江苏大学节水灌溉技术江苏大学节水灌溉技术与设备研发与设备研发

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汇报人：李红

江苏大学流体机械工程技术研究中心国家水泵及系统工程技术研究中心

2013 年 8 月 20 日

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目 录

一、引言 二、我国喷灌发展存在问题与建议 三、江苏大学流体中心简介四、江苏大学喷灌技术及设备五、正在研究的技术及产品

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一、引言

2011年中央一号文件指出，大力发展节水灌溉，推广渠道防渗、管道输水、喷灌滴灌等技术。

“十二五”期间全国将新增节水灌溉工程面积 1.95亿亩，其中发展高效节水灌溉工程面积 0.5-1亿亩。到2020 年全国节水灌溉工程面积将力争达到 7.6 亿亩。

因地制宜兴建中小型水利设施，支持山丘区小水窖、小水池、小塘坝、小泵站、小水渠等。

喷微灌迎来了发展的大好时机。

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国外发展现状 美国 2008年全国喷灌面积占灌溉面积的 56.2%。法

国、英国、俄罗斯、意大利等国家的喷灌面积比例也都超过了 40%。

发达国家逐渐采用自动或半自动的喷灌机，来代替人工移动的喷灌机。

致力于低能耗精确喷灌、变量施水精确喷灌、自动化与智能化喷灌技术等方面的研究与应用。

发展中国家由于受经济条件的限制 , 主要以移动管道式和移动轻小型喷灌机组为主。

二、我国喷灌发展存在问题与建议

目前我国有效灌溉面积为 9.25亿亩，节水灌溉工程面积 4.38亿亩，其中高效节水灌溉工程面积 1.87亿亩，占有效灌溉面积 20.2%。

至 2009年，喷灌面积为 393万 hm2，占有效灌溉面积6.6%，为我国节水农业技术进步作出了积极的贡献。

到 1998 年底，我国 160万 hm2 的喷灌面积中，轻小型喷灌机的灌溉面积约占 75%，大中型喷灌机的灌溉面积约占 10%，半固定式喷灌面积约占 15%。

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国内发展现状

自行开发生产农田灌溉喷头、喷灌机组、管件、管材、阀等主要喷灌设备，拥有一批适合国情、有自主知识产权的节水产品与设备。

喷微灌设备生产已初具规模，国产设备市场占有率由 30%提高到 50-80%。

国内发展现状

我国喷灌行业存在问题

1. 适应性、多功能性不足 喷灌机组功能单一，不具备喷微灌等多用途联合使用的

功能，喷洒农药、肥料、防霜冻、防干热风、降温、除尘、绿化等多目标利用技术欠缺。

固定式喷灌系统一次性投入高，有时对作物耕作、收获过程产生影响。

大中型移动式喷灌机对使用者要求高，运行、维护、管理要求较高。轻小型灌溉机组田间工作机械化程度较低，劳动强度较大。

喷灌效益有待进一步发挥，促进农民自愿使用喷灌技术。7

2. 喷灌设备产品综合性能有待进一步提高 可靠性和耐久性：产品质量不高，工作条件恶劣，水源

中含杂质，使用人员水平较低，导致产品可靠性较差、寿命较短。

系列化、标准化：喷灌泵及专用管材、管件系列化程度较低，标准化建设相对滞后。

技术含量：国内低技术含量产品的生产能力已过剩，高技术含量产品的设计、生产能力不足。

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原因分析 灌溉技术方式的应用还存在一个逐步认识和成熟的过程 专门从事灌溉设备研发的专业设置少，人才队伍小，喷灌技术

集成研究不足。 灌溉企业规模小，研发、生产力量薄弱；涉农产品价格、利润

低，影响产品的高投入研发。 设备研发单位与企业生产单位合作交流较少，产学研优势没有得到充分发挥，研究成果转化率较低。

重建轻管现象普遍，产品技术服务滞后，基层技术人员和农民用户的培训不足。

发展趋势

向低能耗、变量、精确灌溉技术方向发展 向多功能、轻小型节水喷灌装备方向发展 配套性和可靠性高，信息化与自动化水平高 注重喷灌技术与设备的多元化与个性化

措施 加强喷灌技术基础理论研究，优化产品性能 日益广泛地应用新技术、新材料与新工艺

三、江苏大学流体中心简介 江苏大学以工科为特色的教学研究型综合性大学，综合实力位居全国 70位左右。

是首批具有博士学位授予权的全国重点大学。

流体机械及工程学科是全国唯一以研究水泵、排灌机械、节水灌溉设备为主的国家级重点学科

流体中心是国家水泵及系统工程技术研究中心

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江苏大学流体机械工程技术中心是我国重要的流体机械、排灌机械的研发中心；

