ICS65.060.CCSB91DesignmethodofpressurecompensationflatemitterIT/SDMT0021—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別這些專利的責任。本文件由山東省機械工業科學技術協會提出并歸口。本文件起草單位：西北農林科技大學、山東農業工程學院、山東春雨節水灌溉設備有限公司。本文件主要起草人：杜婭丹、牛文全、董愛紅、李震、張亮。1T/SDMT0021—2024壓力補償式扁平滴頭設計方法本文件規定了壓力補償式扁平滴頭的術語和定義、標記、技術要求、結構設計和評價指標。本文件適用于壓力補償式扁平滴頭的設計、試驗。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T19812.2—2017塑料節水灌溉器材第2部分：壓力補償式滴頭及滴灌管GB/T19812.5—2019塑料節水灌溉器材第5部分：地埋式滴灌管SL571—2013節水灌溉設備水力基本參數測試方法3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1壓力補償式扁平滴頭pressurecompensationtypeflatemitter能直接內鑲在灌溉毛管內壁上形成一體化滴灌帶，外型呈扁平、薄片狀，且具有壓力補償特征的滴頭。滴頭主要由固定流道與可變形流道2個部分組成。其中，固定流道采用低密度聚乙烯材料注塑而成，可變形流道由TPE或者硅橡膠材料注塑而成。3.2壓力補償特征pressurecompensationcharacteristics進水口壓力在制造廠規定的范圍內變化時，滴頭流量隨壓力變化波動較小且趨于平穩的特點，滴頭流量偏差Qf最大不應大于7%。Qf100%（1）Q——補償區間內的最大或者最小流量：L/h；Q0——額定流量：L/h。3.3流態指數flowindex反映滴頭流量隨壓力變化的敏感性，體現滴灌產品的流態特征及流量與壓力的關系，流態指數為0～1（絕對值流態指數越大，滴頭流量對壓力的變化越敏感。當流態指數為0時，為完全補償滴頭，當流態指數小于0.5時，為強制紊流滴頭。3.4起調壓力startingpressure將流量明顯出現拐點時的壓力作為壓力補償式圓柱滴頭的起調壓力，一般不應大于100kPa。3.52T/SDMT0021—2024補償區間compensationinterval當壓力超過某一壓力后，按照式（1）計算該壓力下壓力補償式扁平滴頭的流量偏差超過20%時，起調壓力與該壓力之間的范圍定義為滴頭的補償區間。3.6CFD仿真模擬ComputationalFluidDynamicsCFD是一種模擬仿真技術，利用計算機求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術，這其中將涉及流體力學(尤其是湍流力學)、計算方法乃至計算機圖形處理等技術。包括ANSYSFluent、cfx、STAR-CCM、comsol、OpenFOAM、Phoenics等。4標記每個壓力補償式紐扣滴頭應有清晰耐久的標記，至少應包括下列：——額定流量：L/h；——壓力補償范圍，工作壓力除以100kPa得到的倍數值。5技術要求5.1材料制造滴頭（含彈性膜片）所用的材料應能耐受農業灌溉用肥料和農藥的腐蝕，并能在水溫不超過45℃的條件下使用。應耐紫外線輻射，并能抑制藻類和細菌的生長。不能使用醫用廢棄物和有毒有害的化學品包裝物所產生的回收料。5.2外觀滴頭色澤應均勻一致，表面光滑無毛刺，不應有氣泡、裂口、溢邊、缺損、變形。滴頭應安裝準確、鑲嵌牢固、平整，不應有滴頭漏嵌、翹曲及鑲嵌不到位的缺陷。5.3尺寸5.3.1規格尺寸及其極限偏差a）滴灌帶的公稱外徑及其極限偏差應符合表1規定。