流道参数对新型根灌器水力性能的影响及优化

张 军，李 琳

流道参数对新型根灌器水力性能的影响及优化

张 军1, 2，李 琳1, 3*

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆理工学院，新疆 阿克苏 843000；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830052）

【目的】研究新型果树根灌器螺旋对冲流道参数对水力性能的影响。【方法】采用单因素和响应面试验方法，研究螺旋对冲流道主要影响因素及其对计流量变异系数q的影响，建立并验证了不同压力区间q的回归模型，在不同压力区间以q最小为优化目标进行流道参数优化。【结果】引起q变化的主要参数为流道宽、分流角及流道单元数，弯道直段长1、弯道半径、汇流段长2对其的影响可忽略不计。对q的影响存在交互作用，q随的增加均呈先减后增趋势，响应曲面均存在极小值。低压区及高压区的q与存在显著的二次函数关系，其二次回归模型复相关系数（2）分别为0.996 7、0.997 1，与调整后的复相关系数（Adj2）差值均小于0.2。优化得到高压区最优方案的q要小于低压区，2个压力区优化方案q预测值与实测值相对误差分别为2.8%、2.3%。【结论】用q回归模型对设计流量变异系数预测的精度可靠，螺旋对冲流道在高压区的灌水效果要优于低压区，且q优化的结果可靠。

果树根部灌水器；螺旋对冲流道；几何参数；水力性能；响应面法

0 引 言

【研究意义】地下灌溉是一种高效节水灌溉方法，通过埋入地下的灌水器将灌溉水渗入到作物周围供作物根系吸收利用，能有效地减少地表蒸发和深层渗漏损失[1-2]。【研究进展】学者们针对不同作物开发了系列地下灌水技术，如涌泉根灌[3-4]、地下竖管灌[5]、微孔陶瓷渗灌[6]、微孔混凝土根灌[7]、微润灌[8]、地下滴灌[9]、加压注灌[10]及插入式根灌[11]等，通过试验研究[12]、数值模拟及[13-14]理论分析等[15-16]方法，进行灌水器流道参数对水力性能[17]及抗堵塞性能[18]的影响等研究，为不同条件下地下灌溉技术的优化及应用提供了技术支撑。上述地下灌溉技术大多为单点源或线源入渗，形成的土壤湿润体与果树根系空间吻合度还有待提升，国外学者在干旱区对番茄和草莓[19]、甜椒[20]等浅根系作物的根灌技术中，提出了一种环形地下灌水器，其湿润体与根系吻合度较高，提升了灌溉水利用效率，但该类灌水器较难满足深根系果树的需水要求。作者在对南疆干旱区枣树根区加压注水灌溉技术的前期研究基础上[21]，课题组提出了一种新型环状果树根灌器[22]（以下简称“根灌器”），通过灌水环上的多个出流孔口进行入渗根灌，可在果树根区形成包围式的土壤湿润体，以期通过提升湿润体与根系空间分布的吻合度达到提高灌溉水利用率的目的。【切入点】多孔入渗的灌水环比单点源入渗灌水器的流量需求更大，前期进行的灌水环入渗试验研究表明，砂质壤土条件下，6孔灌水环在12～18 L/h进口流量时，形成的湿润体与成龄果树根系空间分布吻合度较高，本文选取15 L/h作为根灌器在砂质壤土条件下的设计流量，为了使一定进口压力条件下的流量值更接近该设计流量，提出了一种新型螺旋对冲流道，其具有双向分流、急转对冲消能的特点，对该流道的前期初步试验结果表明，其消能率高达92%～98%，流态指数为0.43～0.51，具有较好的水力性能，但由于目前尚未对该流道各几何参数对设计流量变异系数q的影响开展系统研究，q与其主要影响因素及其与各影响因素交互作用之间的响应关系尚不清楚。【拟解决的关键问题】围绕螺旋对冲流道的几何参数对根灌器水力性能的影响及消能效果开展研究，以q为该根灌器水力性能评价指标，建立主要影响参数与q的回归模型，并以q数最小为优化目标对不同压力区间的参数进行优化，为螺旋对冲流道在不同水压条件下的应用及优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 根灌器及其螺旋对冲流道工作原理