中国农机学会排灌机械分会挂靠单位，《排灌机械工程学报》杂志主办单位；

国家、省、部级排灌机械及泵类产品的检测中心； 全国“现代水力机械培训中心”。

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科研大楼 喷灌大厅

实验设施

多功能水泵综合实验台

离心泵 PIV 实验

3D PDPA 测试系统喷头实验

研究成果 通过省、部级鉴定 200余项 获国家科技进步奖 4 项 获省部级科技进步奖 90余项 获国家教学成果二等奖２项 获国家专利 50余项 著作及各类标准 50余部 发表论文 1500余篇

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国家科技进步二等奖

国家教学成果二等奖

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与全国 1000余家企业开展合作 80%的喷灌机组 70%的泵 CAD软件 60%的无堵塞泵 50%的小型潜水电泵和无过载泵 40%的轴流泵水力模型 30%的水泵试验台 广泛应用于节水灌溉工程、泵站

工程及南水北调等大型工程

国际领先的系列轴流泵水力模型

引滦入津天津尔王庄泵站

研究成果

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行业地位和优势

60年代，为了解决国家燃油紧缺研制的内燃水泵获得全国农机展览会特等奖、全国科学大会奖。

70年代，研制的喷灌机械是为了解决农业节水、增产而立项的重大项目，两个全国联合设计组均由我们牵头。

80年代，研制的小型潜水电泵、微型泵等是国家“七五”、“八五”规划中的更新换代和节能产品，获国家科技进步奖。

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90年代，为环境保护需要，研制的污水污物潜水电泵系列产品被列为国家级新产品。

新世纪以来，围绕国家经济建设和产业政策需求，在节水灌溉设备、大型水利工程用泵、核电泵等领域取得了一系列重要进展。如南水北调工程已建的 13座泵站中， 10个泵站采用国内模型，7 个是我们的模型。

行业地位和优势

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1. 潜水泵理论与关键技术研究及推广应用

产量占全国潜水泵总产量 50％以上，领导全国潜水泵行业从上世纪 80年代中期的 10余家企业、年产不足 10万台发展到目前近 1000家企业、年产 1000余万台，开创了一个持续高速增长和繁荣的潜水泵行业。获国家科技进步二等