表1滴灌帶公稱外徑及其極限偏差單位為毫米0b）滴灌帶的公稱壁厚及其極限偏差應符合表2規定。表2滴灌帶公稱壁厚及其極限偏差單位為毫米5.3.2滴頭間距偏差率滴灌帶滴頭間距偏差率應在±5%的范圍內。5.3.3每卷段數、每段長度及每卷長度偏差率a）每卷段數、每段長度及每卷長度偏差率應符合表3規定。表3每卷段數、每段長度及每卷長度偏差率3T/SDMT0021—2024>1000mb）一般情況下，卷中的接頭應接通，未接通時應有明顯標識。5.4耐拉拔性能滴頭應能承載規定的荷載，試驗時滴頭與管壁粘結處不應發生脫開、斷裂現象。滴灌管試樣在23℃±2℃的試驗溫度下，應能承受規定的載荷而不出現斷裂現象，試驗前后標線間距的變化量應不大于5%，試驗前后流量偏差率應在±5%的范圍內。5.5耐水壓性能滴頭與管道連接的組合體應能承受2倍的額定工作壓力，保持該壓力1h，試樣不應出現損壞現象。試驗前后每個滴頭的流量偏差率應在±7%的范圍內。5.6流量均勻性額定工作壓力下，滴頭的平均流量相對于額定流量的偏差和流量偏差系數應不大于7%。5.7滴頭流量與進水口壓力關系5.7.1壓力與流量關系曲線壓力補償范圍內，流量與進水口壓力關系曲線應與設計值一致，二者流量的最大偏差應不大于7%。5.7.2流態指數滴頭流態指數應在±0.20范圍內。流態指數實測值與設計值的偏差應不大于15%。5.7.3壓力補償區間壓力補償范圍內最大與最小工作壓力值得差值應不小于150kPa。6結構設計6.1壓力補償式扁平滴頭外形尺寸確定由用戶給定所需要設計滴頭的外形尺寸，包括長度、寬度和厚度。一般壓力補償式扁平滴頭厚度取值范圍為3mm～4mm，寬度取值范圍為4mm～7mm，長度取值范圍為22mm～30mm。對于特殊要求的，在盡量滿足用戶需求的基礎上，先試算確定流道結構布置的可行性。6.2設計流量、起調壓力和補償區間的確定由用戶給定所需的滴頭流量（設計流量）、起調壓力及補償區間。如果設計流量過小、用戶給定的滴頭外形尺寸也過小，需要優先試算迷宮流道布置的可行性。如果外形尺寸和滴頭流量無法同時滿足，建議用戶調整外形尺寸或者設計流量。一般滴頭設計流量取值為0.6L/h～4.0L/h，起調壓力在40kPa～100kPa之間，補償區間應為150kPa～250kPa。6.3迷宮流道結構參數確定6.3.1迷宮流道長度的確定設計時，根據滴頭的外形尺寸和設計流量優先確定迷宮流道的長度，迷宮流道長度一般為30mm~40mm。6.3.2迷宮流道齒形確定4T/SDMT0021—2024如果用戶沒有特別要求，迷宮流道齒形狀一般選擇三角形齒，齒尖角在360～50°范圍內選擇，齒高在0.2mm～0.8mm之間選擇。6.3.3流道斷面面積確定斷面面積一般在0.5mm2～0.6mm2之間選擇確定，通過調整齒間距確定流道寬度，并與流道深度共同確定流道斷面面積，流道寬度和深度的比盡可能接近。6.3.4迷宮流道結構的確定和試算在迷宮流道長度、齒形狀、斷面積確定后，即確定了初始的迷宮流道，采用CFD模擬計算確定該結構迷宮流道在起調壓力下的流量是否為設計流量的105%～110%。試算的流量與設計流量偏差不大于3%時，即為合格，固定迷宮流道結構。如果試算的流量小于設計流量，則優先增大斷面面積或者單純增加流道深度；如果試算的流量大于設計流量，則優先減小斷面面積或者單純減小流道深度（不建議調整迷宮流道的其他結構然后再試算，通過多次調整—試算，直到流量達到設計要求。6.4彈性材料厚度和硬度的確定彈性材料厚度取值范圍一般為0.5mm～0.8mm。彈性材料硬度取值范圍一般為（25～60）邵氏硬度。初步給出彈性材料硬度和厚度后，與確定的迷宮流道進行CFD流固耦合計算，分別計算從起調壓力開始整個設定的補償區間內，每隔10kPa壓力間隔的滴頭流量。