图1为根灌器工作原理，每棵果树根系附近预埋1个根灌器，由消能器、灌水环及通气装置组成，地埋供水管道中一定压力范围内的水流分别经过每棵果树根灌器的消能器后，以较稳定的流量进入到灌水环中，通过灌水环内一定数量的出流孔口缓慢地渗入到土壤中，通气装置可消除灌水环负压引起的孔口吸泥堵塞，灌水结束后以果树根系为中心形成包围式的土壤湿润体。

注 1.地埋供水管；2.消能器；3.螺旋对冲流道；4.灌水环；5.土壤湿润体；6.地表；7.通气装置；8.果树根系。

消能器采用了一种新型的螺旋对冲流道（图2），具有双向分流、急转对冲消能的特点。图2（a）为消能器三维剖面及消能件实物图。消能器从内至外分别由消能件、橡胶垫圈、护盖组成，其中消能件由挡水片、流道进口、螺旋对冲流道及流道进、出口组成。橡胶垫圈外层由2片对称的活动护盖包围，当护盖上下两端外壁分别与供水三通、灌水环三通内壁连接后，护盖将橡胶垫圈紧箍其中。消能件外壁沿螺旋线布置了一定数量的内凹对冲流道，水流在螺旋对冲流道内流动后，经出口流入消能件底部并进入灌水环。

螺旋对冲流道平铺图及几何参数示意如图2（b），以分流开始断面到汇流结束断面之间的流道为1个单元，每个流道单元的几何参数有流道宽（即为流道深）、弯道直段长1、弯道半径、分流角、对冲角、其中对冲角与分流角互补，汇流段长2，流道单元数用表示，当圆柱形消能件的外径一定时，可由参数、、、1、2、确定唯一的螺旋对冲流道，因此，单因素试验中以这6个参数作为自变量，以探明各因素对该流道水力性能的影响程度，本试验消能件外径为28 mm，每个单元内，水流在分水件的作用下分别分流至弯道和直道，水流在弯道内发生急转后与直道水流在对冲消能区发生对冲，且流道断面分流、汇流产生局部水头损失从而消耗大量动能，逐级消能后达到稳流的效果。

注 1.消能件；2.橡胶垫圈；3.护盖；4.挡水件；5.流道进口；6.螺旋对冲流道；7.流道出口；8.分水件；9.弯道段；10.直道段；11.对冲消能区。

图2 消能器结构及工作原理

Fig.2 Structure and working principle of energy dissipation device

1.2 试件加工与测试方法

试验于2021年4月在新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室进行，采用Auto CAD与Unigraphics NX对流道进行平面及三维建模，使用0.1 mm精度3D打印机加工试制，为保证试验精度，消除橡胶垫圈材料属性引起的误差，本试验对消能器的消能件、橡胶垫圈及护盖采用PLA材料进行整体式3D打印，并在上下两端分别生成外丝、内丝螺纹接口，分别与供水三通管、出口压力表螺纹连接。试验布置如图3所示，在消能器上、下游安装精度为0.01 kPa的数显压力表。为消除管道内气体对流动的干扰，进口上端安装了自动排气阀，供水流道均采用外径为32 mm的PVC管及配套连接件连接而成。

本试验采用自循环供水系统，供试水取自实验室自来水，每次试验保持相同的水温（23 ℃），通过调压供水管道向装置内供水，调节变频泵以达到需要的进口压力，水流经过进口压力表后，系统内的气体从自动排气阀顶端排出，随后水从消能器进口流入螺旋对冲流道内，最后充满出口压力通道后，从流道末端的出流导管流出，待运行稳定后，读取出口压力，并采用秒表和量筒测其流量。根据GB/T17187—2009/ISO9261：2004《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》的规范要求，分别在50、75、100、125、150、175、200、225、250 kPa进口压力条件下进行出口流量及压力的测试，各方案3D打印的消能器构件制作1式3份，每个消能器构件3组重复试验，同一方案各重复试验结果相对误差小于3%时，取其均值作为试验结果。

