毛管末端自动冲洗阀水力性能试验研究

赵新凯，莫彦，夏辉，龚贻螣，王建东，张彦群，龚时宏，李巧灵

毛管末端自动冲洗阀水力性能试验研究

赵新凯1,2，莫彦2，夏辉1*，龚贻螣3，王建东4，张彦群2，龚时宏2，李巧灵2

（1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001；2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；3.中资海外咨询有限公司，北京 100048；4.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

探究毛管末端自动冲洗阀的关键结构参数对其水力性能的影响及原因，为毛管末端自动冲洗阀的研发提供科学依据。选取流道齿长、流道齿宽和阀盖高度共3个结构参数，通过单因素试验，利用3D打印技术加工7种规格试样，测试了不同冲洗阀进口压力2下的冲洗时长、冲洗水量和冲洗流速的响应规律。当2为0.038～0.096 MPa，7种冲洗阀的为7.5～32.1 s，为2 220～5 725 mL，为0.87～1.53 m/s。其中，当2≤0.058 MPa，和与2负相关；当2＞0.058 MPa，与2负相关，与2不相关且变化幅度较小。和均与、和呈正相关关系，改变和可影响迷宫流道最小过流面积；改变可影响进入冲洗阀上腔体的水量，进而影响和。在本试验所取因素水平范围内，3个参数对和影响的主次顺序为＞＞。受结构参数影响较小，与2呈正相关关系。冲洗时长和冲洗水量与进入冲洗阀上腔体的流量及弹性体到出水口的间距关系密切，上腔体内的空气是阻碍冲洗时长和冲洗水量增大的关键因素，冲洗流速主要受冲洗阀进口压力影响。

引黄滴灌；抗堵塞；冲洗时长；冲洗水量；冲洗流速

0 引言

【研究进展】毛管冲洗制度主要包括冲洗时长、冲洗流速和冲洗频率。增加冲洗时长对细颗粒堵塞物质的排出影响显著[13]。在河套灌区，当冲洗时长为6 min时，灌水器平均相对流量随冲洗频率和冲洗流速的增加呈先增加后减少趋势，毛管最佳冲洗流速为0.4 m/s，最佳冲洗频率为64 h/次[6]。ASAE推荐的滴灌系统毛管冲洗流速需大于0.3 m/s[14]，当水源中泥沙颗粒粒径较大时，冲洗流速需要增加到0.5～0.6 m/s[15]。Yu等[13]也发现增加冲洗流速能促进粗颗粒沉积物的排出。关于冲洗频率，Feng等[16]认为灌水器堵塞程度随冲洗频率增加而降低，以地下水为水源的滴灌系统运行100 d后，当冲洗频率为24、120和240 h/次时，灌水器流量分别降低至额定流量的79.3%、77.1%和72.1%，该学者在试验过程中采用的冲洗流速为0.53 m/s，冲洗时长大于3 min，直到没有明显杂质流出为止。然而，对于再生水滴灌系统，Ravina等[17]建议适宜的冲洗频率为336h/次。同样，Li等[18]研究发现再生水滴灌系统中灌水器内部固体颗粒和磷脂脂肪酸的量随冲洗频率增加呈先降低后增加趋势，即灌水器堵塞程度随冲洗频率增加而先降低后增加，适宜的冲洗频率为336h/次。Lamm等[19]认为，在每次灌水开始时和结束后对毛管进行冲洗能有效缓解灌水器堵塞问题。目前，国内外的滴灌系统冲洗绝大多数采用手动打开毛管尾部，直到没有明显杂质流出后再手动关闭的方法[16]。对于具备一定规模的滴灌系统，在烦琐的冲洗操作流程和巨大的人力消耗下，管理者大多只在整个作物生育期开始或者结束时进行1次毛管冲洗，不能达到预期效果[20]。

【切入点】综上所述，适宜频率下的毛管冲洗能有效缓解灌水器堵塞问题，适宜的冲洗时长为3～6min，根据冲洗流速和毛管直径计算出对应的冲洗水量为19～29 L。目前，市场上售卖的毛管末端自动冲洗阀仅有2种，生产厂家分别为以色列的NaanDanJain公司和Natefim公司，每种冲洗阀只有1种规格。经过水力性能测试，当冲洗阀进口压力为0.028～0.088MPa时，2种冲洗阀的冲洗时长和冲洗水量分别为6～15s和1～2L，与我国引黄滴灌所需的冲洗时长和水量相差较大。此外，关于毛管末端自动冲洗阀的设计机理和结构参数选配与优化，国外由于技术保密和专利保护，没有公开资料可寻，国内更是缺乏相关研究。【拟解决关键问题】本文基于单因素水力性能测试试验，研究毛管末端自动冲洗阀的关键结构参数对冲洗时长、冲洗水量和冲洗流速的影响，以期为毛管末端自动冲洗阀的研发提供依据。