如果實際計算確定的起調壓力太大或者補償區間太小，優先調整彈性材料的硬度，建議每次調整幅度為5邵氏硬度，并進行CFD流固耦合計算，通過反復調整—試算，實際起調壓力不高于給定值的105%，且實際補償區間與給定值的偏差不大于5%時，即認為合格。6.5出口副流道的確定出口副流道由深度和寬度兩個參數確定，通過調整這兩個參數，使補償區間內的流態指數不大于0.20，推薦設計要求達到0.03以下。副流道深度和寬度應在不大于1.0mm之間調整，每次調整幅度為0.05mm。反復調整，并進行CFD流固耦合計算，求解流態指數，直到達標為止。6.6CFD數值模擬6.6.1滴頭內部流體與結構模型構建壓力補償式扁平滴頭流體—結構模型，運用三維設計軟件建立滴頭流體幾何模型和彈性體幾何模型；將模型導入相關軟件中進行模擬分析計算。6.6.2模型、邊界條件和基本參數的確定將流體視為不可壓縮粘性流體，彈性體選用Neo-HookeanM-R橡膠材料模型，確定泊松比、密度、彈性模量等，材料系數C1等于剪切模量的一半，C2等于零。選用SSTk-ω湍流模型，采用非定常的壓力速度耦合SIMPLEC算法。應用Transientstructure軟件模擬彈性體的變形；采用Systemcoupling軟件創建流體區域和結構區域的數據傳輸，位移和力的雙收斂精度為0.01。6.6.3網格劃分CFD計算采用Fluentmesh進行網格劃分，并進行無關性檢驗，以保證計算精度及適當的計算時間。采用Transientstructuremesh對彈性體模型進行網格劃分，彈性片與流體接觸面的網格尺寸與流體域網格尺寸一致，以保證流固耦合交界面數據傳輸的精確性，網格為四面體網格。6.6.4其他設定將流體入口設置為壓力入口，采用逐步增量加載方式，加載量由時間步長的函數和步數綜合控制，流體出口設置為大氣壓。流體與彈性片的接觸面設為流固耦合面，其余流體邊界均為壁面；在流固耦合面與流體壁面之間設置一定的接觸間隙，使流體域最下面一層網格連續，以保證流體域網格變形過程中數值正常傳遞。結構分析中在彈性片上表面設置壓力荷載，壓力值與流體入口壓力值相同，采用逐步增量的方式加載。在彈性片下表面邊緣設置固定約束。彈性片與壓力補償腔流體接觸面設為流固耦合面；彈性片下表面與壁面設置為接觸約束，兩面之間設置容差偏移量，偏移量與流體接觸間隙應保持一致。7評價指標5T/SDMT0021—20247.1額定流量額定流量Qn是壓力補償滴頭設計的關鍵指標，滴頭的流量與滴灌系統的工作壓力有關，通常取100kPa時滴頭的流量作為評價壓力補償滴頭流量大小的參數，又稱標稱流量。7.2流態指數將試驗所得多組流量與壓力數值進行回歸計算，求得流量常數k、滴頭流態指數： qkpm（2） q——平均流量：L/h；k——流量常數；p——工作壓力：kPa；m——滴頭流態指數。lgpilglgpilgqi1lgpilgqilgpi21lgpi n——試驗中采用壓力點的個數； q——試樣在第i個壓力點的平均流量：L/h；p——滴頭進水口工作壓力：kPa。7.3起調壓力與補償區間理想的壓力補償滴頭的壓力—流量曲線呈現先上升，后趨于平緩的趨勢。不超過額定流量Qn的10%的壓力范圍作為滴頭的補償區間。7.4耐水壓試驗7.4.123℃下耐水壓a）將含有25個滴頭試驗組件，水平懸吊在試驗裝置上，堵上末端，向試驗組件內充水，排盡空氣，使水壓保持在壓力補償調節范圍的中值上穩定出水至少3min后進行測試，測試時間應不少于5min（保壓3min，測量5min測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。b）然后逐漸（至少10s）增加水壓至2倍的最大工作壓力，并保持1h。再將壓力降至壓力補償調節范圍的中值穩定出水至少3min后進行測試，測試時間應不少于5min，測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。