1、微灌水力设计计算的技术进步与几个问题的讨论,张国祥,1 微灌水力设计方法的技术进步,吴义伯教授的设计方法凯勒的设计方法我提出的设计方法,基本公式 偏差率公式： 流量公式：人为条件 为计算水头偏差， 令： 为赋值， 令： 式中符号 分别为灌水小区中的流量偏差率、水头偏差率、滴头最大、最小流量，滴头最大、最小工作水头、支(或毛)管总流量、滴头总数、滴头设计水头、及允许的流量偏差率和水头偏差率。可以看出 偏差率作为灌水质量的指标要求，但偏差率算式未与滴头设计指标挂钩。 必须增加人为条件，不然将无法进行小区设计。 人为条件本身、及与流量公式矛盾，说明该设计方法理论上不合理。 吴义伯设计方法的水力计算基
2、础为：无限孔数多孔管水力学。,1.1吴义伯教授的设计方法,(1),(2),(4),(3),微灌灌水小区示意图,1.2 凯勒的设计方法,1.2.1 凯勒均匀度EU(%)的定义定义1：占田间(或灌水小区)实测灌水器流量数据25%的低流量数据平均值 与全部实测流量数据平均值 的比值，以百分比表示； 即： (1) 定义2：以 为灌水器最小流量期望值的灌水小区，其灌水器流量分布曲线上，低流量端25%灌水器流量的平均值 与小区全部灌水 器平均流量 的比值，以百分比表示； 即： (2) 请注意：式(2)中 (3) 式(3)中 为灌水器制造偏差； 为灌水器流量样本的标准差； 为每株作物灌水器的最少个数。,1.
3、2.2 设计公式式中 推荐的凯勒均匀度； 灌水小区允许的水头差，m。 推荐的凯勒均匀度 表,(4),(5),(6),用 上下限算出的,注： 1.0，表示灌水器最小流量平均流量；这是荒诞的。 =0.805，相当于流量偏差率 =0.557，大大超过我国0.2的规定。 该方法对灌水质量要求表现为式(6)，但可能基本合理，也有可能荒诞。 式(4)与式(6)均不正确。,1.2.3 对前二种设计方法的评价 (1) 二种设计方法在理论上均不成熟；按此来设计微灌系统，可能出现毛管使用长度偏短、支管条数增多的现象，导致微灌系统投资与运行费用增大的后果；有改进和提高的必要。 (2) 二种设计方法均为美国学者提出，
4、凯勒的方法后来成为美国农业部推荐的设计方法。方法提出的时间为19731975年，当时微灌系统设计的技术基础多孔管水力计算方法还不成熟；同时，微灌技术应用实际，又迫切地需要设计方法；二种设计方法的提出，满足了生产的需求，实属不易。应该说：二种设计方法对美国及世界微灌技术的推广应用做出了重大贡献。 夏威夷大学吴义伯教授多次回国讲学，对我国微灌技术的启蒙、起步和发展，起到了重大的作用。,1.3 我提出(1989年)的设计方法,1.3.1 基本公式 偏差率公式： 毛管(或小区)进口流量： 赋值公式： 小区(毛管)特征值关系式： 或： 该设计方法1995年进入我国行业规范，2005年进国标。在新疆生 产
5、建设兵团得到了大面积应用。,(1),(2),(3),(4),(5),1.3.3 技术进步 与吴义伯与凯勒的设计方法相比： (1) 将偏差率算式的分母改为灌水器平均流量及其对应的工作水头，并做为灌水质量的量化指标。 (2) 规定以灌水器设计流量与设计水头，作为小区(或毛管)灌水器的平均流量及其所对应的工作水头；不仅解决了水头赋值问题，还解决了灌水小区(或毛管)进口流量计算的合理性问题。 (3) 提出了需计算设计方案实际的偏差率，并以此计算小区进口水头，从理论上实现了小区灌水器平均流量与设计流量相等。 (4) 建立了灌水小区(或毛管)灌水器最大、最小流量(水头)与平均流量(水头)及流量偏差率的关系
6、式，偏差新定义下水头偏差率与流量偏差率的换算关系式等；从而，使该设计方法得以完善，使赋值更为简便。,2 微灌水力计算方法的进步,吴义伯的计算方法 无限孔数多孔管水力学我提出的计算方法(1989年) 有限孔数多孔管水力学,2.1 吴义伯的计算方法无限孔数多孔管水力学2.1.1 基本假定 (1) 忽略多孔管内流速水头及其沿程变化，即将测管水头线视为总水头线。 (2) 忽略多孔管上游段与下游段流态往往不同的影响，按多孔管进口段的流态，来确定沿程损失计算公式。 (3) 把沿多孔管离散分布的灌水器出口，简化为连续分布，即视孔距为零、孔数为无穷多、亦就是说：将多孔管简化为缝隙管。 (4) 等量出流，即以多
