1 绪论
1.1 研究背景与意义
滴灌是一项先进的节水灌溉技术，具有节省资本投入、适应地形及土壤条件变化能力强、易于实现水肥一体化和智能自动化控制等优点[1-2]，广泛应用于经济作物的灌溉，例如棉花及果、蔬等，具有显著的经济、生态环境和社会效益[3-5]。
滴灌灌水器是滴灌系统的关键组成部分，亦称为滴灌系统的“心脏”，主要功能是通过其内部设计优良的流道结构实现消能、稳流机制，保证进入灌水器的有压水流通过后，能够以均匀、稳定的小流量形式滴入作物根部[6-7]。滴灌灌水器性能的优劣决定了滴灌系统的灌水效益和运行的可靠性，因而对其的资本投入在整个滴灌系统中占有很大份额，一般投资在 10~15%[8]。因此，提高灌水器性能对于提高滴灌系统灌水质量、减少投资成本及滴灌技术大规模应用等都具有重要的工程实际意义。
滴灌灌水器有水力性能和抗堵性能两大重要指标，往往是科研工作者研究的重点[9]。水力性能表征清水条件下灌水器流量对其工作压力变化的敏感性，一般用流态指数作为量化指标，即流态指数越小，在一定的工作压力偏差条件下，灌水器流量偏差越小，灌水均匀性越好。提高水力性能一般以此为目的，以流态指数最小化为优化目标进行灌水器流道的结构设计，这已成为灌水器水力性能的研究热点之一[10-13]。影响灌水器流态指数的重要因素有流道结构形式及流道结构参数，流道一般由若干个结构相同的、具有复杂弯曲边界的流道单元组成，保证进入灌水器流道的有压水流维持紊流状态，充分消耗多余能量，实现灌水器消能、稳流机制；流道尺寸较小，一般在 1 mm 左右并有向更小尺寸发展的趋势，以保证灌水器小流量的灌溉特性，实现节水灌溉目的[14]。
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1.2 国内外研究现状及发展动态分析
1.2.1 滴灌灌水器现状及发展趋势
目前，迷宫式流道灌水器和压力补偿式灌水器是滴灌系统中常用的两种灌水器，目前在国内外均得到了广泛应用[44]。迷宫式流道灌水器主要利用水流紊动来实现消能减压目的，工作机理为：在复杂、弯曲的流道结构作用下，流道内水流维持紊流状态运动，并伴有漩涡，会产生较大的局部水头损失，消除滴灌灌水器进口处多余工作压力，从而使得由灌水器工作压力产生变化而引起的灌水器出流量的变化较小，灌水均匀度较高。此类型灌水器，流态指数在 0.5~0.7 之间，水力性能较为优良，且制造成本较低，因此应用比较广泛[45]。但由于流道过水断面尺寸较小，在 1 mm 左右，并有向更小尺寸发展的趋势，灌溉水中携带的泥沙颗粒无法顺畅通过，导致其抗堵性能较差。利用调节流道过水断面的尺寸从而实现消能机制是压力补偿式滴灌灌水器的主要工作机制，具体为：当有压水流进入压力补偿式灌水器流道时，安装于流道内部的弹性膜片受到水压力作用，产生形变，流道过水断面尺寸发生改变；水压不同，弹性膜片形状改变不同，流道过水断面尺寸大小的改变也不同，以此来实现流道消能减压、维持灌水器出流稳定的目标[46-47]。此类型灌水器的流态指数在 0.1 左右，因此即使灌水器工作压力发生较大范围的变化，灌水器出流量的变化也很小，水力性能非常优良。但因弹性膜片制造成本高，且当田间灌溉条件较为恶劣时，容易老化，使用寿命大大降低；同时也存在由于流道尺寸很小而导致的易堵塞问题[48- 49]。
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2 滴灌双向流道灌水器抗堵性能试验研究
2.1 双向流道灌水器结构设计
双向流道结构如图 2-1 所示。
双向流道主要由进水口、分水装置、挡水装置、流道边壁和出水口组成。
双向流道灌水器的工作原理为：有压水流由进水口进入流道，由分水装置分流，一股水流沿着水流前进方向运动，称之为正向水流；另一股分流沿着水流前进方向运动后，在挡水装置阻挡作用下发生转向，沿着水流前进方向的反方向运动，称之为反向水流。正向、反向两股水流相遇、强烈混掺，产生较大的局部水头损失消耗水流多余能量，实现消能目的；并且流道中水流强烈混掺，提高了水流的紊动强度，增加水流对泥沙颗粒的扰动，提高了流道的抗堵塞能力。
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2.2 双向流道灌水器流道结构参数与试验样件设计