與加壓前的流量相比較，計算每個滴頭或滴水孔的流量變化率。7.4.245℃下耐水壓a）將含有25個滴頭的試驗組件，水平懸吊在試驗裝置上，堵上末端，向試驗組件中充水，排盡空氣，使水壓保持在壓力補償調節范圍的中值穩定出水至少3min后進行測試，測試時間應不少于5min（保壓3min，測量5min測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。b）然后將試樣浸沒在溫度為45℃±3℃的水中，逐漸（至少10s）增加水壓至最大工作壓力，并保持1h。泄壓后將試樣從水中取出，在環境溫度下放置30min后，給試樣逐漸（至少10s）增加壓力補償調節范圍的中值穩定出水至少3min后進行測試，測試時間應不少于5min，測量每個滴頭或滴水孔的出水量并計算成流量。與高溫試驗前的流量相比較，計算每個滴頭或滴水孔的流量變化率。7.5流量均勻性試驗7.5.1試樣和方法隨機抽取至少包含25個滴頭的滴灌管或滴灌帶一段作為試樣，干路排布試樣，堵上試樣末端，稱為“閉路法”；也可隨機抽取5段滴灌管或滴灌帶，每段至少有5個滴頭作為試樣，環路排布試樣，稱為“環路法”。仲裁檢驗時使用環路法。7.5.2試驗裝置6T/SDMT0021—2024“閉路法”的試驗裝置按GB/T19812.2-2017的規定執行，“環路法”的試驗裝置按SL571-2013的規定執行。7.5.3試驗步驟：a）將25個試樣按生產廠提供的配置管道及裝配方法組裝在試驗臺上。b）調節滴頭的入口水壓至最大工作壓力（由生產廠提供，否則按115kPa試驗保壓3min后卸壓c）調節滴頭的入口水壓至最小工作壓力（由生產廠提供，否則按85kPa試驗保壓3min后卸壓d）調節滴頭的入口水壓至上述工作壓力范圍的中間值，保壓60min。e）不改變入口壓力，分別測量25個滴頭的出水量，試驗時間應相同并不少于2min，記錄室溫、水溫、水壓、試驗時間、滴頭出水量。重復上述試驗，兩次測得水量之差不得大于2%，取平均值，并計算出各試樣的流量（L/h）。7.5.4試驗結果計算 C100%（7） q——25個滴頭的平均流量：L/h；qi——第i個滴頭的流量：L/h；n——試樣個數（25個CV——滴頭流量偏差系數；S——滴頭流量標準偏差；q0——額定流量：L/h；C——平均流量相對于額定流量的偏差。7.6壓力與流量關系試驗7.6.1試驗步驟：a）完成7.5規定的試驗后，確定進水口壓力與流量的關系。b）以每階段增壓不大于50kPa的幅度，將壓力從零增加到2倍的最大工作壓力（至少分布9個壓力點）。測量25個試樣在每一個壓力點的出水量，試驗時間不少于3min；然后再將壓力以每階段降低不大于50kPa的幅度，將壓力從2倍的最大工作壓力降至零（壓力分布點與升壓時相同量取25個滴頭在每一個壓力點的出水量，試驗時間與升壓時相同，并計算成流量（L/h取平均值。c）在壓力補償調節范圍內，進水口壓力增加和降低過程中試驗壓力至少保持3min后再量取出水量，記錄室溫、水溫、試驗時間、滴頭出水量。d）每個試樣兩次測得出量之差應不大于2%，若試樣在某個壓力點下兩次測得出水量之差大于2%，應重新測量此壓力點下的出水量均值，并計算成流量（L/h）。e）如在增壓或降壓期間，進水口壓力超過預定壓力值10kPa以上，則應將壓力回零，重新試驗。7.6.2繪制流量與工作壓力關系曲線計算兩次測得的25個試樣在工作壓力由小到大情況下每一個壓力點對應的平均流量，以壓力為橫坐標，流量為縱坐標，繪制工作壓力與流量關系曲線，并與生產廠給出的曲線相比較。7.7抗堵塞性能7T/SDMT0021—2024在規定的條件下完成試驗后，試樣中被堵塞的滴頭應不超過試樣總數的5%。7.7.1抗泥沙堵塞性能抽取不少于3段產品作為試樣，每段試樣不低