基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道及灌水器

1.本发明属于滴灌领域，具体涉及一种基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道及灌水器，适用于水肥一体化灌溉、低压灌溉等地区。

背景技术：

2.相较于传统的灌溉施肥模式，水肥一体化技术具有施肥均匀、节水省肥、控制精准等优势。推广水肥一体化技术是解决水肥浪费问题和提高水肥利用率，促进现代农业发展的关键，需要得到一定的重视。而灌水器作为水肥一体化滴灌系统的核心部件，因其消能流道尺寸狭小，极易被滴灌水源中的固体颗粒物、微生物、化学沉淀、有机质、氮磷等杂质堵塞，从而导致滴灌流量大幅降低，破坏整个滴灌系统的灌溉均匀度，增加滴灌系统的维护成本，直接影响滴灌工程的使用寿命和应用效益。其堵塞问题一直制约着水肥一体化灌溉技术的发展。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，因此亟需一种在水肥一体化灌溉施肥模式下，灌水器难以堵塞的流道结构。仿生设计是工业设计中重要的研究方法，也是创新的重要手段，仿形仿生是产品设计中最为常见的仿生方法。
3.不少学者通过设计新型灌水器流道来缓解灌水器容易堵塞问题，其中公开号为cn112178353a的专利，提供基于鲨鱼背鳍结构的仿生灌水器抗堵流道，该流道适用于水质中含沙量大的灌溉情况，并未考虑当前快速发展的水肥一体化灌溉情况；另外该流道流量较大，在50kpa条件下，灌水器流量为3.28l/h，由于近些年提倡低压灌溉，不仅提高了对灌水器抗堵塞性能的要求，还对于在低压条件下灌水器流量大小提出了挑战，因此亟需一种在水肥一体化灌溉施肥模式下，灌水器难以堵塞，并且在低压条件下灌水器流量保持在较小区间的流道结构。仿生设计是工业设计中重要的研究方法，也是创新的重要手段。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够适应水肥一体化灌溉模式、低压灌溉等灌溉条件的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，包括多个灌水器流道单元、出水口和入水口，灌水器流道单元首尾连接形成第一灌水器流道和第二灌水器流道，第一灌水器流道和第二灌水器流道采用圆弧形流道连通，第一灌水器流道连通入水口，第二灌水器流道连通出水口，出水口为圆形孔结构，入水口为栅格状结构；第一灌水器流道和第二灌水器流道均为若干灌水器流道单元依次连通形成，灌水器流道单元为弯折状通道，以弯折面分为第一弯折段和第二弯折段，第一弯折段和第二弯折段沿着介质流向依次布置。
6.第一灌水器流道的长度小于第二灌水器流道的长度。
7.第一弯折段的长度小于第二弯折段的长度。
8.灌水器流道单元的断面为矩形。
9.入水口处设置缓冲空间连通第一灌水器流道，出水口处设置缓冲空间。
10.第一弯折段和第二弯折段的夹角α为88
°
，灌水器流道单元两端面的直线距离l1为2mm，灌水器流道单元的通流面积为1mm
×
0.7mm，圆弧形流道的半径为1.5mm，第一弯折段长度l2为0.6mm。
11.本发明还提供一种基于所述仿生灌水器抗堵流道的灌水器，包括灌水器本体，灌水器本体为管状，仿生灌水器抗堵流道沿灌水器本体轴向布置，仿生灌水器抗堵流道开设于灌水器本体的管壁上。
12.仿生灌水器抗堵流道设置在灌水器本体的正面，出水口位于灌水器本体的正面，入水口位于灌水器本体的背面。
13.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，鱼类鳞片表面微结构具有良好的减阻效果，该结构表现出良好的亲水性，减少了固液之间的摩擦，降低了流体阻力。鱼鳞表面结构在迎流面窄而浅，背流面宽而深，其均匀且相互交错重叠的排列在鱼体表面，这种特殊的排列结构和鱼鳞表面的表面特征有利于水在鲤鱼表面的流动。根据仿生学原理，可以将鱼鳞在体表的排列与形态特征抽象为斜面沟槽结构，该仿生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肥料快速通过流道单元；
14.本发明所述的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，打破了传统的灌水器流道设计思路，参照鱼鳞表面微结构设计了流道单元，该防生结构可以降低水流阻力，使紧贴该仿生结构的高速流动水流携带肥料迅速通过流道，肥液中的难溶物质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，同时由于水流在流经鱼鳞顶部和鱼鳞底部时，由于流道的突缩、突扩，消耗了水流能量，提高了水力性能。
15.进一步的，入水口结构设计为栅格状可以起到过滤杂质的效果。
