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微压多孔软管水力性能研究

刘焕芳  
【摘要】: 微压软管灌溉技术是以一个自然农田地块为一个灌溉区,利用灌溉渠道与地面的水位差和田间地面的自然坡降所形成的微水头,通过干管、支管、毛管三级软管或者支管、毛管二级软管构成微压软管灌溉系统,从而实现自流灌溉。微压软管灌溉系统中的支管与毛管,是一种沿程多孔口出流的管道。毛管是微压软管微灌技术的核心和关键,其出流特性同压力水头、管径、管长、滴孔间距、滴孔孔径及管道铺设坡度等因素有关。因此,如何从理论高度分析各种因素对多孔管出流特性的影响,进而结合实验研究建立相应的定量关系式,给工程设计提供依据,同时促进多孔管流动理论的发展是非常必要的。 本文针对实际工程生产中存在的问题,经过大量的田间调查、室内试验和理论分析,探讨了多孔管的流动机理,对微压软管微灌系统中毛管的水力性能进行了深入研究和分析,得出了以下主要结论: 1、简单自由出流管道过水能力和沿程多孔口出流管道过水能力的比较表明,无论多孔软管铺设长度、滴孔间距、滴孔孔径及管道铺设坡度等因素如何变化,多孔软管的总出流量将总是小于不接多孔软管所对应的自由出流条件下管道出流量。如果管道布置、管道材料、管道直径和作用水头一定,则沿程多孔泄流管道的总出流量可以用不接多孔软管所对应的自由出流管道的出流量乘一个流量折减系数得到。根据试验数据拟合了多孔管流量折减系数的计算式,建立了多孔软管的总出流量和平均单孔出流量计算公式。试验资料和工程实际试验资料的验证结果表明,公式计算结果与试验结果是相当吻合的。研究结果表明:软管总出流量和平均单孔出流量均随压力水头和管径的增加而增加;软管总出流量随着铺设长度的增大而增大,但平均单孔流量随着铺设长度的增大而减小;软管总出流量和软管平均单孔出流量均与铺设坡度成线形增加关系;软管总出流量随着滴孔间距的加大而减少,但平均单孔流量是随着滴孔间距的加大而增加的。 2、根据动量定律,在均匀铺设坡度条件下,建立了变动量交换系数和变沿程阻力系数的多孔管变质量流动的动量方程;引入了多孔管幂速度分布假定,探讨了多孔出流管的沿程阻力系数和动量交换系数的变化规律,对变系数变质量动量方程进行了求解,给出了多孔管均匀坡度条件下变系数变质量动量方程的解析解。解析解由压力项、重力项、摩阻项和动量项组成,反映了各种因素对多孔管压力分布的影响。分析表明,在多孔出流管中,作用在流体上的主要作用力为动水压力、重力和摩擦阻力,三者是相互关联的,均对多孔管流动产生影响。前人和笔者试验资料的验证结果表明,解析解的计算成果与试验结果是吻合的。 3、分析论证了多孔出流管沿程水头损失和压力水头分布规律,得出了沿程总水头损失计算公式,给出了确定多孔管各种特征压力水头位置及大小的方法。能量法与动量法计算公式的比较表明,两种方法无量纲化后可以转化为同样的公式形式。同时,通过分析论证给出了微灌系统中的毛管水力学忽略流速水头的理论依据。对多孔管压力水头变化进行了定性分析,引入了多孔管的特性系数M。根据特性系数M值的大小,可将多孔管划分为短多孔管、中多孔管和长多孔管三种类型。微灌系统中的毛管和本文所研究的微压多孔软管属于长多孔管。 4、讨论了毛管铺设长度、进口压力水头、软管管径和滴孔间距等因素对灌水均匀度和工作水头偏差率的变化影响,指出在满足流量偏差率要求的前提下,存在一个最佳的铺设坡度;介绍了微压软管灌溉技术的工程应用情况,提出了确定软管合理铺设长度的计算方法,给出了满足均匀度要求的适宜铺设长度。结合工程算例,给出了设计步骤,可供微压软管灌溉规划设计时参考。 多孔出流管广泛应用于农业、给水排水、通风、化工等领域,本文以微压多孔软管为对象,在前人研究成果的基础上,对多孔管的输流能力(流量)、流动机理、压力分布、出流均匀度和铺设长度等进行了理论分析和试验研究,从理论上来解释和说明多孔出流中的共性问题。研究结果具有广泛的适用性,有重要的工程价值和理论意义。


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