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1、 华中科技大学新型微灌产品简介一、 华中科技大学、武汉大学的技术与产品华中科技大学材料成形与模具技术和武汉大学水资源与水电工程技术两个国家重点实验室的相关研究人员组成联合课题组，自1996年至今，在国家科技攻关计划项目、863重大专项和重点项目、国家农业科技成果转化基金以及国家自然科学基金等一批国家级项目资助下，对微灌产品的创新设计与快速制造进行了深入系统研究：构建了微灌产品快速低成本制造理论与方法，通过了水利部和湖北省分别组织的两次科技成果鉴定，认为整体技术达到国际先进水平；对实施微灌的关键功能部件（灌水器和过滤器）进行了创新结构设计，形成了系列产品，通过了水利部质检部门的性能检测，并进行多
2、点多作物的示范应用；在微灌产品的创新结构和快速开发方面，获4项发明专利、2项实用新型专利和2项软件著作权，还有2项发明专利受理。以上成果构成了实施微灌的成套技术与产品，极大地提升了微灌新产品的自主研发能力，项目“生态农业滴灌关键部件快速低成本开发方法及其系列产品”和“HW系列新型结构滴灌产品的研制与应用”分别获得2006年湖北省科学技术发明二等奖和教育部科技进步二等奖。1、技术介绍构建的微灌产品低成本快速设计开发方法，是指利用计算机辅助设计、计算流体动力学、快速成形与快速制模等先进技术，形成微灌产品从设计、优化、验证到生产的成套解决技术，能够大大降低微灌新产品的开发成本和开发周期。下表是新构建
3、设计与开发方法与传统开发方法的比较情况。表4. 新构建的低成本快速开发方法与传统方法的对比情况比较项目传统方法新方法技术原理首先经过产品设计、模具制作、样品加工、性能测试等过程。完成上述步骤后，如果性能参数不能满足要求，则需要修改模具，重新制作。在产品的设计阶段，利用三维造型软件参数化（提高开发效率）设计出产品结构和内流道结构，可以根据所需尺寸随意控制产品结构及内流道结构；并采用数值模拟技术，可视化了产品的内流道，为产品的设计和优化提供了可靠的依据。在上述设计的基础上，利用快速成形（RP/RT）制作出小批量的实验用节水产品，进一步优化设计节水产品的结构及内流道结构。产品定型后，采用注塑模具计算
4、机辅助设计系统和注塑流动模拟软件，设计出节水产品注塑模具，得出用以加工模具的二维图纸，再生产出模具就可进行大规模的生产了。成本高大大降低设计开发成本（2500人民币左右）开发周期较长（12年）大大降低新产品的开发周期（510天）产品性能产品性能不稳定、可靠性差在产品的设计阶段，不但可以很大程度的提高节水产品的性能，而且可以根本上避免重复开发的过程。技术含量没有成熟、可靠的产品设计开发方法可以依据。利用现代计算机技术和快速成形与快速制模技术，技术成熟、可靠。意义时代不同为新型生态农业节水产品的推广应用过程奠定了基础；增强了企业的研发能力，同时使我们的产品更具有竞争优势。2、微灌新产品（1）灌水器
5、1）涡流灌水器（简称滴箭）图1. 涡流滴箭产品产品结构与工作原理该灌水器的流道创造性地引入锥腔结构，锥腔为横穿圆柱体的通腔，其轴线垂直于圆柱体轴线，五个锥腔均匀排列，相邻的两个锥腔轴向相反，大圆端面为进水端，小圆端面出水；进水段、出水段以及连接锥腔的引水段为直方槽，整体流道呈外镶型；出水末端为一个垂直于来水方向的圆沟槽，进水端面由直方槽切断，出水端面起到止水的作用；圆沟槽的下方为双锥箭矢状的固定底座，其横截面呈“十”状。产品的特点该灌水器主要借助五个锥腔实现消能目的，水流在五个锥腔中形成了复杂的立体漩涡，有较大的局部水头损失。同一般的涡流不同的是，此时水流的流态主要表现为连续的涡体。由于其流态