1 影响自动冲洗阀水力性能的参数分析

1.1 冲洗阀结构及工作原理

冲洗阀物理模型采用UG NX10.0三维制图软件（Siemens PLM Software公司，德国）构建，冲洗阀试件利用3D打印快速成型方法进行加工，加工材料为DSM IMAGE8000光敏树脂（皇家帝斯曼集团，荷兰），加工精度为0.1 mm。毛管末端自动冲洗阀（图1）主要由阀体（1）、弹性体（2）、阀盖（3）和螺纹卡环（4）4部分组成。

在系统安装时，冲洗阀进水口（5）与毛管末端相连接，水流从进水口（5）进入冲洗阀内，按照2个路径运动：一是通过进水管道（6）流到冲洗阀出水口（7），水流携带毛管内的絮凝物或固体颗粒等堵塞物质通过泄水孔（10）排出阀外；二是通过进水管道（6）运动到升水柱（8），接着通过升水孔（11）进入环形迷宫流道（12），在若干流道齿（13）的消能作用下，水流逆时针缓慢运动1圈后到达导水柱（14），并通过导水柱（14）进入弹性体（2）与阀盖（3）之间形成的上腔体（9）内。随着进入上腔体内的水量逐渐增加，弹性体在上腔体的水压力上和出水口水压力下的共同作用下，发生形变并逐渐向下运动，当弹性体与冲洗阀出水口（7）紧密接触时，毛管冲洗结束（图1（b））。

1-阀体；2-弹性体；3-阀盖；4-螺纹卡环；5-进水口；6-进水管道；7-出水口；8-升水柱；9-上腔体；10-泄水孔；11-升水孔；12-环形迷宫流道；13-流道齿；14-导水柱。

-阀盖高度；b-下腔体高度；a-阀盖容积，即阀盖与未变形的弹性体之间的体积；b-变形容积，即弹性体变形前后形成的容积；a和b的数值可通过UG测量体工具获取；红色空心箭头-水流在阀体内的运动方向；蓝色空心虚线箭头-水流泄水方向；蓝色箭头-弹性体受上腔体内水压力方向；黄色箭头-弹性体受阀体出水口水压力方向。

图1 毛管末端自动冲洗阀结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the automatic flushing valve

1.2 影响冲洗阀水力性能的参数分析

冲洗阀水力性能参数主要包括冲洗时长、冲洗水量和冲洗流速。主要取决于弹性体与冲洗阀出水口紧密接触所需时间，与水流进入冲洗阀上腔体的过程密切相关。图2为水流充满环形迷宫流道时的三维结构示意图，本试验设置流道齿长（图2（a））、流道齿宽（图2（a））与阀盖高度（图1（a））来探索3个结构参数对冲洗阀水力性能的影响。水流运动时的最小过流断面面积min=min（1，2），1、2分别为流体沿径向最小过流面积（图2（b））和流体沿切向过流面积（图2（c））。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计

为探究冲洗阀结构参数对其水力性能的影响，进行单因素试验，流道齿高1和3保持不变，2随流道齿宽的增大而增大，流道齿长设置0.6、1.2、1.8 mm共3个水平，流道齿宽设置1.2、1.7、2.2 mm共3个水平，阀盖高度设置12.4、17.1、22.1 mm共3个水平（表1）。

表1 试验设计方案

2.2 试验方法

试验地点位于国家节水灌溉北京工程技术研究中心（北京大兴区），冲洗阀水力性能测试平台由水箱（1）、CDLF4-10离心泵（2）（流量4 m3/h，扬程0.81 MPa，南方泵业，浙江）、分压管道（3）、回水闸阀（4）、120目网式过滤器（5）、闸阀（6）、压力表（7）（量程0～0.25 MPa，精度0.4级，阳泉仪表，山西）、球阀（8）、De16 PE软管（长30 cm）（9）、自动冲洗阀（10）、接水桶（11）（直径24 cm，高度27 cm，容积10 L）、置物台（12）组成，冲洗阀安装在PE软管末端（图3）。测试系统采用循环水，水源为自来水，由离心泵加压后提供系统压力1，设定1为0.05、0.06、0.07、0.08、0.1、0.12、0.14 MPa。