注 1.调压供水管道；2.进口压力表；3.自动排气阀；4.消能器进口；5.出口压力通道；6.出流导管。

1.3 评价指标与计算方法

在灌水器流道参数设计阶段，由于流态指数评价灌水器水力性能时存在对流量控制的不确定性和盲目性，无法准确指导生产适应不同压力范围、不同设计流量的产品[23]。为了使螺旋对冲流道在一定压力范围内的出流流量更接近于设计流量，本文以消能器在不同压力下出流量偏离设计流量的程度（设计流量变异系数q）作为根灌器水力性能的评价指标，具体计算方法见式（1）。q越小，表明根灌器的出水流量越接近设计流量，其相应根灌器的灌水效果越好。

其中：

式中：为流量标准偏差（L/h）；r为设计流量（L/h），本文取q=15 L/h；q为实测出流流量（L/h）；为试验组数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

设计流量变异系数越小，说明不同压力对应的流量越接近设计流量，对应的灌水均匀度越高，灌水效果越好，因此以设计流量变异系数为因变量，以流道参数：分流角、流道宽、流道单元数、弯道直段长1、汇流段长2、弯道半径为自变量，50～250 kPa压力范围内进行初步预研试验，结果发现当30°<<60°、0.5 mm<<2.5 mm、10<<50、5 mm<1<13 mm、2 mm<2<10 mm、0.75 mm<<1.75 mm时，设计流量变异系数较小，以此为依据，以该范围作为单因素试验的取值范围，在该取值范围内将各参数等间距设置5个水平，采用单因子试验法，假定各参数不存在交互作用，当改变其中1个参数时，其他参数保持中间水平值开展试验。

单因素试验结果如图4。由图4可以看出，q随、和的增加均呈先减后增的趋势，这是由于分流角越小，弯道段与直道段末端夹角越接近180°，分流前的水流惯性作用下，流入弯道段始端的水流越大，其末端水流越易流入直道段，导致直道段易产生反向水流，使反向水流再次进入弯道段首端产生循环流，流量随之下降。当较小时，流量小于设计流量，流量随着的增加而增加，越来越靠近设计流量，设计流量变异系数随之减少，当流量值超过设计流量后，随着的继续增加，单元流道内的循环流逐渐减弱，流量值继续增加，越来越偏离设计流量，设计流量变异系数随之增大。同理，流道宽越大，过水断面面积越大，流量随之变大，随着的增加，流量相对设计流先逐渐靠近再逐渐偏离的过程，导致q随的增加先减后增。而流道单元数越大，能量损失越大，其流量越小，当流道单元数较小时，流量大于设计流量，随着的增大，流量逐渐变小，流量相对设计流量先逐渐靠近再逐渐偏离的过程，导致q随的增加也呈先减后增的趋势。其中q随的变化率最大，这是由于流道宽变化引起过水断面的变化，对流量变化影响较大，由此引起的设计流量变异系数变化率也较大。而q随12和的变化均未发生明显变化，说明是引起q变化的主要因素，12对q的影响可忽略。

2.2 响应面试验结果分析

本文以q作为流道参数优化的评价指标。选取影响设计流量变异系数的主要参数作为响应面试验的因素，由单因素试验结果可知，当分别在30°<<45°，1 mm<<2 mm，10<<40范围时，进口压力为50～250 kPa，q均能获得较小值（0.280

