T-SDMT 0022-2024 壓力補償式紐扣滴頭設計方法

ICS65.060.CCSB91DesignmethodofpressurecompensationbuttonemitterIT/SDMT0022—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(guī)則》的規(guī)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(fā)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(yè)科學技術協(xié)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(yè)工程學院、山東春雨節(jié)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/SDMT0022—2024壓力補償式紐扣滴頭設計方法本文件規(guī)定了壓力補償式紐扣滴頭的術語和定義、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紐扣滴頭的設計、試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)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(jié)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(jié)水灌溉器材第5部分：地埋式滴灌管SL571—2013節(jié)水灌溉設備水力基本參數(shù)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壓力補償式紐扣滴頭Pressurecompensationtypebuttonemitter用于直接嵌裝在灌溉毛管管壁上且具有壓力補償特征的一種滴頭形式。該壓力補償?shù)晤^由迷宮流道主體、彈性片、塑膠外殼三部分組成，其中滴頭主體上有壓力補償腔、出水環(huán)形槽、副流道、迷宮流道、出水口等。3.2壓力補償特征pressurecompensationcharacteristics進水口壓力在制造廠規(guī)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(wěn)的特點，滴頭流量偏差Qf最大不應大于7%。Qf=×100%（1）Q——補償區(qū)間內的最大或者最小流量：L/h；Q0——額定流量：L/h。3.3流態(tài)指數(shù)flowindex反映滴頭流量隨壓力變化的敏感性，體現(xiàn)滴灌產品的流態(tài)特征及流量與壓力的關系，流態(tài)指數(shù)為0～1（絕對值流態(tài)指數(shù)越大，滴頭流量對壓力的變化越敏感。當流態(tài)指數(shù)為0時，為完全補償?shù)晤^，當流態(tài)指數(shù)小于0.5時，為強制紊流滴頭。3.4起調壓力startingpressure2T/SDMT0022—2024將流量明顯出現(xiàn)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。3.5補償區(qū)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紐扣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(qū)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(shù)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(yè)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(yī)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耐拉拔性能滴頭應能承載規(guī)定的荷載，在試驗中不應從管道中脫出。5.4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(xiàn)損壞現(xiàn)象。試驗前后每個滴頭的流量偏差率應在±7%的范圍內。5.5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(shù)應不大于7%。5.6滴頭流量與進水口壓力關系5.6.1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%。5.6.2流態(tài)指數(shù)3T/SDMT0022—2024滴頭流態(tài)指數(shù)應在±0.20范圍內。流態(tài)指數(shù)實測值與設計值的偏差應不大于15%。5.6.3壓力補償區(qū)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滴頭結構滴頭由外殼、彈性片和滴頭主體三部分構成（圖1其中彈性片與凸臺、副流道等結構共同組成補償腔。圖中1為副流道，2為凸臺，3為水流出口，4為補償腔，5為迷宮流道，6為滴頭基座，7為上外殼，8為滴頭進水口，9為彈性片，10為滴頭長度，11為滴頭外殼高度。壓力補償?shù)晤^補償腔的結構示意圖如圖2所示，圖2中d1表示凸臺直徑，d2表示副流道寬度，d3表示出口直徑，d4表示補償腔直徑，h1表示凸臺高度，h2表示副流道的深度，h3表示彈性片到凸臺表面的高度，t表示彈性片的厚度，彈性片材料為硅橡膠。圖1壓力補償式紐扣滴頭三維結構示意圖圖2補償腔結構6.2外形尺寸的確定外形尺寸根據(jù)用戶要求確定，主要考慮結構緊湊，需要的材料用量較少的原則確定。外徑一般為19mm～21mm、內徑（補償腔直徑）為17mm～19mm，外殼高度為10mm～15mm，滴頭長度為23mm~30mm。6.3設計流量、起調壓力和補償區(qū)間由用戶給定所需的滴頭流量（設計流量）、起調壓力及補償區(qū)間。一般滴頭設計流量取值為2L/h～8.0L/h，起調壓力范圍在70kPa～100kPa之間，補償區(qū)間應為200kPa～250kPa。6.4迷宮流道結構和出水孔孔徑的確定6.4.1迷宮流道結構的確定將彈性體預設為剛體，確定迷宮流道深度、寬度和齒個數(shù)和出水孔孔徑，建議初始取值范圍分別為0.9mm～1.4mm、0.9mm～1.5mm、齒數(shù)為10個～13個、出水孔徑1.0mm±0.1mm。在初步確定迷宮流道結構參數(shù)后，采用CFD模擬計算確定該結構迷宮流道的在起調壓力下的流量是否為設計流量的105%～110%。模擬計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。如果模擬計算的流量小于設計流量，則優(yōu)先單純增加流道深度，如果模擬計算的流量大于設計流量，則優(yōu)先單純減小流道深度，然后再模擬計算，通過多次調整—模擬計算，直到流道達標為止。