1-水箱；2-离心泵；3-分压管道；4-回水闸阀；5-网式过滤器；6-闸阀；7-压力表；8-球阀；9-De16PE软管；10-冲洗阀；11-接水桶；12-置物台

试验前，首先关闭球阀，将接水桶放置于置物台上，并位于冲洗阀下方。然后，启动水泵，通过调节回水闸阀和闸阀，将压力表的读数设为预设系统压力1；最后，打开球阀，冲洗阀开始工作，秒表开始计时，此时压力表的读数为冲洗阀进口压力2，通过试验发现1=0.05、0.06、0.07、0.08、0.1、0.12、0.14 MPa对应的冲洗阀进口压力2=0.038、0.044、0.052、0.058、0.072、0.088、0.096 MPa（一般工程中，毛管内径为15.6 mm，铺设长度为80 m，当毛管进口压力为0.1 MPa，毛管冲洗流速为0.3～0.6 m/s时，毛管末端压力为0.065～0.090 MPa），当冲洗阀泄水孔没有水流流出时计时停止，此时压力表的读数恢复至1。

每次试验重复测试3次。秒表计时时间为冲洗阀冲洗时长（s）；接水桶中的水量为冲洗水量（mL），用5000 mL量筒测其体积；冲洗流速（m/s）=//，为De16 PE软管的过流面积，为201 mm2。参考相关试验标准，水箱内水温维持在（23±2）℃[21-22]。

3 结果与分析

3.1 水流最小过流面积

在表1中，当=1.7 mm，0.6 mm≤≤1.2 mm时，min=2=1.19 mm2；当由1.2 mm增大到1.8 mm时，min由1.19 mm2减小到0.71 mm2。当=1.2 mm，由1.2 mm增大到2.2 mm时，min呈持续减小趋势，由1.31 mm2下降到0.68 mm2。

3.2 冲洗时长与冲洗水量

3.2.1 流道齿长

当=1.7 mm，=17.1 mm时，3种不同流道齿长的冲洗阀的随2增加而呈递减趋势。当2由0.038 MPa增加到0.096 MPa时，3种冲洗阀的平均冲洗时长由26 s降低到12 s（图4）。当0.032 MPa≤2≤0.058 MPa，下降幅度较大，L1W2Z2、L2W2Z2、L3W2Z2冲洗阀的分别由23、25和28 s下降至15、16 s和19 s，平均下降幅度为34%；当0.058 MPa≤2≤0.096 MPa，下降幅度较小，平均由16 s下降至12 s，下降幅度为25%。

图4 不同流道齿长下的冲洗时长随进口压力变化曲线

当2由0.032 MPa增加到0.096 MPa时，3种冲洗阀的平均冲洗水量由4 520 mL降低到3 617 mL（图5）。当0.038 MPa≤2≤0.058 MPa时，L1W2Z2、L2W2Z2、L3W2Z2冲洗阀的变化较大且与2负相关，分别降低了924、1 025和957 mL，平均下降幅度为21%；但当2增加到0.072 MPa时，L1W2Z2、L2W2Z2、L3W2Z2冲洗阀的较2=0.058 MPa时分别增加了18、140和334 mL；当0.072 MPa≤2≤0.096 MPa，3种冲洗阀的变化趋势不同，且变化幅度较小：L1W2Z2冲洗阀的持续下降，L2W2Z2冲洗阀的先增加后减小，L3W2Z2冲洗阀的先减少后增加。

图5 不同流道齿长下的冲洗水量随进口压力变化曲线

7种冲洗阀进口压力下的平均冲洗时长和冲洗水量随流道齿长增加而呈线性递增关系（～拟合趋势线2=0.959 1，～拟合趋势线2=0.955 9）（图6）。当由0.6 mm增加到1.8 mm时，平均冲洗时长增加了5 s，平均冲洗水量增加了1 081 mL。

图6 不同流道齿长下冲洗时长与冲洗水量

图7 不同流道齿宽下的冲洗时长随进口压力变化曲线

3.2.2 流道齿宽

当=1.2 mm，=17.1 mm时，3种不同流道齿宽的冲洗阀的随2增加呈递减趋势（图7）。当2由0.038 MPa增加到0.096 MPa时，3种冲洗阀的平均冲洗时长由25 s降低到11 s。当0.038 MPa≤2≤0.058 MPa，下降幅度较大，其中，L2W3Z2冲洗阀的下降幅度最大，由32 s下降至19 s，下降幅度为41%；当0.058 MPa≤2≤0.096 MPa时，3种冲洗阀的随进口压力增加而下降的幅度相差不大，分别由10、16和20 s下降至8、11和15 s，平均下降幅度为26%。

