一种变量滴灌灌水器

本发明涉及农业节水灌溉，具体涉及一种变量滴灌灌水器。

背景技术：

1、滴灌是一种通过灌水器将水分缓慢、均匀地输送至作物根区的节水灌溉方式，具有节水、节肥和便于自动化控制等优点，已广泛应用于干旱、半干旱地区的农业生产。在淡水资源不足的地区，通常需要利用微咸水进行滴灌，以缓解农业用水供需矛盾。

2、微咸水中通常含有钙离子、镁离子、碳酸氢根离子及硫酸根离子等成垢离子。当微咸水与水溶性肥料混合使用，或者在灌水器内部发生温度、压力、流速及酸碱度变化时，容易生成碳酸钙、磷酸钙或硫酸钙等难溶性物质。上述难溶性物质易在灌水器的狭窄流道内成核、附着并逐渐生长，导致流道过水断面减小，灌水器流量下降，严重时还会造成灌水器堵塞，从而影响滴灌系统的灌水均匀性及运行可靠性。

3、现有灌水器通常采用迷宫式流道、齿形流道、涡旋流道或特斯拉阀式流道等结构，通过改变水流方向、提高流体紊动程度或者增大局部流速，以减少泥沙等固体颗粒在流道内的沉积。然而，此类流道主要用于防止物理颗粒堵塞，对于由成垢离子在流道壁面发生结晶而形成的化学沉淀，其抑制效果有限，难以从化学沉淀的成核、附着及生长过程进行有效防控。

4、为满足不同灌溉阶段的用水需求，现有技术还提出了具有变量输出功能的灌水器。该类灌水器通常利用弹性膜片、隔膜或其他可变形构件响应水压变化，以控制不同流道的开启和关闭，从而在低压小流量灌溉模式与高压大流量洗盐模式之间进行切换。但是，弹性膜片等构件在长期受压、反复变形以及温差和紫外线作用下，容易发生疲劳、老化或变形失效，进而影响灌水器的流量切换精度和使用寿命。

5、此外，现有变量灌水器在进行不同流量模式切换时，流道内的流速和局部压力通常会发生较大幅度的突变。流速突变可能破坏流道壁面附近原有的浓差边界层，使富集的成垢离子进入主流；局部压力降低还可能促进水中溶解气体逸出并改变水体酸碱平衡，从而使难溶性盐类快速析出。同时，流道结构突变处容易形成低速区或滞流区，滞留水体中的成垢离子在模式切换过程中被带入主流后，也可能促进晶体生成和生长。因此，变量输出过程不仅可能影响流量切换的稳定性，还可能进一步加剧灌水器内部的化学沉淀堵塞。

6、针对灌水器内已经形成的沉积物，现有技术通常采用投加阻垢剂、酸液冲洗、超声除垢、电磁除垢或者机械清理等方式进行处理。其中，投加阻垢剂或酸液冲洗会增加运行成本，并可能对灌溉设备、土壤或地下水环境产生不利影响；超声除垢和电磁除垢通常需要配置外部供电设备，难以适用于数量较多且分布范围较广的田间灌水器；机械清理结构则容易在含沙水流中发生磨损或卡滞，维护较为困难。

技术实现思路

1、本发明提供了一种变量滴灌灌水器，以解决现有变量滴灌灌水器切换可靠性低、化学沉淀易堵塞且自清洁能力不足的问题。

2、本发明提供了一种变量滴灌灌水器，包括：灌水器本体、振荡结构、变量切换结构和连接流道；所述灌水器本体设有相对设置的进水口和出水口；所述振荡结构，设于所述灌水器本体内，所述振荡结构的进水端与所述进水口连通，用于使流经所述振荡结构的水流形成周期性水力脉冲；所述变量切换结构，设于所述灌水器本体内，所述变量切换结构与所述振荡结构的出水端连通，所述变量切换结构至少设有第一供水流道和第二供水流道，在第一供水压力下，水流流经所述第一供水流道，在第二供水压力下，所述水流流经所述第二供水流道；所述连接流道，所述连接流道设于所述灌水器本体内，所述连接流道的一端与所述变量切换结构的出口端连通，另一端与所述出水口连通，水流在所述连接流道内形成二次流涡旋。

