基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道

摘要

本发明涉及滴灌领域，具体为一种基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道。本发明包括仿生灌水器本体和设置在仿生灌水器本体内部的仿生抗堵流道；仿生灌水器本体上设置有入水口和出水口；仿生抗堵流道由若干个仿生灌水器流道单元依次串联组成；仿生灌水器流道单元的俯视投影呈箭头状，前端尖头开口形成入口流道，后端竖直段开口形成出口流道，中部设置仿鲨鱼背鳍结构；仿鲨鱼背鳍结构与仿生灌水器流道单元同对称轴布置，仿鲨鱼背鳍结构两侧与仿生灌水器流道单元侧壁形成对称的两个背鳍流道，入口流道分别经两个背鳍流道与出口流道连通形成主流道，背鳍流道与出口流道的连通流道外侧壁面呈弧形结构。本发明提高了灌水器抗堵性能，适应范围较广。

说明书

技术领域

本发明涉及滴灌领域，具体为一种基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道。

背景技术

我国干旱、半干旱土地面积占国土面积的一半以上，其中大部分地区水资源短缺，水体中杂质较多且含沙量高。尽管滴灌技术可以大幅提高灌溉水利用率，但在许多干旱地区灌溉水中的含沙量大，滴灌系统的终端——灌水器易结垢和堵塞。大面积的堵塞会使滴灌系统失效，这在很大程度上限制了灌水器的推广应用。此外，近些年国内一些地区提倡低压灌溉，更加提高了对灌水器抗堵塞性能的要求，因此亟需一种即使在灌溉水含沙量大的使用条件下，灌水器也难以堵塞的流道结构，来解决目前灌水器存在的极易结垢堵塞，应用范围小等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道，结构本身具有较小的阻力，可以在消耗水流能量的同时使水流携带沙粒快速通过流道单元，从而提高灌水器的抗堵性能，而且能够适应灌溉水含沙量大、低压灌溉、作物需水量较大灌溉的地区。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道，包括仿生灌水器本体和设置在仿生灌水器本体内部的仿生抗堵流道；

所述的仿生灌水器本体上设置有入水口和出水口；

所述的仿生抗堵流道由若干个仿生灌水器流道单元依次串联组成；所述仿生灌水器流道单元的俯视投影呈箭头状，前端尖头开口形成入口流道，后端竖直段开口形成出口流道，中部设置仿鲨鱼背鳍结构；第一个仿生灌水器流道单元的入口流道与入水口连接，最后一个仿生灌水器流道单元的出口流道与出水口连接；

所述的仿鲨鱼背鳍结构呈等腰三棱台，其与仿生灌水器流道单元同对称轴布置，仿鲨鱼背鳍结构两侧与仿生灌水器流道单元侧壁形成对称的两个背鳍流道，入口流道分别经两个背鳍流道与出口流道连通形成主流道，背鳍流道与出口流道的连通流道外侧壁面呈弧形结构。

进一步的，所述的仿鲨鱼背鳍结构后端的鳍尾平面与主流道底部相垂直，前端的背鳍前沿线与主流道底部呈锐角，鳍顶两侧边缘分别与同侧的鳍底边缘平行，且分别与同侧背鳍流道外侧边缘平行。

进一步的，所述的仿鲨鱼背鳍结构的鳍尾顶部宽度范围为0.5～0.8mm，鳍顶长度范围为0.85～1.0mm，背鳍前部倾角范围为65°～80°。

进一步的，所述的仿生灌水器流道单元的长度范围为2～2.5mm，宽度为范围1.8～2.2mm，流道深度范围为0.8～1.1mm。

进一步的，所述的背鳍流道与出口流道的连通流道外侧壁面呈弧形结构呈圆弧形，圆弧半径范围为0.4～0.6mm。

进一步的，所述的出水口位于仿生灌水器本体的正面；所述的入水口位于仿生灌水器本体的背面。

进一步的，所述的入水口处设置有入水栅格。

进一步的，所述依次串联的若干个仿生灌水器流道单元中设置有弧形的转向流道，转向流道的一端连接上一级仿生灌水器流道单元的出口流道，另一端连接下一级仿生灌水器流道单元的入口流道。