6、指数x在0.4左右，压力变化并没有引起流量太大的波动，所以灌水器出水均匀、稳定；另一方面正是由于立体的连续漩涡使水流中的固相物难以沉积，从而保证了灌水器较好的抗堵塞能力。应用场合及使用说明该滴箭灌水器结构简单、体积小、易使用，广泛适用于定株种植瓜果、花卉、盆景和蔬菜等经济作物的节水灌溉，它具有更高的出水均匀度以及良好的抗堵塞能力。安装时，滴箭的流道部分套上塑料管，并通过接头与毛管相连。使用时，直接将滴箭的固定部分插入作物的根部附近即可。滴箭的间距可以很方便地根据作物的密度进行调整，因此具有很强的灵活性。2）预沉式抗堵塞灌水器 (简称预沉滴头)产品结构与工作原理本灌水器的流道部分创造性地采用了双
7、面流道结构。进水端面上的流道由多个尺寸相对较大的沉淀槽组成，沉淀槽之间通过一段较小的通道相连接，在最后一个沉淀槽处通过一个圆孔和出水端流道相连接，出水端流道为环状的平面迷宫式流道，单元结构为锯齿形，断面为矩形。配合上下两个盖帽，组成了最终的双面流道。图2. 预沉滴头产品产品特点本灌水器的流道分布在一个中间片圆柱体的上下面上，两面流道由一个通孔连接起来，其流态指数为0.5左右，保证了较高的出水均匀性和较好的抗堵塞能力。沉淀槽结构中每个沉淀槽相互独立且尺寸较大，使水流出现间断性的特征，同时在每个沉淀池中流速缓慢，没有形成湍急的漩涡，使得密度较大的固体颗粒容易发生沉淀，但由于流道的尺寸比较大，故还不
8、足以堵塞流道，因而有效地解决了灌水器的易堵塞的难题。另一方面，水流在经过齿尖夹角不大于30的锯齿形结构的迷宫流道时，要克服摩擦阻力、环状结构所引起的离心力以及流道的转角处形成漩涡等三个方面的消能作用，使得水流的能量在较短的距离内得到了较大的消耗，实现了灌水器的消能和压力调节功效，使得灌水器出水均匀、稳定。应用场合及使用说明本灌水器结构紧凑、体积小、易拆卸，可广泛应用于果树等深埋式作物的根部节水灌溉，它具有较好的出水均匀性和优秀的抗堵塞性能。安装时将流道置于进出水盖中间，沉淀槽对应进水口，迷宫式流道对应出水口，进出水盖通过螺纹连接并将流道压紧，进水盖的上部套上塑料管，并通过接头与毛管相连。使用时
9、悬在作物根部附近即可。使用密度可根据作物密度进行调整。2.3.3绕流内镶片式灌水器（简称绕流滴灌带）图3. 绕流滴灌带产品产品结构与工作原理此种片式灌水器包括流道部分以及进水口滤网，该灌水器的主要特征在于：水流端面处设计了规则排列的网状进水口；流道的中间设计了凸台，使得单元流道呈现为回字形状；当水流通过进水口处的滤网之后进入流道部分，在流道的中间设计了多个凸台，而流道的外测边缘设计成角度为1030度的锯齿状，与凸台相对应，形成了迷宫式回形绕流流道。产品特点片式灌水器的主要特点是引入了绕流流道结构。水流首先通过网状滤网，该滤网的尺寸相对这个流道较小，有效的保护了整个流道不被堵塞，从整体上提高了灌
10、水器的抗堵塞性能。当水流流入进水口中，水流的速度会相对减慢，避免了形成湍急漩涡的可能性，水流以相对平稳的速度流入流道部分。水流在经过齿尖夹角不大于30度的锯齿形结构的迷宫流道时，一方面克服摩擦阻力的作用；另一方面，由于流道的转角急、多且连续，容易形成局部涡流，这些涡流也具有消能的作用；此外，水流通过灌水器中央的菱形凸台时，形成两条分流，并且在通过菱形凸台后汇聚成一条流道时，两条分流之间的相互冲刷具有更加高效的消能效果。在上述三方面的共同作用下，使得水流的能量能够在较短的距离内得到较大的消耗，实现了灌水器的消能和压力的调节。在该流道中的水流流态为全紊流，其流态指数为0.5左右，不超过0.57。而