奖。

相关标志性成果

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2.系列轴流泵和斜流泵水力模型

成功用于南水北调东线工程的万年闸、刘山、台儿庄、江都四站等泵站，效率比国内外模型高 3%左右，占使用国内模型的 70%。获江苏省科技进步二等奖。

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3.离心泵水力设计进展及其内部流动三维湍流场数值模拟

研制的新产品推广应用后，每年产生 6000万元以上经济效益。获江苏省科技进

步一等奖。

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4.高效无堵塞泵的研究开发及推广应用与产业化

研究、开发了系列无堵塞泵产品，占全国无堵塞泵总产量的 60%，获国家及江苏省科技进步奖等。

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5.节能节材深井离心泵与一种低比转数离心泵设计方法

结构新颖，可靠性好，填补国内空白。单级扬程比国家标准提高 50%，降低生产成本 1/3，节能节材。获教育部科技进步二等奖及江苏省专利金奖等。

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6.泵站优化运行与节能策略

采用单变频器配置技术，成本是全调速投资的 1/12，回收期是 1/8。节能效果达20%以上，成果已应用于仪征石化、镇江自来水有限公司等。

近年来承担的相关国家节水灌溉项目项目名称 计划名称 项目编号 经费 年份

精确喷灌技术与产品 “ 十二五”国家863

2006AA100211 760 2015

变量喷洒低能耗轻小型喷灌机组 “ 十一五”国家863

2006AA100211 400 2010

新型喷微灌系统研制与产业化开发 “ 十五”国家 863 2004AA2Z4010 200 2005

轻小型移动式与大型自走式喷灌机组及配套产品研制与产业化开发 “ 十五”国家 863 2002

AA6Z3161300/

30 2005

变量喷洒轻小型喷灌机组完善与中试 国家农业科技成果转化资金

2011GB2C100015

60 2013

新型射流式节水灌溉设备的完善与中试 国家农业科技成果转化项目

2006GB2C100098 70 2009

离心泵基础理论和节能关键技术研究 国家杰出青年基金 50825902 200 2012

四、江苏大学喷灌技术及设备

轻小型移动式喷灌机组 系列新型自吸喷灌泵

新型井泵

系列全射流喷头

1 高效低能耗轻小型移动式喷灌机组

（（ 11）优化配置与节能降耗研究及试验）优化配置与节能降耗研究及试验首次构建出以水泵与管路工况为约束条件的喷灌机

组优化数学模型，提出基于遗传算法的优化配置与设计方法。

试验表明，该方法有效降低机组能耗，机组室外考核指标均达到合同要求。

型号 50ZB-35Q 50ZB-35D 50ZB-65QJ 65ZB-40C 50ZB-30C

机组动力形式 汽油机 电机 潜水电泵 柴油机 柴油机合同及试验值 合同 试验 合同 试验 合同 试验 合同 试验 合同 试验流量 (m3 /h) 15 14.2 25 24.6 20 19.5 30 29.3 16 14.4

扬程 (m) 30 28.7 25 24.1 65 66 40 38.3 30 29.0

转速 (r/min) 3600 3520 2850 2860 2850 2850 2900 2920 3000 2950

喷头数量及型号

14×10PXH

14×10PXH

20×15PY

20×15PY

3×30PXH

3×30PY

10×20 PY

10×20 PY

14×10PXH

14×10PXH

平均喷灌强度(mm/h)