更进一步的，所述的入口流道、出口流道和转向流道的宽度相等，背鳍流道的宽度小于入口流道宽度且两个背鳍流道的宽度之和大于入口流道宽度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明打破了传统的灌水器流道设计思路，通过仿生灌水器流道单元中部增加仿鲨鱼背鳍结构，将入口流道分流为两个背鳍流道，使紧贴该仿生结构的背鳍流道中的高速流动水流携带沙粒迅速通过流道，沙粒在高速流动的水体中难以沉积，大幅提升了灌水器的抗堵性能；同时，仿鲨鱼背鳍结构后方由弧形结构形成的涡旋可以冲洗壁面，进一步提高了抗堵性能，被仿鲨鱼背鳍结构分开的水流在下一个主流道处汇合，汇合的方向相反，消耗了水流能量；而且仿鲨鱼背鳍结构后方由弧形结构形成的涡旋也可以消耗水流能量，提高了水力性能，能够适应灌溉水含沙量大、低压灌溉、作物需水量较大灌溉的地区。

进一步的，参照鲨鱼背鳍结构设计仿生灌水器流道单元中部的仿鲨鱼背鳍结构，鳍尾平面与主流道底部相垂直，前端的背鳍前沿线与主流道底部呈锐角，同时鳍顶面积小于鳍底面积，使得其能够更好的降低水流阻力，提高通过性能，强化水流的冲洗作用。

附图说明

图1为本发明实例中所述的仿生灌水器本体的结构示意图。

图2为本发明实例中所述的仿生灌水器本体的背部结构示意图。

图3为本发明实例中所述的仿生抗堵流道内部流体示意图。

图4为本发明实例中所述的仿生灌水器流道单元的结构示意图。

图5为本发明实例中所述的仿生抗堵流道的部分仿生灌水器流道单元内流体数值模拟流场速度分布图。

图6为本发明实例中所述的仿生抗堵流道的数值模拟沙粒运动轨迹图。

图7为本发明实例中所述的仿生抗堵流道的数值模拟与实际实验的压力-流量关系曲线图。

图中：1-仿生灌水器本体，2-仿生灌水器流道单元，3-仿生抗堵流道，4-入水栅格，5-出水口，6-入水口，7-仿鲨鱼背鳍结构，8-入口流道，9-出口流道，10-背鳍流道，11-尾面，12-背鳍前沿线，13-转向流道，W1-鳍尾顶部宽度，W2-主流道宽度，L-鳍顶长度，α-背鳍前部倾角。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道，如图1所示，包括仿生灌水器本体1和基于鲨鱼背鳍结构设计的仿生抗堵流道3；本发明对鲨鱼背鳍进行仿生，在垂直平面上呈流线形、水平平面上呈锐角三角形，可以打破和流体在流动过程中逐渐增厚的附面层，减小黏性阻力，抑制尾部流动分离，从而具有低流动阻力的特征；该仿生形状能够有效地引导气流，使流体的运动更加顺畅。

如图1和图2所示，所述的仿生灌水器本体1上设有入水口6、出水口5以及多个仿生灌水器流道单元2，所述的仿生抗堵流道3位于仿生灌水器本体1正面；所述的仿生灌水器本体1上设有入水栅格4、出水口5；所述的出水口5位于仿生灌水器本体1的正面，所述的仿生灌水器流道单元2分别与入水口6和出水口5相连通；所述的入水口6位于仿生灌水器本体1的背面。

如图4所示，所述的仿生灌水器流道单元2的正向投影呈箭头状，前端尖头开口形成入口流道8，后端竖直段开口形成出口流道9，外侧后部采用弧形结构，圆弧半径范围为0.4～0.6mm；仿生灌水器流道单元2的长度范围为2～2.5mm，宽度范围为1.8～2.2mm，流道深度范围为0.8～1.1mm；仿生灌水器流道单元2中部设置仿鲨鱼背鳍结构7；

其中，所述的仿鲨鱼背鳍结构7仿照鲨鱼背鳍结构而设计，仿鲨鱼背鳍结构7呈等腰三棱台，其与仿生灌水器流道单元2同对称轴布置，仿鲨鱼背鳍结构7两侧与仿生灌水器流道单元2侧壁形成对称的两个背鳍流道10，入口流道8分别经两个背鳍流道10与出口流道9连通形成主流道，背鳍流道10与出口流道9的连通流道外侧壁面呈弧形结构；所述的仿鲨鱼背鳍结构7的鳍尾顶部宽度范围为0.5～0.8mm，鳍顶长度范围为0.85～1.0mm，背鳍前部倾角范围为65°～80°。

其中，因仿生灌水器流道单元2中部设置了仿照鲨鱼背鳍结构而设计的仿鲨鱼背鳍结构7，该流线型结构可以降低水体流动阻力，引导水流迅速通过流道，且在仿鲨鱼背鳍结构7后方形成了两个涡旋，可以防止沙粒在流道内部沉积，达到了防止灌水器流道堵塞的目的。