附图说明
16.图1是本发明所述的仿生灌水器本体的结构示意图；
17.图2是本发明所述的基于鱼鳞表面微结构设计的抗堵流道内部流体示意图；
18.图3是本发明所述的仿生灌水器流道内流体单元示意图；
19.图4是本发明所述的仿生抗堵流道的部分单元内流体数值模拟流场速度分布图；
20.图5是本发明所述的仿生抗堵流道的数值模拟沙粒运动轨迹图；
21.图6是本发明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；
22.图7是本发明对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；
23.附图中：1-仿生抗堵流道，2-灌水器流道单元，3-出水口，4-入水口，5-仿生灌水器本体，6-仿鱼鳞表面微结构。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步说明。
25.参见图1、图2和图3，基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，包括多个灌水器流道单元2、出水口3和入水口4，灌水器流道单元2首尾连接形成第一灌水器流道和第二灌水器流道，第一灌水器流道和第二灌水器流道采用圆弧形流道连通，第一灌水器流道连
通入水口4，第二灌水器流道连通出水口3，出水口3为圆形孔结构，入水口4为栅格状结构；第一灌水器流道和第二灌水器流道均为若干灌水器流道单元2依次连通形成，灌水器流道单元2为弯折状通道，以弯折面分为第一弯折段和第二弯折段，第一弯折段和第二弯折段沿着介质流向依次布置。
26.第一灌水器流道的长度小于第二灌水器流道的长度；第一弯折段的长度小于第二弯折段的长度；灌水器流道单元2的断面为矩形。
27.可选的，入水口4处设置缓冲空间连通第一灌水器流道，出水口处设置缓冲空间。
28.第一弯折段和第二弯折段的夹角α为88
°
，灌水器流道单元2两端面的直线距离l1为2mm，灌水器流道单元2的通流面积为1mm
×
0.7mm，圆弧形流道的半径为1.5mm。
29.本发明还提供一种基于所述仿生灌水器抗堵流道的灌水器，包括灌水器本体5，灌水器本体5为管状，仿生灌水器抗堵流道沿灌水器本体5轴向布置，仿生灌水器抗堵流道开设于灌水器本体5的管壁上；
30.仿生灌水器抗堵流道设置在灌水器本体5的正面，出水口3位于灌水器本体5的正面，入水口4位于灌水器本体5的背面。
31.本发明包括基于鱼鳞表面微结构的仿生抗堵流道1，所述的仿生灌水器本体5上设有入水口4、出水口3以及仿生抗堵流道1，仿生抗堵流道1包括11个灌水器流道单元2，出水口3位于仿生灌水器本体5的正面，仿生抗堵流道1分别与入水口4和出水口3相连通，入水口4位于仿生灌水器本体5的背面。
32.灌水器流道单元2为弯折状通道，近似为仿鱼鳞表面微结构6，参考图4，以弯折面分为第一弯折段和第二弯折段；以灌水器流道单元2水平放置，即图1、图2a和b的放置角度为参考，灌水器流道单元2总长l1为2mm，总宽为2mm，其中设有鱼鳞表面微结构，结合鱼鳞表面微结构尺寸和传统的灌水器流道结构尺寸，仿鱼鳞表面微结构6顶部宽度w设计为1mm，仿鱼鳞表面微结构6顶部水平距离l1为0.6mm，，第一弯折段长度l2为0.6mm；仿鱼鳞表面微结构6顶部与底部间夹角α为88
°
，流道深度d为0.7mm，第一灌水器流道和第二灌水器流道连接处单结构设计为半径是1.5mm的弧形结构。
33.参见图5，本发明进行了和实际一致的数值模拟，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可知水流基本沿着鱼鳞顶部上表面和鱼鳞底部下表面在主流道内快速流动，高速流动的水体占据了流道的大部分面积。在该过程中由于水流始终保持较高速率，因此水流中的难溶物质难以沉积，且由于流道的突缩、突扩消耗了水流能量；此外仿生灌水器流道单元2中形成了涡旋，其随水流扰动而不断变化，不存在死角，所以不容易发生沉积，且涡旋的产生对流道有一定的冲刷作用，有利于提高水流运输能力，从而提高灌水器抗堵性能。
34.参见图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，发现难溶颗粒在水流的携带下快速通过仿生抗堵流道1，难溶颗粒在通过仿生灌水器流道单元2后直接进入下一单元的主流道或经过与鱼鳞底部碰撞后进入下一单元主流道，因此本发明所述的一种仿生抗堵流道灌水器具有较强的抗堵塞能力。
35.参见图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0.4639，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灌水器可以在低压
灌溉条件下使用。