图4 单因素对设计流量变异系数的影响

表1 响应面试验因素及水平

根据表1的因素及水平，采用 Design Expert 11设计软件得到响应面试验方案，具体见表2。实际灌溉中因水压条件、输水管道水头损失及地形变化等原因，使不同区域输水管网压力不同，50～250 kPa压力区间范围较大，若优化得到的同一流道方案在全压力区间使用，其流量差异过大导致灌水均匀度不高，本文将该全压力区间分为低压区（50～150 kPa）和高压区（150～250 kPa）分别进行优化，可根据管网压力区间选取适宜的消能器，以提升不同压力区间最优消能器流道的水力性能，基于表2中的试验方案开展试验，并根据式（1）计算出不同方案在不同压力区间的设计流量变异系数如表2所示。

为了直观反映3个主要参数之间的交互作用对设计流量变异系数q的影响，基于响应面结果绘制了各因素与响应值之间的响应面和等高线图，某一压力区间在共3个水平取值条件下，可形成9个响应面，通过对比发现，当其中1个自变量变化时，q对另2个自变量的响应面存在差异，但其变化规律一致，限于篇幅，分析任意2个主要参数变化与设计流量变异系数的响应关系时，第3个因素取其中间水平，选取150～250 kPa压力区间设计流量变异系数响应面为例进行分析，由此分别绘制了图5。

表2 响应面试验方案及结果

图5 设计流量变异系数响应面及等高线图(150～250 kPa)

响应曲面沿某一变量方向的斜率越大，表明该变量对q的影响越大，由3个响应曲面可看出，q随的方向变化最剧烈，说明是引起q变化的主要因素，由图5（a）、图5（d）和图5（c）、图5（f）可知，在1 mm≤≤1.3 mm范围内，q随的增加而减小，这是由于该流道宽范围内消能器出流量整体小于设计流量，随着流道宽的增加，过水断面面积增加，不同压力条件下的流量值越来越接近设计流量，导致设计流量变异系数逐渐减小。在1.3 mm≤≤2 mm范围内，不同压力对应的流量值随着流道宽的继续增加而增加，越来越偏离设计流量，导致设计流量变异系数逐渐增大，由此可初步判断，高压区当流道宽取值靠近1.3 mm时，能获得较小的设计流量变异系数；由图5（a）可看出，在1 mm<<1.68 mm范围内，q随的增加呈先减后增趋势，而在1.68 mm<<2 mm范围内，q随的增加仅呈上升趋势，表明q随的变化趋势随b的取值变化而不同。同理，由图5（b）、5（c）可知，q随某2个因素的变化趋势因第3因素的影响而不同，表明3个主要参数对设计流量变异系数的影响存在一定的交互作用，在任意2个主要参数取值范围内的交互作用下，均出现了极小值点（等高线图椭圆中心点），如图5（a）中当=41.4°、=1.3 mm时，图5（b）中当=44°、=35时，图5（c）中当=1.3 mm、=30时，设计流量变异系数最小，说明在本试验参数取值范围内，通过寻优可获得q最小时对应的最优方案。

2.3 设计流量变异系数回归模型及方差分析

对表2中17组响应面试验结果，采用Design Expert软件多元回归，发现、、与q有良好的二次函数关系，得到低压区和高压区q的回归模型如下。

对回归模型进行方差分析和回归系数显著性检验如表3所示，回归模型的值均大于(2,15)0.01，说明设计流量变异系数在2个压力区间的回归模型均为高度显著。值通常用来检验变量的显著性，当<0.05时，模型显著，当<0.01时，模型极显著，由表3可知，在2个压力区间设计流量变异系数的回归模型的一次项、交互项与二次项均为极显著因素，说明3个主要参数及其交互作用对设计流量变异系数都有极显著影响，且主要参数与设计流量变异系数存在显著的二次函数关系。2个模型的复相关系数（2）分别为0.996 7、0.997 1，其复相关系数（2）与调整后的复相关系数（Adj2）差值均小于0.2，表明各式中因变量与自变量之间的相关关系较好，说明在本试验参数取值范围内，可用回归模型（3）、模型（4）对设计流量变异系数进行预测，预测模型为参数寻优提供了基础。