2.2.1 双向流道结构参数
参考文献[41]双向流道灌水器水力性能相关研究，选取分水装置与边壁距离 S，分水装置与挡水装置的齿尖的间距 T，挡水装置与边壁的间距 W，挡水装置与分水装置的最大过水通道宽度 Z，挡水装置底柱高度 D 为双向流道的关键结构参数。一个分水装置与其相邻的挡水装置构成一个流道单元；流道单元的间距为 L，见下图 2-2。
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3.1 双向流道灌水器泥沙沉积规律及堵塞机理..............................33
3.1.1 试验材料与方法 ..............................................33
3.1.2 灌水器水力性能差异显著性分析 ................................36
4 滴灌双向流道灌水器抗堵性能数值模拟方法研究............................. 53
4.1 数值模拟方法 ........................... 53
4.1.1 物理模型及网格划分.......................... 53
4.1.2 数学模型.................................... 54
5 滴灌双向流道灌水器抗堵性能数值模拟研究................................. 77
5.1 数值分析物理模型 ................................................. 77
5.2 数值模拟结果与分析 ............................................... 78
6 滴灌双向流道灌水器流道结构参数多目标优化
6.1 双向流道灌水器整体性能评价指标及计算
6.1.1 基于稳流指标的双向流道灌水器水力性能评价及计算
（1）水力性能评价指标——稳流指标
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7 结论与建议
7.1 主要结论
本文得到的主要结论如下：
（1）在 50~100 kPa 工作压力及 30 g/L 含沙率条件下，采用周期性间歇灌水试验，对比双向流道与迷宫式流道灌水器抗堵性能，分析流道结构参数对抗堵性能的影响。结果表明：双向流道内部正、反 2 股水流相互作用时的强烈对冲、混掺，是其抗堵性能优于迷宫式流道的主要原因；提出基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法，可综合反映灌水器水力性能和抗堵性能的动态变化过程；流道中泥沙沉积的累积效应是引起灌水器水力性能逐渐降低的主要成因；清水条件下水力性能优良的流道结构在浑水条件下仍能保持较好的水力性能；清水条件流道的优化设计对浑水条件的水力性能仍具有重要影响；双向流道结构参数（即分水装置与边壁距离 S、分水装置与挡水装置的齿尖的间距 T、挡水装置与边壁的间距 W、挡水装置与分水装置的最大过水通道宽度 Z、挡水装置底柱高度 D）对抗堵性能影响大小顺序为：Z> T >D> S >W，其中 T 与相对流量成正相关关系，Z，S，D 与相对流量成负相关关系，W 的影响不显著；双向流道水力性能和抗堵性能相互制约，与迷宫式流道灌水器研究结果一致。
（2）采用电镜扫描，分析双向流道堵塞机理，结果表明：双向流道分水和挡水装置附近为泥沙沉积主要发生部位；流道前段泥沙沉积严重，中段次之，后段较少；流道混掺部位水流紊动较强、剪切速率大，泥沙不易沉积；流道由前到后，沉积泥沙中粒径?0.03 mm的颗粒质量分数从 7.77%减小到 2.11%，粒径?0.005 mm 的颗粒质量分数从 65.98%减小到56.31%后增加到 69.76%；流道前段和中段沉积泥沙主要为细小粒径泥沙颗粒填充于大粒径泥沙颗粒之间由于絮凝、黏结而形成的团聚结构，后段沉积泥沙主要为细小粒径泥沙颗粒絮凝而形成的絮团结构，沉积泥沙粒径的变化直接影响沉积泥沙结构；粒径﹤0.03 mm泥沙颗粒间的絮凝作用较强，当流道水流剪切速率较低时，易形成较大的絮团沉积于流道引起灌水器堵塞，这是双向流道灌水器堵塞的主要成因。
参考文献（略）