0043]1.满足常压下(10m)灌水器流量Q0为1.78l/h的逆向设计方法和步骤：[0044]1)灌水器需求流量为1.78l/h，依据公式：Q＝3.9×A，确定锯齿型流道[0045]结构截面积A的大小为0.456mm2；A为流道结构截面积，单位mm2。[0046]2)在0.58～0.75mm范围内初步选择流道初始深度值D1，初步选定D1为0.58mm,依据公式：A＝W×D，确定流道宽度W1＝0.456/0.58＝0.787mm；[0047]3)在28°～40°之间初步选择锯齿初始角度值θ，然后依据公式1为28°[0048]确定锯齿初始间距B1＝2×0.787/cos(28°/2)＝1.62mm[0049]4)在0.95～1.05mm之间初步选择锯齿初始高度值H1＝0.95mm；[0050]5)根据公式Q＝-3.985+1.131×θ(弧度制)+2.052×B-0.579×H+3.599×D,计算出流量中间值Q1＝-3.985+1.131×0.489+2.052×1.62-0.579×0.95+3.599×0.58＝1.43l/h；[0051]6)计算流量偏差qv＝|Q1-Q0|/Q0×100＝|1.43-1.78|/1.78×100＝19.5％,发现qv＞5％,重新回到第2)步，重新选择D1值，如选择0.75mm重新计算；D1的选择在0.58～0.75mm之间，可利用计算机进行叠代遍历，直到qv＜5％时，使得各参数间达到一个协调优化，从而最终确定锯齿角度θ、锯齿间距B、锯齿高度H和流道深度D的尺寸；[0052]7)鉴于灌水器流量设计中间值Q1明显小于需求流量Q0，根据本人研究发现，锯齿角度θ和滴头流量存在正相关，且在28°～40°范围内变化时，在流道宽度W不变的前提下，锯齿间距B随着锯齿角度增加而增大，锯齿间距B的增大也会带来灌水器流量的增大。因此考虑只增加锯齿型角度，在第2)步中，依然选定流道初始深度值D1为0.58mm，确定流道初始宽度值W1依然为0.787mm；[0053]8)在28°～40°之间初步选择锯齿初始角度θ，然后依据公式W1＝B1/2×1值为38°cos(θ2)确定锯齿初始间距B1＝2×0.787/cos(38°/2)＝1.67mm；1/，[0054]9)在0.95～1.05mm之间依然选择锯齿初始高度值H1＝0.95mm；[0055]10)根据公式Q1＝-3.985+1.131×θ1(弧度制)+2.052×B1-0.579×H1+3.599×D1,从而计算出流量中间值Q1＝-3.985+1.131×0.663+2.052×1.67-0.579×0.95+3.599×
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0.58＝1.72l/h；[0056]11)计算流量偏差qv＝|Q1-Q0|/Q0×100＝|1.72-1.78|/1.78×100＝3.5％,发现qv＜5％，此时最终优化确定常压下基于本发明方法获得的流道结构各参数设计尺寸：流道深度D为0.58mm，锯齿角度θ为38°，锯齿间距B为1.67mm，锯齿高度H为0.95mm；[0057]12)对于锯齿型灌水器，基于惯用固定的齿尖参差量G(0mm)和流道总长度L(19.6mm)，基于最终优化确定的锯齿型灌水器流道关键结构参数设计尺寸：流道深度D(0.58mm)，锯齿角度θ值(38°)，锯齿间距B(1.67mm)，锯齿高度H(0.95mm)，借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，如图4所示，设计出常压下满足流量Q0＝1.78l/h需求的锯齿型灌水器。[0058]2.满足低压下(5m)灌水器流量Q0为1.78l/h的逆向设计方法和步骤：[0059]1)灌水器需求流量为1.78l/h，依据公式：Q＝2.7×A+0.078，确定锯齿型流道结构截面积A的大小为0.63mm2；A为流道结构截面积，单位mm2。[0060]2)在0.58～0.75mm范围内初步选择流道初始深度值D1，初步选定D1为0.58mm,依据公式：A＝W×D，确定流道初始宽度W1＝0.63/0.58＝1.09mm；[0061]3)在30°～40°之间初步选择锯齿初始角度θ，然后依据公式W＝B/2×cos1值为30°(θ/2)，确定锯齿初始间距B1＝2×1.09/cos(30°/2)＝2.25mm[0062]4)在0.92～0.98mm之间初步选择锯齿高度值H1＝0.92mm；[0063]5)根据公式Q1＝-2.874+0.869×θ1(弧度制)+1.4591×B1-0.414×H1+2.546×D1,从而计算出流量中间值Q1＝-2.874+0.869×0.524+1.4591×2.25-0.414×0.92+2.546×0.58＝1.96l/h；[0064]6)计算流量偏差qv＝|Q1-Q0|/Q0×100＝|1.96-1.78|/1.78×100＝10.1％,发现qv＞5％,重新回到第2)步；重新选择D1值，如选择0.75mm从重新计算；D1的选择在0.58～0.75mm之间，可利用计算机进行叠代遍历，直到qv＜5％时，使得各参数间达到一个协调优化，从而最终确定锯齿角度、锯齿间距、锯齿高度和流道深度的尺寸；[0065]7)鉴于灌水器流量设计中间值Q1大于需求流量Q0，根据本发明人研究发现，锯齿高度和流道深度与流量存在负相关，因此考虑只增加锯齿高度和流道深度，因此在第2)步中，重新选择流道初始深度D1为0.65mm，确定流道初始宽度W1为0.97mm；[0066]8)在28°～40°之间依然选择锯齿初始角度θ，然后依据公式1值为30°[0067]W1＝B1/2×cos(θ1/2)[0068]确定锯齿初始间距B1＝2×0.97/cos(30°/2)＝2.01mm；[0069]9)在0.92～0.98mm之间选择锯齿初始高度值H1＝0.96mm；[0070]根据公式Q＝-2.874+0.869×θ+1.4591×B-0.414×H+2.546×D,计算出流量中间值Q1＝-2.874+0.869×0.524+1.4591×2.01-0.414×0.96+2.546×0.65＝1.77l/h；此处θ为弧度制；[0071]11)计算流量偏差qv＝|Q2-Q0|/Q0×100＝|1.77-1.78|/1.78×100＝0.7％,发现qv＜5％,，此时最终优化确定低压下本发明方法计算获得的流道结构各参数设计尺寸为：流道深度D为0.65mm，锯齿角度θ值为30°，锯齿间距B为2.01mm，锯齿高度H为0.96mm；[0072]12)对于锯齿型灌水器，基于惯用固定的齿尖参差量G(0mm)和流道总长度L(19.6mm)，基于定型的锯齿型灌水器流道关键结构参数尺寸：流道深度D(0.65mm)，锯齿角
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度θ值(30°)，锯齿间距B(2.01mm)，锯齿高度H(0.96mm)，借助CAD画图软件可建立低压灌水器内部结构几何模型，设计出低压压下满足流量Q0＝1.78l/h需求的锯齿型灌水器。[0073]以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
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