表3 Box-Benhnken响应面试验结果方差分析

注 *为显著（<0.05）；**为极显著（<0.01）。

2.4 流道参数优化

为获得不同压力区间最小设计流量变异系数对应的最优流道参数组合，本试验以响应面试验方案因素的取值范围为约束条件，以设计流量变异系数最小为优化目标，通过响应面优化求解分别得到低压区的优化方案S1和高压区的优化方案S2，得到S1的流道参数组合为：=37.35°、=1.84 mm、=40，S2的流道参数组合为：=42.77°、=1.34 mm、=28。为验证优化结果的可靠性，对2个压力区间的优化方案采用3D打印并进行水力性能试验，得到其流量-压力关系，计算得到其设计流量变异系数q实测值，并与预测值进行对比（图6），由图6可知，方案S2的q要小于S1，这是由于流速随着压力的增加而增加，水头损失也随之增加，动能损失随之增加，随着进口压力的上升，高压区的流量增幅也随之降低，高压区的流量相对设计流量的分布更集中，说明高压区的灌水均匀度要优于低压区。2个方案q预测值与实测值相对误差分别为2.8%、2.3%，说明设计流量变异系数的优化结果可靠。

图6 优化方案的流量-压力曲线及设计流量变异系数

3 讨 论

本研究提出的新型果树根灌器在砂质壤土条件下的设计流量为15 L/h，而大多数灌水器设计流量约1～8 L/h（例如地埋式内镶贴片滴灌灌水器额定流量为1.38 L/h[17]，涌泉根灌单点源入渗的设计流量约为4～8 L/h[4]，微孔混凝土灌水器设计流量约3.06～3.78 L/h[7]），相对常规灌水器具有流量大、灌水时间短的特点。在实际灌溉中供水管网存在沿程压差，若要使每颗果树根灌器的进口流量更接近设计流量，则需在进口与灌水环之间采用合适的流道形式，并且水流在该流道内需产生较大的能量损失。有研究表明，氢气在多级特斯拉阀流道[24]内能产生较大的能量损失，受到该启发，基于特斯拉阀流道能量耗散及压降原理，结合根灌器进口处的圆管特征，提出了一种新型螺旋对冲流道，大量前期研究试验结果表明，该流道具有较高的消能率，为了使一定压力范围内的水经过该流道后更接近设计流量，本研究围绕螺旋对冲流道各几何参数对设计流量变异系数的影响开展了单因素试验，结果表明，引起设计流量变异系数变化的主要影响参数为分流角、流道宽及流道单元数，弯道直段长、弯道半径、汇流段长的影响可忽略不计，而弯道直段长、弯道半径、汇流段长是引起流道长度的关键参数（即引起沿程水头损失变化的关键参数），说明螺旋对冲流道的沿程水头损失相对局部水头损失可忽略不计，这与郭霖等[23]在滴灌双向对冲流灌水器流道水头损失的研究结果一致。由此可初步判断，该流道主要在回流对冲、水流急转等部位产生局部水头损失，从而达到能量耗散并稳定流量的效果，后续针对螺旋对冲流道的局部结构优化过程中，可从该思路出发，结合流体动力学理论，通过改变流道内部结构增加水流的能量耗散，降低其设计流量变异系数，以提高水力性能。

为提高螺旋对冲流道的优化效率，避免试验过程中的制造偏差和人为误差，后续可采用CFD数值模拟与试验相结合的方法，对该流道的消能机理等方面开展进一步研究，且本试验结果可为该流道采用CFD进行单相流数值模拟验证提供数据支撑；除了考虑其较优的水力性能外，流道的抗堵塞性能是灌水器灌水性能优劣的重要评价指标，灌水器流道的低速涡流区是产生堵塞的高风险区[25]，后续针对螺旋对冲流道的抗堵塞性能研究中，结合CFD数值模拟的方法，探明该流道内部的低速涡流区，通过优化流道结构降低堵塞风险，以水力性能及抗堵塞性能2个评价指标对螺旋对冲流道进行多目标优化，可为该流道在果树根灌器或其他类型灌水器的应用提供参考。