11、迷宫式环形绕流流道的齿槽结构和菱形凸台的尺寸决定了灌水器的出水流量。应用场合及使用说明综上所述，该灌水器创造性地引入了迷宫式环形绕流流道，在有效地解决灌水器易堵塞难题的同时提供了更为高效的消能效果；另外，灌水器还采用了和管道在线一体化成型，降低了成本，体积小用料省，易于田间布置和收取，真正做到了低投入、高收益。本发明可广泛应用于用于棉花、甘蔗及蔬菜，如西红柿、草莓等的灌溉。（2）微灌过滤器产品结构与工作原理该过滤器包括多室压力罐体、二位三通（三向）阀、自动控制器以及水处理介质等部分。罐体上设有进水口、出水口、排污口、检修孔、鞍座、控制器以及二位三通阀，如图4.a所示。罐体的三个过滤室内均装有布
12、水管和隔板。在第一过滤室内装有高效纤维束，在第二过滤室的布水隔板上装有若干滤帽和化学性质稳定的过滤介质，在第三过滤室内装有电场防垢抗堵塞装置。产品特点该过滤器将传统的立式改成卧式结构，使其在几何尺寸相同的条件下提高过滤能力达3050%，过滤室设计成单体多腔形式，将混凝、沉淀和过滤三个环节融为一体，抛弃了单罐单层或多层介质堆积的传统过滤方式，创造性地设计了单罐分室和多层连续过滤的新模式，提高了过滤流速，成功解决了反冲洗时容易出现的介质串混和冲洗不充分等难题。另外，采用滤帽或集水管实现布水方式，可减少罐体体积并降低制造成本。对触摸屏电子控制器（图4.b）、二位三通阀（图4.c）、叠片式滤管（图4.
13、d）等关键部件进行自主研发，构成了智能自动控制系统，提高了过滤的自动化程度和工作效率。应用场合及使用说明该新型高效过滤器（图4.e）体积小、效率高、性能好、成本低且易于管理，可广泛应用于包括滴灌在内的各种节水灌溉工程中的水源过滤，图4.f是应用现场的实例照片。1-进水口；2-布水隔板；3-本体；4-集水管；5-二位三通阀；6-布水管；7-出水口；8-排污口；9-滤帽；10-清洗口；11-鞍座；12-排污口；13-检修孔；14-控制器（a）新型过滤器结构示意图图4. 新型高效过滤器与应用3、技术优势与知识产权如前所述，受多项国家级项目的资助，联合了制造和节水领域两个国家重点实验室的相关研究人员，
14、在国内外最先进微灌产品及其开发技术基础之上，经过长期攻关对微灌产品的创新设计和快速开发两个方面进行了深入系统研究。构建了基于多项先进设计和制造技术的节水产品低成本快速开发平台技术，并研制成功了系列实施微灌的关键功能器件，形成了多种规格类型的灌水器和过滤器产品。初步生产的中试产品均通过了国家相关质检部门的性能检测，并进行了多点多作物的示范应用。实践证明，我们新研发的微灌产品可广泛适用于不同作物、不同地区的农业、园林和绿化等用途的节水灌溉。在此过程中，针对微灌产品及其开发方法的多项关键和核心技术方面获得或申请了国家专利，具体情况如下表所示。表5. 授权和受理的专利情况序号名称类型授权号申请号1一种
15、插杆式灌水器发明专利ZL200310111268.42一种预沉式抗堵塞灌水器发明专利ZL200410013224.23一种环式扰流灌水器发明专利ZL200410061365.14一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法发明专利ZL200610018493.75一种新型高效微灌过滤器实用新型专利ZL200620096037.X6一种家用盆栽自动滴灌装置实用新型专利ZL200620095619.67农业节水产品流场模拟系统软件v1.0 HW-CAE软件著作权2005SR089008滴灌灌水器模具计算机辅助设计系统v1.0 HW-MCAD软件著作权2005SR107849一种片式绕流灌水器发明专利200410061282.210一种单翼双通道绕流微压滴灌带发明专利200810046792.0 华中科技大学快速制造中心 6