8 7.13 8 4.52 8 7.68 8 6.69 8 7.13

喷洒均匀系数 0.85-0.90

0.8570.85-0.90

0.8780.85-0.90

0.8530.85-0.90

0.8570.85-0.90

0.857

一次灌溉面积（亩） 5.3 5.6 7.5 12.8 6.0 7.7 10.5 10.8 5.3 5.6

完成情况评价 完成 完成 完成 完成 完成

5 种喷灌机组主要技术指标完成情况对照表

高效节能自吸喷灌泵结构图 正反导叶结构图

机械密封

电机 叶轮 导叶体 堵阀

喷嘴泵体进水管

自循环射流器

出水管

创新地设计出自吸装置和回流孔阀门自动关闭结构，新型导叶涡壳组合式压水室结构。提出新型自吸喷灌泵设计理论与方法 。

（（ 22 ） 高效新型自吸喷灌泵、井用潜水电泵其关） 高效新型自吸喷灌泵、井用潜水电泵其关键技术研究键技术研究

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新型射流式自吸喷灌泵的研制与产业化开发

改善了自吸性能，同时提高了效率和可靠性。体积小，重量轻，为喷灌机组向小型化方向发展提供了技术支撑。获省、部级科技进步奖。

产品类型 对比项目 标准

规定值国内同类产品

国外同类产品

本项目技术指标 对比结果

自吸喷灌泵

自吸方式 - 外混式自吸 外混式自吸 射流式自吸 国内外

领先

效率 详见标准 50% ～57%

53% ～62%

61.1% ～68.8%

比国标提高5.3% ～ 8.9%

重量 - 23 ～ 29kg - 16.5 ～ 30kg平均降低 16%

以上自吸时间 /5m

详见标准 120s ～150s

100s ～140s

57s ～ 118s 缩短 32s ～ 74s

移动式喷灌机组

喷头类型 -单个中高压旋转式喷头

多个低压旋转喷头

多个低压旋转式喷头 国际先进

喷洒均匀系数 ≥0.75 0.75 0.75 ≥0.8

优于标准规定值

配套功率 在技术参数基本相同条件下与国内原有机组相比 平均减少0.8kW

重量 -平均152kg

-平均113kg

减少 39kg

喷灌泵与国内外同类产品技术经济指标对照表

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节能节材深井离心泵与一种低比转数离心泵设计方法

结构新颖，可靠性好，填补国内空白。单级扬程比国家标准提高 50%，降低生产成本 1/3，节能节材。获教育部科技进步二等奖及江苏省专利金奖等。

采用“叶轮极大直径设计法”，提高井泵的单级扬程，减少

高扬程井泵级数，提高了井泵性价比。

巧妙设计叶轮前盖板直径大于叶轮后盖板直径，大大减小叶

轮的轴向力，提高了运行的可靠性。

叶轮轴面设计图 反导叶导流壳轴面设计图 样机结构图

产品指标

课题研制50ZB-65QJ

意大利 Belardi 6X108CP6X10800010081000

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上海深井泵厂150QJ20-65/10

GB/T2816-2002

150QJ20-65/10

适用井径 (mm) Ø150 Ø150 Ø150 Ø150

额定流量 (m3/h) 20 21 20 20

额定扬程 ( m) 65 72 65 65

配套电机功率（ kw） 5.5 7.5 7.5 7.5

额定转速 (r/min) 2850 2850 2850 2850

同台测定流量 (m3/h) 20.1 20.1 20.3 20

同台测定扬程 ( m) 65.2 68.8 65.9 65

同台测定功率（ kw） 5.28 6.21 6.0 5.53

同台测定水泵效率（ %） 67.9 60.6 60.9 64

同台测定单级扬程 ( m) 10.9 8.6 6.6 6.5

水力件材料 工程塑料 工程塑料 铸铁 /

机组高度 ( m) 0.96 1.40 2.42 /

机组重量（ kg） 41.2 66.4 167.5 /

机组价格 ( 元 ) 1800 7980 17280 /

新型井泵与国内外同类产品主要性能与经济指标对照表

（（ 33 ）开发出）开发出 33 种新型抗磨损、耐腐蚀管材管件材种新型抗磨损、耐腐蚀管材管件材

料 料 成功开发出新型涂塑软管基础配方，提高涂塑软管的耐光、热老化性能、耐磨损和耐腐蚀性能。

提出新方法考察改性剂对涂塑软管性能的影响，可根据不同的使用场合，调节配方，形成系列产品。

改性剂含量 /%

基体树脂成本 /%

耐磨性能 /%

耐老化性能 /%

耐腐蚀性能

耐盐 /% 耐强酸 /% 耐强碱 /%

5% +1 +10.9 -33.9先加 后加 先加 后加 先加 后加+53 +29 +28 +3.6 +11.5 +16.7

10% +2 +17.4 +15.3 +12 +9.9 +4.1

15% +3 +17.4 -3.4 +47 +25 +5.5

改性剂含量对涂塑软管性能的影响

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属国内外首创，性能优良，节能节水。

2. 开发出系列隙控式全射流喷头

提出压力 / 流量调节机构的水力设计方法，喷头能实现正方形、三角形及任意形状喷洒域的喷洒。

发明了进口动静片调节与出口面积调节优化组合方法，解决变量喷洒喷头结构复杂、均匀性差的行业难题。

　　在全射流喷头上采用进口动静片结构，开发出变量喷洒全射流喷头、变出口摇臂式喷头。

变量喷洒喷头系列样机

3. 开发出系列变量喷洒喷头

变量喷洒喷头（江苏大学）

齿轮蝶阀式变量喷头（山东）

摇臂式变量喷头（西北）

Ohayon 变量喷头（美国）

产品结构

简单，可靠，拆装方便，成本低 复杂，成本高 密封性较差 复杂，成本高

水力性能

均匀性较好，射程变化范围较大

均匀性较好，射程变化范围较小

均匀性较好，射程变化范围较小 —

实现功能

已建立设计方法任意形状 正方形 正方形、拟星形 —

变量喷洒喷头性能对比表

4. 4. 变频机组变量喷洒节能技术 变频机组变量喷洒节能技术 建立了变频喷灌机组非圆形喷洒域的控制方法，节能

27％。实现了变域精确喷洒。

正方形喷洒效果图

1. 大口径（高比转速）自吸泵 产品特点：移动方便，快速启动，多种动力 用途：田间管道（渠道）输水、喷、滴灌系统水泵、 移动泵站 产品现状： 国内基本没有，国外较多 研究难点： 已有的自吸泵（外混、内混）设计方 法不能实现大流量、低扬程时的自吸