本试验优化得到的低、高压区的优化方案S1和S2，其流态指数分别为0.498和0.515，如果以流态指数作为灌水器水力性能的评价指标，则S1优于S2，但以设计流量变异系数作为评价指标，则S2优于S1，从图6也可看出，S2在不同压力区间的流量值相对设计流量的分布较S1更集中，说明高压区内同一压差范围内的不同流量更接近设计流量，S2的灌水效果必然优于S1，说明在灌水器流道的设计阶段，如果采用流态指数对水力性能进行评价，就忽略了灌水器的设计流量，对流量的控制存在一定的盲目性，如果一味地追求较小的流态指数，流量可能较大程度上偏离了需要的设计流量，这与郭霖等在滴灌双向对冲流灌水器流道优化中的研究结论一致[23]。而对于成熟的灌水器产品，绝大多数采用流态指数评价其水力性能，这是由于成熟的灌水器在额定压力条件下的额定流量为定值，无需考虑对流量范围的控制，流态指数越小，一定压力范围内的流量与额定流量偏差就越小，其灌水均匀度更高。因此，不同场景选取适宜的评价指标也十分重要。

4 结 论

1）分流角、流道宽、流道单元数是引起设计流量变异系数变化的主要参数，而弯道直段长汇流段长弯道半径的影响可忽略不计。

2）分流角、流道宽、流道单元数对设计流量变异系数的影响存在交互作用，设计流量变异系数随分流角、流道宽、流道单元数的增加均呈先减后增趋势，响应曲面均存在极小值点，说明在本试验参数取值范围内，通过寻优可获得设计流量变异系数最小时对应的最优方案。

3）低、高压区的设计流量变异系数与分流角、流道宽、流道单元数存在显著的二次函数关系，回归模型复相关系数分别为0.996 7、0.997 1，与调整后的复相关系数差值均小于0.2，可用设计流量变异系数回归模型对设计流量变异系数进行预测。

4）高压区最优方案的设计流量变异系数要小于低压区，说明高压区的灌水效果要优于低压区，低、高压区的优化方案设计流量变异系数预测值与实测值相对误差分别为2.8%、2.3%，设计流量变异系数优化的结果可靠。

[1] DU Shaoqing, KANG Shaozhong, LI Fusheng, et al. Water use efficiency is improved by alternate partial root-zone irrigation of apple in arid northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2017, 179: 184-192.

[2] 何振嘉, 范王涛, 杜宜春, 等. 涌泉根灌节水灌溉技术特点、应用及展望[J]. 农业工程学报, 2020, 36(8): 287-298.

HE Zhenjia, FAN Wangtao, DU Yichun, et al. Characteristics, application and prospects of bubbled-root irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(8): 287-298.

[3] DAI Zhiguang, FEI Liangjun, LI Ping, et al. Suitable strategy of water–nitrogen management for surge-root irrigation of jujube in China[J]. Agronomy Journal, 2018, 110(4): 1 390-1 401.

[4] 何振嘉. 涌泉根灌单点源入渗湿润体特性研究[J]. 灌溉排水学报, 2018, 37(S1): 34-37.

HE Zhenjia. Characteristics of wetting body under bubbled-root irrigation point source infiltration[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(S1): 34-37.

[5] 白丹, 孙淑贞, 任培琦, 等. 地下灌竖管灌水器湿润体时空变化规律[J]. 农业工程学报, 2018, 34(7): 107-113.

BAI Dan, SUN Shuzhen, REN Peiqi, et al. Temporal and spatial variation of wetting volume under sub-irrigation with vertical emitter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(7): 107-113.