6.4.2出水孔孔徑的確定4T/SDMT0022—2024在確定迷宮流道后，以0.05mm的步長逐漸縮小出水孔直徑，并采用CFD模擬計算出水孔直徑調整后在起調壓力下的流量，當流量發(fā)生變化，但模擬計算的流量與設計流量偏差不大于3%時，即為合格，固定出水孔孔徑。6.4.3凸臺高度的確定凸臺高度的確定應保證進口壓力達到起調壓力時，彈性片的變形已經接觸凸臺并開始變形進入副流道，即壓力補償?shù)晤^的流量曲線出現(xiàn)拐點并開始趨于穩(wěn)定。壓力補償?shù)晤^凸臺高度取值范圍為0.3mm~0.5mm，凸臺直徑取值范圍為3.0mm～4.5mm。采用Fluent軟件模擬不同凸臺高度下壓力補償?shù)晤^的流量（考慮彈性片的作用通過壓力流量曲線確定凸臺高度，凸臺高度與流量呈負相關關系。6.5彈性材料厚度和硬度的確定將彈性體從剛體結構修改為彈性體，彈性材料厚度一般在0.8mm～1.1mm之間選擇確定。彈性材料硬度一般在（30～60）邵氏硬度之間選擇確定。彈性材料的初始值可以采用下列公式，初步試算確定。q=-0.441+0.046A+1.340T（2）x=0.217-0.001A-0.040T（3）H0=-41.588+1.218A+34.375T（4）Pr=11.775+1.520A+56.250T（5）q——滴頭流量；x——流態(tài)指數(shù)；H0——起調壓力；Pr——補償區(qū)間；A——彈性片硬度和T為厚度。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，每隔10kPa的壓力間隔，整個設定的補償區(qū)間內的滴頭流量。如果實際計算確定的起調壓力太大或者補償區(qū)間太小，優(yōu)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—模擬計算，實際起調壓力不高于給定值的105%，且實際補償區(qū)間與給定值的偏差不大于5%時，即認為合格。6.6出口副流道的確定出口副流道由深度和寬度兩個參數(shù)確定，通過調整這兩個參數(shù)，使補償區(qū)間內的流態(tài)指數(shù)不大于0.20，推薦設計要求達到0.03以下。副流道深度和寬度在0.1mm～0.7mm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(tài)指數(shù)，直到達標為止。6.7CFD數(shù)值模擬6.7.1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。6.7.2模型、邊界條件和基本參數(shù)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(shù)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(chuàng)建流體區(qū)域和結構區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸，位移和力的雙收斂精度為0.01。6.7.3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?shù)挠嬎銜r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(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，網格為四面體網格。對于迷宮流道轉角、凸臺上小槽等狹小的幾何結構，采用網格自適應方法對其局部細化，此外在劃5T/SDMT0022—2024分網格時開啟曲率捕捉和狹縫捕捉，適當減小網格生成的增長率，以使得劃分的網格過度自然，保證網格具有較好的質量。6.7.4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(shù)和步數(shù)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(xù)，以保證流體域網格變形過程中數(shù)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保持一致。在凸臺底面添加固定約束，在分析設置中開啟大變形LargeDeflection。7評價指標7.1額定流量額定流量Qn是壓力補償?shù)晤^設計的關鍵指標，滴頭的流量與滴灌系統(tǒng)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?shù)晤^流量大小的參數(shù)，又稱標稱流量。7.2流態(tài)指數(shù)將試驗所得多組流量與壓力數(shù)值進行回歸計算，求得流量常數(shù)k、滴頭流態(tài)指數(shù)： m（6） q——平均流量：L/h；k——流量常數(shù)；p——工作壓力：kPa；m——滴頭流態(tài)指數(shù)。i——1,23,…,n； n——試驗中采用壓力點的個數(shù)； 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(qū)間理想的壓力補償?shù)晤^的壓力~流量曲線呈現(xiàn)先上升，后趨于平緩的趨勢。在壓力-流量曲線上，將流量明顯出現(xiàn)拐點時的壓力作用該壓力補償?shù)晤^的起調壓力。以不超過額定流量Qn的10%的壓力范圍作為滴頭的補償區(qū)間，并且用小于額定流量10%時所對應的壓力作為滴頭的起調壓力。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(jié)范圍的中值穩(wěn)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(jié)范圍的中值穩(wěn)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。6T/SDMT0022—20247.4.245℃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(jié)范圍的中值穩(wěn)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(huán)境溫度下放置30min后，給試樣逐漸（至少10s）增加壓力補償調節(jié)范圍的中值穩(wěn)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(huán)路排布試樣，稱為“環(huán)路法”。仲裁檢驗時使用環(huán)路法。7.5.2試驗裝置“閉路法”的試驗裝置按GB/T19812.2-2017的規(guī)定執(zhí)行，“環(huán)路法”的試驗裝置按SL571-2013的規(guī)定執(zhí)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(jié)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(jié)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(jié)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（8）（9）×100%