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五、正在研究的技术及产品

1. 大口径（高比转速）自吸泵

创新结构设计

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自吸装置

辅助装置

带真空泵

泵的自吸结构

三维造型

外特性预测

外特性曲线

•采用数值计算预测改进后的自吸泵性能，在泵额定工况下：

•Q=500m3/h ，扬程 H=43m ，效率 η=84%

与国外产品的差距 结构种类多样，适应各种需求 摇臂式、旋转射线式、 R33、 LF

喷头设计理论研究深入 驱动原理、阻尼技术、压力补偿技术、流道设计理论

运转稳定可靠 喷洒均匀性高，抗风能力强，调节方便，多功能化

2. 低压均匀喷洒喷头

43LF R33 R2000 MP 系列Rainbird

间断式散水机构示意图

散水齿重要结构： 散水齿宽度 a

齿厚 b

散水齿插入射流深度 h

水射流出口至散水齿的距离 c

散水齿结构尺寸对喷头水力性能的影响

实物图

间断式散水机构

喷头水力性能试验现场图不同齿数的散水盘实物图

优化结果：齿数 10， 插入水射流深度 1mm，齿宽

1.6mm，齿距射流出口 4mm

与喷头 R33LP水力性能对比

射程不同压力下喷头射程

（ m ） 当压力在 200kPa以下，射程保持不变；

当压力为 250kPa 和300kPa时，射程分别减少了 0.5m 和 0.8m。

最大均匀系数

不同压力下喷头最大均匀系数（ % ）

散水齿的增多有利于提高喷灌均匀系数，且能降低喷头工作压力，

降低至160kPa （ R33LP最低工

作压力 175kPa） 实现了低压均匀喷洒。

3. 大中型旋转式喷枪

国内产品性能堪忧：于上世纪 70年代末引进、仿制，但至今质量不过关。目前，生产实践中应用的大中型喷枪主要从美国、意大利等国家进口，虽然质量好，但价格昂贵。

预期目标：掌握喷枪设计、制造方法及关键技术，研制拥有自主知识产权、运行稳定可靠的大中型喷枪。

方法：通过喷枪的运动分析、水力分析，掌握喷枪的运行规律和水力设计方法。

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1 单晶太阳能电池板 1000W/48V

2 太阳能水泵控制器 电压范围 46-65V

3 太阳能水泵 最大扬程 3.5立方 / 小时，最大流量 25米

4 光伏线缆 4mm2 光伏线缆

5 光伏连接器MC4连接器三通连接器

6 太阳能支架 钣金材料加工，表面镀锌喷塑处理

7 万向轮 直径 20cm

8 定向轮 直径 20cm

太阳能电池泵

控制器

4. 高效太阳能抽水灌溉系统研发 针对光电转化系统与水泵的匹配性能差、运行效率低的现状，建立光伏水泵系统出水量预测模型，提出太阳能离心泵的水力优化方法，研制出 1kW 可移动式太阳能智能灌溉系统

