T-SDMT 0021-2024 壓力補償式扁平滴頭設(shè)計方法

ICS65.060.CCSB91DesignmethodofpressurecompensationflatemitterIT/SDMT0021—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別這些專利的責(zé)任。本文件由山東省機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)協(xié)會提出并歸口。本文件起草單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院、山東春雨節(jié)水灌溉設(shè)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(shè)計方法本文件規(guī)定了壓力補償式扁平滴頭的術(shù)語和定義、標(biāo)記、技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計和評價指標(biāo)。本文件適用于壓力補償式扁平滴頭的設(shè)計、試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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(shè)備水力基本參數(shù)測試方法3術(shù)語和定義下列術(shù)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(nèi)鑲在灌溉毛管內(nèi)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(guī)定的范圍內(nèi)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(yīng)大于7%。Qf=×100%（1）Q——補償區(qū)間內(nèi)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(chǎn)品的流態(tài)特征及流量與壓力的關(guān)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(dāng)流態(tài)指數(shù)為0時，為完全補償?shù)晤^，當(dāng)流態(tài)指數(shù)小于0.5時，為強制紊流滴頭。3.4起調(diào)壓力startingpressure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(diào)壓力，一般不應(yīng)大于100kPa。3.52T/SDMT0021—2024補償區(qū)間compensationinterval當(dāng)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(diào)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(shù)，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(shù)，這其中將涉及流體力學(xué)(尤其是湍流力學(xué))、計算方法乃至計算機圖形處理等技術(shù)。包括ANSYSFluent、cfx、STAR-CCM、comsol、OpenFOAM、Phoenics等。4標(biāo)記每個壓力補償式紐扣滴頭應(yīng)有清晰耐久的標(biāo)記，至少應(yīng)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(shù)要求5.1材料制造滴頭（含彈性膜片）所用的材料應(yīng)能耐受農(nóng)業(yè)灌溉用肥料和農(nóng)藥的腐蝕，并能在水溫不超過45℃的條件下使用。應(yīng)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(xué)品包裝物所產(chǎn)生的回收料。5.2外觀滴頭色澤應(yīng)均勻一致，表面光滑無毛刺，不應(yīng)有氣泡、裂口、溢邊、缺損、變形。滴頭應(yīng)安裝準(zhǔn)確、鑲嵌牢固、平整，不應(yīng)有滴頭漏嵌、翹曲及鑲嵌不到位的缺陷。5.3尺寸5.3.1規(guī)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(yīng)符合表1規(guī)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(yīng)符合表2規(guī)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(yīng)在±5%的范圍內(nèi)。5.3.3每卷段數(shù)、每段長度及每卷長度偏差率a）每卷段數(shù)、每段長度及每卷長度偏差率應(yīng)符合表3規(guī)定。表3每卷段數(shù)、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(yīng)接通，未接通時應(yīng)有明顯標(biāo)識。5.4耐拉拔性能滴頭應(yīng)能承載規(guī)定的荷載，試驗時滴頭與管壁粘結(jié)處不應(yīng)發(fā)生脫開、斷裂現(xiàn)象。滴灌管試樣在23℃±2℃的試驗溫度下，應(yīng)能承受規(guī)定的載荷而不出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，試驗前后標(biāo)線間距的變化量應(yīng)不大于5%，試驗前后流量偏差率應(yīng)在±5%的范圍內(nèi)。5.5耐水壓性能滴頭與管道連接的組合體應(yīng)能承受2倍的額定工作壓力，保持該壓力1h，試樣不應(yīng)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。試驗前后每個滴頭的流量偏差率應(yīng)在±7%的范圍內(nèi)。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(shù)應(yīng)不大于7%。5.7滴頭流量與進水口壓力關(guān)系5.7.1壓力與流量關(guān)系曲線壓力補償范圍內(nèi)，流量與進水口壓力關(guān)系曲線應(yīng)與設(shè)計值一致，二者流量的最大偏差應(yīng)不大于7%。5.7.2流態(tài)指數(shù)滴頭流態(tài)指數(shù)應(yīng)在±0.20范圍內(nèi)。流態(tài)指數(shù)實測值與設(shè)計值的偏差應(yīng)不大于15%。5.7.3壓力補償區(qū)間壓力補償范圍內(nèi)最大與最小工作壓力值得差值應(yīng)不小于150kPa。6結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(chǔ)上，先試算確定流道結(jié)構(gòu)布置的可行性。6.2設(shè)計流量、起調(diào)壓力和補償區(qū)間的確定由用戶給定所需的滴頭流量（設(shè)計流量）、起調(diào)壓力及補償區(qū)間。如果設(shè)計流量過小、用戶給定的滴頭外形尺寸也過小，需要優(yōu)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(diào)整外形尺寸或者設(shè)計流量。一般滴頭設(shè)計流量取值為0.6L/h～4.0L/h，起調(diào)壓力在40kPa～100kPa之間，補償區(qū)間應(yīng)為150kPa～250kPa。6.3迷宮流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定6.3.1迷宮流道長度的確定設(shè)計時，根據(jù)滴頭的外形尺寸和設(shè)計流量優(yōu)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(nèi)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(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)迷宮流道在起調(diào)壓力下的流量是否為設(shè)計流量的105%～110%。試算的流量與設(shè)計流量偏差不大于3%時，即為合格，固定迷宮流道結(jié)構(gòu)。