技术特征：

1.基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，其特征在于，包括多个灌水器流道单元(2)、出水口(3)和入水口(4)，灌水器流道单元(2)首尾连接形成第一灌水器流道和第二灌水器流道，第一灌水器流道和第二灌水器流道采用圆弧形流道连通，第一灌水器流道连通入水口(4)，第二灌水器流道连通出水口(3)，出水口(3)为圆形孔结构，入水口(4)为栅格状结构；第一灌水器流道和第二灌水器流道均为若干灌水器流道单元(2)依次连通形成，灌水器流道单元(2)为弯折状通道，以弯折面分为第一弯折段和第二弯折段，第一弯折段和第二弯折段沿着介质流向依次布置。2.根据权利要求1所述的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，其特征在于，第一灌水器流道的长度小于第二灌水器流道的长度。3.根据权利要求1所述的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，其特征在于，第一弯折段的长度小于第二弯折段的长度。4.根据权利要求1所述的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，其特征在于，灌水器流道单元(2)的断面为矩形。5.根据权利要求1所述的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，其特征在于，入水口(4)处设置缓冲空间连通第一灌水器流道，出水口处设置缓冲空间。6.根据权利要求1所述的基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道，其特征在于，第一弯折段和第二弯折段的夹角α为88
°
，灌水器流道单元(2)两端面的直线距离l1为2mm，灌水器流道单元(2)的通流面积为1mm
×
0.7mm，圆弧形流道的半径为1.5mm，第一弯折段长度l2为0.6mm。7.一种基于权利要求1-6任一项所述基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道的灌水器，其特征在于，包括灌水器本体(5)，灌水器本体(5)为管状，仿生灌水器抗堵流道沿灌水器本体(5)轴向布置，仿生灌水器抗堵流道开设于灌水器本体(5)的管壁上。8.根据权利要求7所述的灌水器，其特征在于，仿生灌水器抗堵流道设置在灌水器本体(5)的正面，出水口(3)位于灌水器本体(5)的正面，入水口(4)位于灌水器本体(5)的背面。

技术总结

本发明公开一种基于鱼鳞表面微结构的仿生灌水器抗堵流道及灌水器，包括多个灌水器流道单元、出水口和入水口，灌水器流道单元首尾连接形成第一灌水器流道和第二灌水器流道，第一灌水器流道和第二灌水器流道采用圆弧形流道连通，第一灌水器流道连通入水口，第二灌水器流道连通出水口，出水口为圆形孔结构，入水口为栅格状结构；第一灌水器流道和第二灌水器流道均为若干灌水器流道单元依次连通形成，灌水器流道单元为弯折状通道，以弯折面分为第一弯折段和第二弯折段，第一弯折段和第二弯折段沿着介质流向依次布置；灌水器流道单元中部结构仿照鱼鳞表面微结构，可以降低水体流动阻力，达到在水肥一体化滴灌中防止灌水器流道堵塞的目的。塞的目的。塞的目的。