当2由0.038 MPa增加到0.096 MPa时，3种冲洗阀的平均冲洗水量由4 441 mL降低到3 430 mL（图8）。当0.038 MPa≤2≤0.058 MPa时，L2W1Z2、L2W2Z2和L2W3Z2冲洗阀的下降幅度较大且与2呈相关关系，分别降低了968、1 025和1 472 mL，平均下降幅度为26%；当0.058 MPa≤2≤0.096 MPa时，L2W3Z2冲洗阀的呈增加趋势，L2W2Z2冲洗阀的呈先增加后降低趋势，但二者冲洗水量随2的增加变化幅度较小，L2W1Z2冲洗阀的随2的增加几乎没有变化。

图8 不同流道齿宽下的冲洗水量随进口压力变化曲线

7种冲洗阀进口压力下的平均冲洗时长和冲洗水量随流道齿宽的增加而线性递增（～拟合趋势线2=0.994，～拟合趋势线2=0.994 8）（图9）。当由1.2 mm增加到2.2 mm时，冲洗时长和冲洗水量的平均值分别增加了10 s和2 221 mL。

图9 不同流道齿宽下冲洗时长与冲洗水量

3.2.3 阀盖高度

当=1.2 mm，=1.7 mm，3种不同阀盖高度冲洗阀的和随2的变化曲线见图10和图11。当2由0.038 MPa增加到0.096 MPa时，3种冲洗阀的平均冲洗时长由25 s降低到12 s，平均冲洗水量由4 368 mL降低到3 544 mL。当2≤0.058 MPa时，随2增加呈递减关系；当2≥0.058 MPa时，L2W2Z3冲洗阀的逐渐增大，L2W2Z1和L2W2Z2冲洗阀的先增大后降低。

和随的增加呈线性递增趋势（～拟合趋势线2=0.999 4，～拟合趋势线2=0.998 5）（图12）。当由12.4 mm增加到22.1 mm时，冲洗时长和冲洗水量的平均值分别增加了6 s和1 359 mL。

图10 不同阀盖高度下的冲洗时长随进口压力变化曲线

图11 不同阀盖高度下的冲洗水量随进口压力变化曲线

图12 不同阀盖高度下冲洗时长与冲洗水量

3.3 冲洗流速

当2为0.038、0.044、0.052、0.058、0.072、0.088和0.096 MPa时，7种冲洗阀的变化幅度较小，变化范围分别为0.87～0.89、0.93～0.95、1.00～1.01、1.07～1.09、1.22～1.23、1.35～1.37和1.50～1.53 m/s，差值范围为0.01～0.03 m/s（表2）。7种冲洗阀的平均冲洗流速与2呈线性递增关系（2=0.996 1），当2由0.038 MPa增加到0.096 MPa时，平均冲洗流速增大0.63 m/s（图13）。

表2 冲洗流速

图13 冲洗流速随冲洗阀进口压力增加的变化曲线

4 讨论

对于本研究中的7种毛管末端自动冲洗阀，当2为0.038～0.096 MPa时，为7.5～32.1 s，为2 220～5 725 mL，为0.87～1.53 m/s。当2增大时，环形迷宫流道出口流量增加，上腔体内形成水压力上（图1（b））的速度增大，弹性体与冲洗阀出水口紧密接触所需时间减小，故与2负相关。然而，冲洗阀出水口泄水流量（即单位时间内冲洗水量）与2正相关，当2＞0.058 MPa时，由2和共同作用的随2的变化幅度很小。

水流在冲洗阀环形流道中的运动过程与灌水器类似，灌水器出水流量与流道截面积为正相关关系[23-24]，在本研究中，环形流道中水流最小过流面积min受的增量响应更明显，故相较于，对和的影响程度更大。拟合趋势线的斜率越大，因变量对自变量增量响应的灵敏度越大，由～、～、～和～、～、～关系的拟合趋势线的斜率可进一步证明，冲洗阀3个结构参数对和的影响程度排序为＞＞。

的变化对冲洗阀的和影响最小，当由12.4 mm增加到22.1 mm，阀盖容积a由11.4 mL增加到22.0 mL，a增大了1.9倍，但和均增大了1.4倍，即和不能随着a的增大而等比例增大。在冲洗阀工作前，阀盖和弹性体构成的上腔体内充满了空气，即空气体积气1=a，当水流进入上腔体时，上腔体内的空气体积被压缩，假定冲洗阀自动关闭后上腔体内气体体积为气2，那么，充满上腔体的水量水=a+b-气2（b为变形容积，即弹性体变形前后形成的容积，见图1（a））。在一定的温度和压强条件下，气体压缩系数不变[25]，气2随a增加而增大，因此，和不能随着a的增加而等比例增大。故，增大对和影响不大，反而会造成设备造价的增加。