3、有益效果：进入灌水器本体的水流先流经振荡结构，振荡结构利用水流自身的动能产生周期性水力脉冲，无需设置外部动力源或机械活动部件。周期性水力脉冲能够对流道壁面施加交变剪切作用，使附着于流道壁面的微晶核发生松动和脱落。变量切换结构根据供水压力的变化，使水流选择流经第一供水流道或第二供水流道，由此获得不同的流量输出，可以满足常规灌溉和大流量洗盐的不同用水需求。水流进入连接流道后形成二次流涡旋，能够加强连接流道内的横向混合，扰动流道壁面附近的离子富集层，并对流道壁面进行持续冲刷。振荡结构、变量切换结构和连接流道依次连通，使水力脉冲、变流量冲刷和二次流涡旋共同作用，有利于减少化学沉淀在灌水器内部的生成、附着和生长，提高变量滴灌灌水器的抗堵塞能力及运行可靠性。

4、根据本发明的一些实施例，所述连接流道的至少一个过流壁面沿水流方向呈波浪形延伸，所述过流壁面设有疏水改性层。

5、有益效果：波浪形的过流壁面能够周期性改变水流的流动方向，使水流在波峰和波谷附近形成二次流涡旋。二次流涡旋可以加强主流区与近壁区域之间的流体交换，破坏过流壁面附近形成的稳定浓差极化层，减少成垢离子在过流壁面的富集，从而抑制晶核在过流壁面发生异相成核。疏水改性层能够降低过流壁面的表面能和晶核附着强度，使已经形成的微晶核更容易在二次流涡旋及水力脉冲的冲刷作用下脱落。波浪形结构与疏水改性层相配合，可以分别从晶核生成和晶核附着两个方面降低化学沉淀堵塞的风险。

6、根据本发明的一些实施例，所述连接流道的波幅为所述连接流道的水力直径的0.05倍～0.15倍，所述连接流道的波长为所述水力直径的0.5倍～2.0倍。

7、有益效果：将连接流道的波幅设置为水力直径的0.05倍至0.15倍，可以使波浪形过流壁面对水流产生足够的扰动，从而形成能够作用于近壁区域的二次流涡旋，同时避免波幅过大而造成流道截面变化过于剧烈、流动阻力明显增大。将波长设置为水力直径的0.5倍至2.0倍，可以使水流在相邻波峰和波谷之间连续改变流动方向，保证二次流涡旋沿连接流道连续产生，并兼顾流道的抗沉淀效果和过流能力。

8、根据本发明的一些实施例，所述疏水改性层由聚丙烯或聚乙烯，以及分散于所述聚丙烯或所述聚乙烯中的纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛制成。

9、有益效果：聚丙烯和聚乙烯具有较好的耐腐蚀性能和成型性能，能够适应微咸水及水肥混合液的使用环境。纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛分散于聚丙烯或聚乙烯中，可以改变疏水改性层的微观表面形态，降低水流和晶核与过流壁面之间的附着作用。该材料能够在形成过流壁面的同时获得疏水性能，无需在灌水器内部设置独立的清洁部件，有利于降低制造和装配难度。

10、根据本发明的一些实施例，所述变量切换结构包括：

11、射流喷嘴，所述射流喷嘴的一端与所述振荡结构连通；

12、切换导向件，沿水流方向，所述切换导向件设于所述射流喷嘴的另一端，且与所述射流喷嘴的出水口相对设置，所述切换导向件具有第一引导面和第二引导面，所述水流在所述第一供水压力下经第一引导面流向所述第一供水流道，所述水流在所述第二供水压力下经第二引导面流向第二供水流道；

13、所述第一供水流道的长度小于所述第二供水流道的长度，所述第一供水流道的水力阻力小于所述第二供水流道的水力阻力；

14、所述第一供水压力大于所述第二供水压力。

15、有益效果：在第一供水压力下，射流喷嘴输出的水流具有较大的射流动量，水流经第一引导面进入长度较短、水力阻力较小的第一供水流道，从而形成较大的输出流量，可以用于洗盐及强化冲刷。在第二供水压力下，水流经第二引导面进入长度较长、水力阻力较大的第二供水流道，从而形成较小的输出流量，可以用于常规滴灌。变量切换过程由供水压力和射流状态共同控制，无需设置弹性膜片、阀芯或其他活动部件，可以避免活动部件疲劳、老化或卡滞造成的切换失效，提高灌水器在温差较大及长期户外使用条件下的可靠性。