7、孔管每m长的平均流量作为灌水器流量。 水头损失线为指数型光滑曲线。2.1.3 假定的合理性 (1) 多孔管的流速水头，在进口管段仅占灌水器工作水头2%左右，且从上游向下游递减的，故假定1可行； (2) 流态不同对微灌多孔管水头损失的的影响仅在0.4%左右，忽略是合理的； (3) 多孔管的沿程损失曲线，应该是以出流孔为折点的折线，在孔口之间为直线，缝隙管假定会带来相对较大的误差，尤其是孔数少、孔距大的多孔管。 (4) 等量出流的假定，对于限制流量偏差率的或使用补偿式灌水器的多孔管，其误差可以接受。2.1.4 主要成果 多孔管沿程损失公式： ；摩损比公式： 。,2.2 我提出的计算方法(1989年
8、)：有限孔数多孔管水力学(均匀坡)2.2.1 基本假定 (1) 沿用吴义伯教授的假定1、2、4条。 (2) 放弃缝隙管假定，沿程损失的线型 为多段折线；采用的(总)水头线模型见 右图。2.2.2 内容及成果 (1) 提出新的多孔系数公式；导出多孔管总水 头损失计算公式；多孔系数查表已不再需要。 (2) 定义参数降比(r )，并由此确定设计多孔管总水头线的线型；定义参数压比( )，简化计算公式。 (3) 推导出多孔管所有水力特征值的计算公式，包括：水头最小的灌水器编号、水头最大的灌水器编号、最大水头偏差、平均流量为 时小区(或多孔管) 进口水头、多孔管不超过规定偏差率时的最多(极限)孔数等。提高
9、了计算精度，实现了多孔管计算的完全解析化。 (4) 由于明确了压力最大、最小孔的位置，使最大水头偏差的计算更为直观。,多孔管水头线模型,3 几个问题的讨论,关于滴头内的流态无补偿件滴头x0.5的机理探讨毛管进口安稳流器出现的问题关于过滤器的过滤精度,3.1 关于滴头内的流态,3.1.1 已有认识 已有文献均按尼古拉池试验为依据来划分流态，以滴头水力关系式 中的指数 值来判定流态，并将 称为流态指数。 水利学报05年，36(7)期发表了李云开、杨培岭的论文，其结论之一：“六种迷宫式流道灌水器流体(水流)流动的(雷诺数) =105930，流态转捩的临界雷诺数比常规尺度流道的值要小，低于255”。3
10、.1.2 尼古拉池流态划分的依据、目的及适用的水流条件 划分流态的依据是摩阻系数与雷诺数、相对糙度的变化规律，目的在于正确计算摩阻系数，解决管道沿程损失计算问题。 适用的水流条件为仅有沿程损失 (无局部损失)的水流。3.1.3 滴头的 与沿程损失公式 中 的差异 仅为沿程损失的指数，以它来判定流态是正确的。 滴头的 为总水头损失， 为总损失的指数；只有微管滴头，仅有沿程损失，此时可凭 来判定流态；其他形式的滴头，局部损失不能忽略，不符合尼古拉池流态的水流条件，不能用指数 来判定流态。 将其称为流态指数是个概念上的错误，建议改称：水头指数。,3.2 无补偿件滴头x0.5的机理探讨,近年来，出现了
11、指数x0.5的无补偿件迷宫流道滴头，但未见到其机理探讨的论文。由于机理不清，我曾怀疑是水力测试的误差所至。 为此用FLUENT对某迷宫滴头做了2m和10m时的流量计算，得到流线图见右(由聂境提供)。 各数据列于下表。结论：由于滴头工作水头从2m升高到10m，水流惯性随流速增大而加大，导致过流面积减小至2m水头时的93.2%，使滴头的 值从0.517降至0.471；减小了水头对流量的影响，体现了一定的补偿作用。,滴头在二个工作水头下的流线图,3.3 毛管进口安稳流器出现的问题,毛管进口安稳流器，可以使同一轮灌组(各灌水小区)中毛管进口获得基本相等的流量，从而提高灌水质量并减小设计工作量；故稳流器