[6] CAI Yaohui, WU Pute, ZHANG Lin, et al. Simulation of soil water movement under subsurface irrigation with porous ceramic emitter[J]. Agricultural Water Management, 2017, 192: 244-256.

[7] 李向明, 杨建国. 微孔混凝土灌水器制备工艺与性能研究[J]. 农业机械学报, 2016, 47(7): 176-182.

LI Xiangming, YANG Jianguo. Preparation and performance study on microporous concrete irrigation emitters[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 176-182.

[8] 全天惠, 周梦娜, 杨庆理, 等. 微润管长期出水性能试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2017, 36(S1): 23-26.

QUAN Tianhui, ZHOU Mengna, YANG Qingli, et al. Study on the long-term water yield characteristic of moistube[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(S1): 23-26.

[9] 赵伟霞, 张振华, 蔡焕杰, 等. 间接地下滴灌土壤湿润体特征参数[J]. 农业工程学报, 2010, 26(4): 87-92.

ZHAO Weixia, ZHANG Zhenhua, CAI Huanjie, et al. Characteristic parameters of soil wetted volume under indirect subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(4): 87-92.

[10] 李朝阳, 王兴鹏. 果树根部加压注水灌溉对土壤特性及水势分布的影响[J]. 灌溉排水学报, 2014, 33(3): 122-125.

LI Zhaoyang, WANG Xingpeng. The Influence of forcing injection irrigation in root on soil characteristics and soil water potential[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(3): 122-125.

[11] 马丽, 孙西欢, 马娟娟, 等. 供水压力对新型插入式灌水器入渗特性的影响[J]. 节水灌溉, 2021(1): 39-45.

MA Li, SUN Xihuan, MA Juanjuan, et al. Effect of water supply pressure on the infiltration characteristics of a new insertion subsurface emitter[J]. Water Saving Irrigation, 2021(1): 39-45.

[12] PARTH Kapupara, HINA Bhatu, JAY Gohel. Study of the hydraulic performance parameters of the drip irrigation system at various operating pressures[J]. Agricultural Science Digest, 2021(41): 89-92.

[13] 杨彬, 张赓, 王建东, 等. 齿型迷宫流道灌水器水力性能数值模拟研究[J]. 灌溉排水学报, 2019, 38(4): 71-76.

YANG Bin, ZHANG Geng, WANG Jiandong, et al. Numerical simulation of hydraulic performance of tooth-form channel of labyrinth emitter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(4): 71-76.

[14] WANG Cuncai, LI Zhiqin, MA Juanjuan. Influence of emitter structure on its hydraulic performance based on the vortex[J]. Agriculture, 2021, 11(6): 508.

[15] ZHOU Wei, ZHANG Lin, WU Pute, et al. Hydraulic performance and parameter optimisation of a microporous ceramic emitter using computational fluid dynamics, artificial neural network and multi-objective genetic algorithm[J]. Biosystems Engineering, 2020, 189: 11-23.

[16] WANG Jian, CHEN Rui, YANG Ting, et al. A computationally-efficient finite element method for the hydraulic analysis and design of subsurface drip irrigation subunits[J]. Journal of Hydrology, 2021, 595(1): 125 990.

[17] 曹林宽, 郄志红, 吴鑫淼. 地埋式内镶贴片滴灌灌水器水力性能模拟研究[J]. 灌溉排水学报, 2019, 38(6): 73-79.

CAO Linkuan, QIE Zhihong, WU Xinmiao. Numerical study of the hydraulic performance of the subsurface inlay drip irrigation emitter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(6): 73-79.

[18] YAO Chunping, ZHANG Lin, WU Pute, et al. Clogging formation and an anti-clogging method in subsurface irrigation system with porous ceramic emitter[J]. Agricultural Water Management, 2021, 250(6): 106 770.

[19] RESKIANA Saefuddin, HIROTAKA Saito, JI Šimůnek. Experimental and numerical evaluation of a ring-shaped emitter for subsurface irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2019(211): 111-122.