16、根据本发明的一些实施例，所述第一引导面和所述第二引导面均为渐变弧面结构，所述第一引导面和所述第二引导面的连接处形成分流劈尖，且所述分流劈尖位于所述射流喷嘴的中心轴线的延伸线上，所述第二引导面的弧长大于所述第一引导面的弧长。

17、有益效果：第一引导面和第二引导面采用渐变弧面结构，可以减小切换导向件附近的几何突变，使射流的流动方向随供水压力的变化逐渐改变。两个引导面的连接处位于射流喷嘴中心轴线的延伸线上，有利于使射流根据其动量变化向第一引导面或第二引导面偏移。第二引导面具有较大的弧长，可以在较低供水压力下为射流提供较长的附着和引导区域，使水流稳定进入水力阻力较大的第二供水流道。渐变引导能够减小流量突变和局部压力骤降，减少流动死区及滞留水体，从而降低模式切换过程中化学沉淀快速析出的可能性。

18、根据本发明的一些实施例，沿水流流动方向，所述变量切换结构的下游端设有汇流段，所述第一供水流道和所述第二供水流道在所述汇流段连通，所述连接流道与所述汇流段连通。

19、有益效果：第一供水流道和第二供水流道通过同一汇流段与连接流道连通，使不同供水压力下选通的水流均能够进入连接流道，并利用连接流道内的二次流涡旋进行混合和冲刷。汇流段还可以对经过不同供水流道的水流进行整流，减少水流从变量切换结构进入连接流道时产生的局部流动突变，并使变量切换结构与连接流道形成紧凑的空间布置。

20、根据本发明的一些实施例，所述第一供水压力为0.12mpa～0.20mpa，所述第二供水压力为0.05mpa～0.10mpa。

21、有益效果：在0.05mpa至0.10mpa的第二供水压力下，水流进入水力阻力较大的第二供水流道，可以获得适于常规滴灌的小流量输出。在0.12mpa至0.20mpa的第一供水压力下，水流进入水力阻力较小的第一供水流道，可以获得适于洗盐的大流量输出。两个供水压力区间相互分离，可以为变量切换结构提供较为明确的切换条件，降低供水压力波动造成流道误切换的可能性。大流量输出还能够提高连接流道内的流速和壁面剪切力，对已经形成的沉淀物进行强化冲刷。

22、根据本发明的一些实施例，所述振荡结构包括：

23、入口喷嘴，所述入口喷嘴与所述进水口连通；

24、振荡主体，所述振荡主体内形成有振荡腔，所述振荡腔的进水端口与所述入口喷嘴连通，所述振荡腔的出水端口与所述变量切换结构连通；

25、至少两个反馈通道，两个所述反馈通道相对设置于所述振荡主体上，所述反馈通道包括有进口和出口，所述进口与所述振荡腔的下游区域连通，所述出口与所述振荡腔的上游区域连通，两个所述出口相对设置。

26、有益效果：水流经入口喷嘴加速后进入振荡腔并形成高速射流。当射流向振荡腔的一侧偏转时，该侧下游区域的压力升高，部分水流经对应的反馈通道返回入口喷嘴附近，并对射流根部施加横向作用，使射流转向振荡腔的另一侧。两个反馈通道交替产生反馈作用，使射流在振荡腔的两侧往复偏转，由此形成自持振荡和周期性水力脉冲。该振荡过程利用水流自身动能维持，不需要外部供电和机械活动部件。产生的水力脉冲能够在下游流道内形成交变剪切力，阻碍晶核稳定附着和持续生长，并促使微晶核从流道壁面脱落，实现灌水器运行过程中的在线自清洁。

27、根据本发明的一些实施例，所述入口喷嘴和所述进水口之间设有过滤件。

28、有益效果：过滤件可以在水流进入入口喷嘴之前拦截粒径较大的泥沙、悬浮物及其他固体杂质，减少固体杂质堵塞入口喷嘴、反馈通道或变量切换结构的可能性。过滤件与振荡结构、变量切换结构及连接流道配合，可以同时降低物理颗粒堵塞和化学沉淀堵塞对灌水器运行的影响。