12、的使用相当普遍，尤其是大面积的微灌系统；估计新疆的使用量已超过1000万个。04年发现许多人对稳流器许用水头范围理解有误，导致滴头的出流量显著小于设计值，影响了灌水质量。 3.3.1 检测机构提供给供应商的资料 由于国外无稳流器产品，没有国际标准可参 考，也没有国家和行业标准，检测机构借用补偿 滴头的标准实施检测，提供右图成果；它是稳流 器大气出流的测试结果。开发商将此提供给用户。 3.3.2 稳流器进口水头要求 稳流器为有压出流，出口水头即为毛管要求的进口水头h0，故稳流器进口允许的水头范围应为( + h0 ) ( + h0) 。可见，稳流器进口水头偏小近半；是滴头流量偏小的主因之一。3.3
13、.3 应采取的措施 尽快制订稳流器行业标准，以控制产品质量。 制订稳流器水力性能测试行业标准，改变借用补偿滴头标准的现状。 当前，由部农水司发给部属检测单位，对测试方法与成果加个要求。,许用水头,h,Q,稳流器水力性能图,3.4 关于过滤器的过滤精度,为使微灌系统可靠工作，国内外均认可灌水器的流道直径与筛网基本尺寸的比值应取710；设计者可根据所选用灌水器流道最小尺寸除以710，来选择滤网网孔的基本尺寸；因此，可把网孔基本尺寸视为网过滤器的过滤精度。 行标SL4702010规定了网、叠片、沙过滤器的过滤精度均以“目” 来表达。 “目”是筛网行业的专用词，其定义 为：每吋长度上网孔的个数。由此可
14、知： “目”的尺寸中包含网孔和网丝尺寸之和， 故“目”数并不能唯一地表达网孔的大小。 我国国家标准GB533085工业用金属 丝编织方孔筛网中规定：筛网规格由 网孔基本尺寸(mm)与网丝直径(mm)共同 表示；如GFTW0.250/0.160。目数相同但网孔基本尺寸不同的筛网规格，在国标中随处可见(见右表)。 筛网还有个“筛分面积系数A”，是指网孔面积与总面积的比值；相同目数的筛网，其A值的差异不可忽视，对过滤元件过水能力的影响可超出10%。,工业用金属丝编织方孔筛网(GB533085),3.4.1 网过滤器用“目”来表达过滤精度的问题 SL4702010对网过滤器用“网孔基本尺 寸(目)”来
15、表达过滤精度， 但网孔基本尺寸的法定单位应为mm，而 不能用目。 对不同材质的筛网，是否有不同 产品标准？行标中没有关于网材的规 定。不同材质而目数相同的网，网孔基 本尺寸是否相同？并未经过技术论证。 (GB533085)中：网孔基本尺寸 是有允许偏差的(见右表)；可见1级精 度大网孔尺寸偏大1级有余，2级精度 偏大了2级。大网孔的允许数量也有规 定：1级精度不多于6%，2级精度不多 于9%。大网孔对过滤精度有影响，但行标中没有筛网精度等级的规定。 行标中没有筛分面积系数的规定；过滤器生产厂家在采购时仅有 目数要求，很可能导致不同批次的过滤器，其过流能力的差别可达约 14%；也可能因筛网精度等
16、级不同，导致过滤精度降低。,网孔精度等级与大网孔尺寸对照表,3.4.2 叠片与沙过滤器的过滤精度问题 行业标准灌溉用过滤器基本参数及技术条件（SL4702000）第5章规定了各种过滤器型号的表示方法，其最后一组为过滤精度，单位为目。 “目”是筛网行业的专用词；没有看到过可以直接套用的论证。 行标规定：叠片过滤器以目表示过滤精度；但目数如何得到？我问了不少叠片过滤器厂家，关于目的说法是五花八门，甚至是莫名其妙。如：说是以拦截下来的泥沙粒径所对应的网目数、有山寨国外叠片按国外所说的目数，也有的是杜撰的。如果按筛网的定义来量测叠片的“目”数，那么该如何操作？是在过滤元件的沿圆周向量测，还是沿轴向量测？是在过滤元件的外圆周面量测，还是内圆周面量测？而这将是几个完全不同的数！ 行标规定：沙过滤器的精度也以目表示，这里 “目”的定义是什么？又通过什么途径来得到？ 即使定义了“目”，没有“目”数与过滤通道(最小)尺寸的对应关系，设计者仍然无法由灌水器流道的最小直径来选择过滤精度。 3.4.3 解决途径 研究以公制尺寸表达筛网、叠片及沙过滤器的过滤精度，以便于设计者用灌水器流道最小尺寸来选择过滤精度。 对网过滤器，在标准中增加筛网精度等级与筛分面积系数要求；并标明筛网型号规格。或者标准中明确规定微灌用过滤器网材的系列规格。,欢迎批评指正。 谢谢！,