冲洗阀的主要受2影响，且呈线性递增关系，可通过调节滴灌系统供水压力来实现不同的冲洗流速，本研究中的冲洗流速均超过已有研究中的冲洗流速0.3～0.6 m/s[15]。在引黄滴灌毛管冲洗制度研究中，当冲洗频率为64 h/次，毛管冲洗所需时长为360 s[6]。对于安装了本研究自动冲洗阀的滴灌系统，每次滴灌系统刚开始运行时进行1次冲洗作业，按照水泵日工作20 h为例进行计算，自动冲洗阀的冲洗频率为20 h/次，将文献结果[6]简单换算得到每次所需冲洗时长为360 s/64 h×20 h=112.5 s，高于本研究中7种规格冲洗阀的冲洗时长。当然，毛管末端自动冲洗阀适宜的冲洗时长和冲洗水量仍然需要通过不同泥沙含量的浑水条件下，冲洗阀本身以及毛管的抗堵塞性能对不同冲洗阀规格的响应试验来深入研究。

5 结论

1）当冲洗阀进口压力2为0.038～0.096 MPa时，7种冲洗阀的、和分别为7.5～32.1 s、2 220～5 725 mL、0.87～1.53 m/s。其中，当0.038≤2≤0.058 MPa时，、与2负相关。

2）增加和减少了水流最小过流面积，降低水流进入上腔体的流量，进而增加冲洗阀的和；增加能增加进入上腔体的水量，从而提高和，但受限于上腔体内原有的空气体积，3个结构参数中，对和影响程度最小，排序为>>。

3）冲洗阀的受冲洗阀结构参数影响较小，主要与2有关，二者定量关系式为=10.812+0.457 9。

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Hydraulic Performance of Automatic Flushing Valve at the End of Dripline

ZHAO Xinkai1,2, MO Yan2, XIA Hui1*, GONG Yiteng3, WANG Jiandong4, ZHANG Yanqun2, GONG Shihong2, LI Qiaoling2

(1. Institute of Urban and Rural Construction, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China;2. Department of Irrigation and Drainage, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China;3. China Overseas Consulting Co., Ltd., Beijing 100048, China; 4. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

Emitter clogging is a problem facing drip irrigation and drip-line flushing is an effective anti-clogging technology. The aim of this paper is to study how key structural parameters of automatic flushing valve at the end of drip-line impact its hydraulic performance as well as the underlying mechanisms.Three structural parameters were examined: dentition length () and width (), as well as the height of the bonnet () in the valve. Overall, there were seven flushing valves with different structural parameters, which were made by a 3D printer. For each valve we tested how its hydraulic performance changed with the applied water pressure (2), flushing time (), flushing volumetric rate () and flushing velocity ().When2was in 0.038～0.096 MPa,varied from 7.5 to 32.1 s,from 2 220 to 5 725 mL, andfrom 0.87 to 1.53 m/s, depending on the valves. When2≤0.058 MPa,andwere negatively correlated with2, while when2>0.058 MPa,2only negatively affectedand did not result in a noticeable change to.Bothandwere positively correlated with,and; the minimum flow area in the labyrinth channel depended onand. The amount of water entering the upper cavity of the valve was affected by, and as a result, it impactedandas well. The impact of the three structural parameters onandwas ranked in the order of>>.was affected by2more than by the structural parameters.andare closely related to the velocity, the amount of water flowing into the upper cavity, and the distance between the elastomer and the water outlet. The air in the upper cavity within the valve is a key factor impacting onand;is affected predominantly by2.

drip irrigation; anti-clogging; flushing time; flushing water volume; flushing velocity

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020491

1672 - 3317（2021）07 - 0105 - 08

赵新凯, 莫彦, 夏辉, 等. 毛管末端自动冲洗阀水力性能试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(7): 105-112.

ZHAO Xinkai, MO Yan, XIA Hui, et al. Hydraulic Performance of Automatic Flushing Valve at the End of Dripline[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 105-112.

2020-08-31

国家重点研发专项课题（2019YFC0409203）；国家自然科学基金项目（51909276，51979288）

赵新凯（1994-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉装备研发。E-mail: zhaoxk0909@163.com

夏辉（1978-），女。副教授，主要从事农业水土资源与环境。E-mail: xiahui1106@163.com

责任编辑：韩 洋