如果試算的流量小于設(shè)計流量，則優(yōu)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(shè)計流量，則優(yōu)先減小斷面面積或者單純減小流道深度（不建議調(diào)整迷宮流道的其他結(jié)構(gòu)然后再試算，通過多次調(diào)整—試算，直到流量達到設(shè)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(diào)壓力開始整個設(shè)定的補償區(qū)間內(nèi)，每隔10kPa壓力間隔的滴頭流量。如果實際計算確定的起調(diào)壓力太大或者補償區(qū)間太小，優(yōu)先調(diào)整彈性材料的硬度，建議每次調(diào)整幅度為5邵氏硬度，并進行CFD流固耦合計算，通過反復(fù)調(diào)整—試算，實際起調(diào)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。6.5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(diào)整這兩個參數(shù)，使補償區(qū)間內(nèi)的流態(tài)指數(shù)不大于0.20，推薦設(shè)計要求達到0.03以下。副流道深度和寬度應(yīng)在不大于1.0mm之間調(diào)整，每次調(diào)整幅度為0.05mm。反復(fù)調(diào)整，并進行CFD流固耦合計算，求解流態(tài)指數(shù)，直到達標(biāo)為止。6.6CFD數(shù)值模擬6.6.1滴頭內(nèi)部流體與結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建壓力補償式扁平滴頭流體—結(jié)構(gòu)模型，運用三維設(shè)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(dǎo)入相關(guān)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(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(yīng)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(jié)構(gòu)區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸，位移和力的雙收斂精度為0.01。6.6.3網(wǎng)格劃分CFD計算采用Fluentmesh進行網(wǎng)格劃分，并進行無關(guān)性檢驗，以保證計算精度及適當(dāng)?shù)挠嬎銜r間。采用Transientstructuremesh對彈性體模型進行網(wǎng)格劃分，彈性片與流體接觸面的網(wǎng)格尺寸與流體域網(wǎng)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(wǎng)格為四面體網(wǎng)格。6.6.4其他設(shè)定將流體入口設(shè)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(shè)置為大氣壓。流體與彈性片的接觸面設(shè)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(shè)置一定的接觸間隙，使流體域最下面一層網(wǎng)格連續(xù)，以保證流體域網(wǎng)格變形過程中數(shù)值正常傳遞。結(jié)構(gòu)分析中在彈性片上表面設(shè)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(shè)置固定約束。彈性片與壓力補償腔流體接觸面設(shè)為流固耦合面；彈性片下表面與壁面設(shè)置為接觸約束，兩面之間設(shè)置容差偏移量，偏移量與流體接觸間隙應(yīng)保持一致。7評價指標(biāo)5T/SDMT0021—20247.1額定流量額定流量Qn是壓力補償?shù)晤^設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)，滴頭的流量與滴灌系統(tǒng)的工作壓力有關(guān)，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(biāo)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（2） 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——1,2,3,…,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(diào)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。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。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(nèi)充水，排盡空氣，使水壓保持在壓力補償調(diào)節(jié)范圍的中值上穩(wěn)定出水至少3min后進行測試，測試時間應(yīng)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(diào)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(yīng)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(diào)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(yīng)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(diào)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(yīng)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6T/SDMT0021—2024“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(chǎn)廠提供的配置管道及裝配方法組裝在試驗臺上。b）調(diào)節(jié)滴頭的入口水壓至最大工作壓力（由生產(chǎn)廠提供，否則按115kPa試驗保壓3min后卸壓c）調(diào)節(jié)滴頭的入口水壓至最小工作壓力（由生產(chǎn)廠提供，否則按85kPa試驗保壓3min后卸壓d）調(diào)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?nèi)肟趬毫?，分別測量25個滴頭的出水量，試驗時間應(yīng)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(fù)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(jié)果計算（4）（5）×100%（6） ×100%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(shù)（25個CV——滴頭流量偏差系數(shù)；S——滴頭流量標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系試驗7.6.1試驗步驟：a）完成7.5規(guī)定的試驗后，確定進水口壓力與流量的關(guān)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(diào)節(jié)范圍內(nèi)，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(yīng)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(yīng)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(yù)定壓力值10kPa以上，則應(yīng)將壓力回零，重新試驗。7.6.2繪制流量與工作壓力關(guān)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(yīng)的平均流量，以壓力為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)，繪制工作壓力與流量關(guān)系曲線，并與生產(chǎn)廠給出的曲線相比較。7.7抗堵塞性能7T/SDMT0021—2024在規(guī)定的條件下完成試驗后，試樣中被堵塞的滴頭應(yīng)不超過試樣總數(shù)的5%。7.7.1抗泥沙堵塞性能抽取不少于3段產(chǎn)品作為試樣，每段試樣不低