如图3和图4所示，依次串联的若干个仿生灌水器流道单元2中还设置有弧形的转向流道13，转向流道13的一端连接上一级仿生灌水器流道单元2的出口流道9，另一端连接下一级仿生灌水器流道单元2的入口流道8，从而形成呈U型的仿生抗堵流道3；转向流道13一侧的仿生抗堵流道3内流体方向与另一侧的仿生抗堵流道3内流体方向相反；入口流道8、出口流道9和转向流道13的宽度相等，背鳍流道10的宽度小于入口流道宽度且两个背鳍流道10的宽度之和大于入口流道宽度。背鳍流道10的宽度略窄于主流道宽度且不小于0.4mm，更好的是不小于0.5mm。

如图2所示，在入水口6处设置的入水栅格4可以有效拦截杂质进入仿生灌水器流道单元2内，保证了流道顺畅性。

本实施例通过采用由22个仿生灌水器流道单元2组成的仿生抗堵流道3进行具体描述，如图1所示，本发明基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道，包括仿生灌水器本体1，所述的仿生灌水器本体1上设有入水栅格4、出水口5、以及由22个仿生灌水器流道单元2组成的仿生抗堵流道3；所述的出水口5位于仿生灌水器本体1的正面；如图2所示，还包括入水口6，所述的入水口6位于仿生灌水器本体1的背面；所述的仿生抗堵流道3分别与入水口6和出水口5相连通；

本优选实例在以上范围的基础上以具体的设计尺寸为例进行说明，其中，所述的仿生灌水器流道单元2总长为2.25mm，宽为2mm，其中部设有仿照鲨鱼背鳍结构而设计的仿鲨鱼背鳍结构7，其后端的鳍尾平面11与主流道底部相垂直，前端的背鳍前沿线12与主流道底部呈锐角，鳍顶两侧边缘分别与同侧的鳍底边缘平行，且分别与同侧背鳍流道10外侧前部边缘平行；结合鲨鱼背鳍尺寸和传统的灌水器流道结构尺寸，如图4所示，本实施例中仿鲨鱼背鳍结构7鳍尾顶部宽度W1设计为0.6mm，鳍顶长度L为0.9mm；所述的仿鲨鱼背鳍结构7后端的鳍尾平面11与主流道底部相垂直，前端的背鳍前沿线12与主流道底部呈锐角，即背鳍前部倾角α为77°，鳍顶两侧边缘分别与同侧的鳍底边缘平行，且鳍顶两侧边缘分别与同侧背鳍流道10外侧前部边缘平行，主流道宽度W2为0.66mm，两个背鳍流道10的宽度略窄于主流道宽度W2且不小于0.5mm；所述的仿生灌水器流道单元2外侧后部结构设计为半径是0.5mm的弧形结构。

参见图5，本发明采取了和实际一致的数值模拟方法，对所述的灌水器流道内流体速度分布进行了模拟仿真，通过观察图5可知水流在主流道内快速流动，到达仿鲨鱼背鳍结构7后紧贴背鳍结构两侧仍然保持较高速度流动，在仿生灌水器流道单元2外侧后部弧形结构的作用下，水流在下一个主流道处呈相反方向汇合，在该过程中由于水流始终保持较高速率，因此沙粒难以沉积，且最终的反向汇合较大程度上消耗了水流能量；此外仿鲨鱼背鳍结构7后部形成了涡旋，其随水流扰动而不断变化，不存在死角，所以沙粒不容易在此处发生沉积，且涡旋的产生对流道有一定的冲刷作用，有利于提高粒子运输能力，从而提高灌水器抗堵性能。

参见图6，本发明对所述的灌水器流道内的颗粒运动轨迹进行了模拟仿真，发现沙粒在水流的携带下快速通过仿生抗堵流道3，沙粒在通过仿鲨鱼背鳍结构7的一侧后直接进入下一单元的主流道或经过与后部弧形结构碰撞后进入下一单元主流道，因此本发明所述的基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道具有较强的抗堵塞能力。

参见图7，本发明对所述灌水器通过数值模拟与实际实验得到了压力-流量关系曲线图，图7中的横坐标为入水压力p(kPa)，纵坐标为出水流量Q(L/h)，可以得到流态指数为0.4945，符合灌水器的水力性能要求；通过观察图7可以发现本发明所述的基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器适合需水量较大的作物，也可以在低压灌溉条件下使用。