太阳辐射强度与出水量

不同时刻的太阳辐射强度与出水量

太阳辐射强度变化趋势是从中午到下午逐渐降低

光伏水泵的出水量随之减少

两者变化规律基本一致

出水量随太阳辐射强度变化曲线

>1000 W/m2 ，出水量基本不变

1000 W/m2 至 500 W/m2 ，出水量 下降缓慢

<500 W/m2 ，出水量急剧减小

<100 W/m2 ，系统停止工作。

三种不同峰值功率光伏阵列的出水量

光伏阵列的峰值功率越大，光伏水泵系统的出水量越大应根据光伏水泵运行的最大负载 , 合理选择光伏阵列的峰值功率

不同峰值功率光伏阵列的出水量

适应：作物轮作倒茬种植，密植作物与高杆条播作物混种

施肥器

过滤器

滴灌带

喷头

平面布置图

喷灌系统结构图

滴灌系统结构图

5. 喷滴灌两用灌溉机组

（ a) 喷灌模式

(b) 滴灌模式

首部结构

完成机组模式与首部结构设计

开发出喷滴灌两用自吸泵（ 50ZB-25C ）

喷滴灌两用自吸泵结构

喷滴灌两种运行工况效率都很

高自吸性能高

型号 流量/m3 /h

扬程/m

转速/r/min

效率/%

自吸时间 /s

50ZB-25C 15 25 3000 66 59

喷灌工况 12.03 29.7 65.1

滴灌工况 18.14 10.6 64.2

喷滴灌两用灌溉机组基本参数

型号 工作水头 /m 流量 /m3 /h 射程 /m 喷嘴直径 /mm

15PY 25 1.91 14.5 5×3

工作水头 /m

流量 /

L /h滴头间距 /m 流态指数 毛管间距 /m 毛管直径 /mm

10 2.7 0.3 0.55 0.8~0.9 16

喷头数 /

个支管长 /m 分区 / 个

毛管数 / 条 /

区地块长 /m

地块宽 /m 面积 /hm2

6~7 90~105 17~21 34~38 90~105 90~105 2.7~3.3

系统参数

喷灌参数

滴灌参数

能耗分析

A(hm2)

m(m3

/hm2)

M(m3)

Q(m3 /h)

T(h)P

(kW)

E(kW‧

h)

单工况设计 2.68 4200 11256 15.00 750 1.52 1140

两工况设计

喷灌 1.34 4200 5628 13.03 432 1.51 652

滴灌 1.34 3000 4020 16.14 249 1.53 381

能耗 E 计算公式： E=T×P 其中， T=M/Q ， M=A×m

单工况设计的能耗 E1 =1140 kW h‧

两工况设计 E2=648+381=1033 kW h‧

节能 9.4%

试验与计算结果表明： 采用两工况设计节能 9.4%

喷灌均匀系数 0.8

滴灌均匀系数 0.92

试验测得喷灌与滴灌的实际工况与计算结果基本相同

完成喷滴灌两用灌溉机组室内外实验

喷滴灌两用机组室外试验布置

滴灌水肥一体化技术是一种以肥调水、以水促肥，产生水肥协同效应的技术，是滴灌技术今后的发展方向之一

滴灌灌水器与施肥装置是实施滴灌水肥一体化技术的关键设备

6. 滴灌关键设备与技术

新型滴灌灌水器产品研发 单流道异型扰流滴灌灌水器

试验模型照片 流道单元

水流冲击异型绕流体的凹形反向挑流弧，受挑流弧的壁面影响，一部分水流改变方向，向侧角圆弧方向流动，增加侧角的流速与紊流强度，冲刷流道，提高流道的消能、抗堵塞能力。

6. 滴灌关键设备与技术

初步试验结果：流态指数为 0.49，通过 0.07~0.1㎜的 粒径、 1%浓度浑水时，灌水器未发生堵塞表明：出流均匀，抗堵塞能力强。

流道单元

试验模型照片

新型滴灌灌水器产品研发 双流道异型扰流滴灌灌水器

射流脉冲滴灌灌水器 不对称结构

反馈控制通道 分流劈 流道喷嘴

平面示意图

实验模型照片

利用射流附壁与换向技术，使水流按照一定的频率，交替进入两条流道，在流道内形成脉冲水流，增强水流紊动强度，冲刷流道，提高出流均匀性与抗堵塞能力。

平面示意图

反馈控制通道 分流劈 流道喷嘴

实验模型照片

对称结构

初步模拟及试验结果：水流波动强烈，切换不明显，通过进一步优化结构，改变试验条件，能获得结构简单、性能优良的射流脉冲滴灌灌水器

新型射流施肥泵

结构示意图射流元件模拟换向图

数值模拟表明： 射流施肥泵的射流元件，在进口压力为 0.3Mpa 、反馈压力为 0.06~0.24

Mpa 时，射流均可以自由转换，水流可自动换向，驱动活塞往复运动。 目前正在加工样机，准备试验

射流元件

活塞 注肥口

吸肥口

推进腔 复位腔排空道

射流元件示意图

自吸机理水 -气 -水，如何排除气体，实现水的连续运

动气液两相流、瞬态流动、启动过程 水滴破碎机理水柱 -水滴，与喷洒外特性的关系等

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7. 涉及的流体流动机理研究

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