[20] RESKIANA Saefuddin, HIROTAKA Saito. Performance of a ring-shaped emitter for subsurface irrigation in bell pepper (Capsicum annum L.) cultivation[J]. Paddy and Water Environment, 2019(17): 101-107.

[21] 张军. 根区加压注灌器水力特性及灌溉对枣树生理特性的影响[D]. 阿拉尔: 塔里木大学, 2015.

ZHANG Jun. Hydraulic characteristics of water injection and the effect of injection irrigation on jujube's physiological characteristic[D]. Ala’er: Tarim University, 2015.

[22] 李琳, 张军, 冯诗媛, 等. 一种果树根部灌水器: CN214853388U[P]. 2021-11-26.

LI Lin, ZHANG Jun, FENG Shiyuan, et al. A type of fruit tree root emitter: CN214853388U[P]. 2021-11-26.

[23] 郭霖. 滴灌双向对冲流灌水器水力特性与流道结构优化研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2018.

GUO Lin. Study on hydraulic characteristic and flow channel structural optimization of two-ways mixed flow emitter in drip irrigation[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2018.

[24] QIAN Jinyuan, CHEN Minrui, GAO Zhixin, et al. Mach number and energy loss analysis inside multi-stage Tesla valves for hydrogen decompression[J]. Energy, 2019, 179: 647-654.

[25] XU Tianyu, ZHANG Lixiang. Influence and analysis of structure design and optimization on the performance of a pit drip irrigation emitter[J]. Irrigation and Drainage, 2020, 69(4): 633-645.

Optimizing Geometrical Parameters of the Flow Channel in the Root-irrigation Emitters

ZHANG Jun1,2, LI Lin1,3*

(1. College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Xinjiang Institute of Technology, Aksu 843000, China;3. Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention, Urumqi 830052, China)

【Objective】The study is to present a new root-zone irrigation emitter and investigate the influence of the geometrical parameter of its spiral-hedge flow channel on hydraulic performance of the emitter. 【Method】The assessment is based on the variation coefficient of the design flow (q). Using single factor and the response surface test method, we studied experimentally how design parameters of the helical hedge flow channel affectq. We then established and verified a regression model to calculate the variation ofqwith operating and design parameters, from which we proposed how to optimize the flow channel parameters with minimizingqas the optimization objective. 【Result】The design parameters that affectqmost are flow channel width, the shunt angleand number of flow channel units. In contrast, the effect of straight section length1, the bend radiusand the convergence section length2is negligible. The effect of,andonqis confounding. With the increase in,and,qdecreases first and then increases once it reaches the minimal value.qvaries with,quadratically when the operating water pressure was low or high, with their associated correlation coefficient (2) being 0.996 7 and 0.997 1 respectively. The difference between the adjusted correlation coefficients is less than 0.2. Theqobtained from the optimal solution for the high operating water pressure is smaller than that for the low pressure, and the relative errors between the predicted and measuredqfor the two pressure zones are 2.8% and 2.3%, respectively.【Conclusion】The regression model for variation ofqwith operating and design parameters is reliable, and the spiral hedge flow channel works better under high water pressure than under low water pressure.

root emitter for fruit trees; spiral hedge flow channel; geometrical parameter; hydraulic performance; response surface method

1672 - 3317（2022）07 - 0057 - 08

S275.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022157

张军, 李琳. 流道参数对新型根灌器水力性能的影响及优化[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(7): 57-64.

ZHANG Jun, LI Lin. Optimizing Geometrical Parameters of the Flow Channel in the Root-irrigation Emitters[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 57-64.

2022-03-24

新疆农业大学研究生“水利工程”重点学科研究项目（SLXK-YJS-2019-03）

张军（1987-），男。讲师，博士研究生，主要从事节水灌溉技术及水力学研究。E-mail: xjit_zj@163.com

李琳（1979-），女。教授，博士，博士生导师，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail: lilin_xjau@163.com

责任编辑：赵宇龙