本文是一篇农学论文，农业生产对象的多样性和生产条件的复杂性，决定了农业科学的范围广泛和门类繁多，其中有侧重基础理论的，也有侧重应用技术的。随着有关学科的相互渗透，新的研究领域层出不穷，学科内容范围还在不断扩大。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇农学论文，供大家参考。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
我国水资源量存在严重不足[1-2]，且水资源供需矛盾十分突出，同时我国又是农业大国，农业供水量的不足严重影响农业经济收益[3]，大力推广先进的节水灌溉技术，对缓解水资源不足、提高农业产量有着深远的意义[4-5]。滴灌是一种先进的节水灌溉技术[6]，可通过安装在毛管上的滴灌灌水器以滴水状出流的形式湿润作物表层及根系附近的土壤[7]。滴灌灌水器流道可有效地消除其进口的多余能量，降低整个管网内灌水器的流量偏差率，保证出流均匀[8]，而灌水器流道的结构和类型直接影响滴灌灌水器的灌水质量和稳流性能[9-10]。因此，开展灌水器的流道设计、水力性能分析、额定流量设置、流量预测以及流道结构优化等方面的研究对于提高滴灌灌水器整体性能和产品研发有着深远的意义，也是本文的主要研究内容。
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1.2 国内外滴灌灌水器的现状与进展
灌水器的发展主要经历了三次大的改变，第一次主要是 19 世纪 80 年代至 20 世纪的20 年代，1880 年排水瓦管的首次出现对农业的增产起到了推动作用[11-12]，到 1920 年出现了依据瓦管灌溉的模式，在输水管道上打孔（穿孔管），形成水从不同位置的孔眼中流出的灌溉形式；第二次主要是在 20 世纪的 20 年代到 60 年代，在 1934 年 Robey 发明了渗水灌溉形式（帆布管渗水），直到 20 世纪 60 年代以后随着世界发达国家工业的迅速发展，尤其是以色列所研制的长流道灌水器在农业中的成功应用，使得滴灌技术得到更大范围的推广；第三次是从上世纪 90 年代开始，灌水器的研究和滴灌技术的发展已在全世界形成非常大的规模，但由于以色列对滴灌技术的研究起步早，因此一直处在世界滴灌技术开发与应用的前列。我国对于灌水器的使用和研究起步较晚，自上世纪 70 到 80 年代国内才有了引进的成套滴灌灌溉系统，起初主要是靠引进国外的滴灌系统进行小范围灌溉，同时学习国外的先进技术，研制了少部分滴灌产品，但由于性能、加工工艺等方面的原因，灌溉质量得不到保证。直到 90 年代以后，我国一方面高额引进购买世界先进滴灌产品、滴灌技术、加工工艺、产品专利以及加工模具，一方面学习和仿制同类型的灌水器，并与国外企业合作，共同开发研制新型的灌水器，经过不断地研究、开发和测试，目前我国自主研制的灌水器品种较多，性能已达到先进水平[13]。
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2 双向对冲流灌水器流道试验研究
灌水器流道作为保证灌溉质量的核心部件，其结构和形式的变化可以将有压水流通过消能稳流作用消除流道内的多余压力，提高灌水均匀度，因此流道结构对于灌水器性能的提高起到极其重要的作用。双向对冲流灌水器主要可产生正向和反向两股水流，通过双向流混掺，提高消能效果，通过试验测试对灌水器的水力性能、流道的消能机理以及流道几何参数对其性能的影响进行研究，同时为数值模拟方法的研究提供数据支撑。
2.1 双向对冲流灌水器流道设计
从流道内产生局部水头损失的角度考虑，可借助管道转折原理、流道断面形式的突扩、突缩、渐扩、渐缩以及分流和碰撞作用，形成水体在流道内的分流、对冲和混掺现象，增大水头损失的产生，进而消除流道内多余的能量。因此，在对于灌水器流道结构的设计中，适当增加灌水器流道断面结构类型的多样性，并通过流道断面的不同结构类型产生多种局部水头损失形式共同作用，从而设计了一种滴灌双向对冲流灌水器，其流道内部可以形成正向和反向水流，并产生正、反双向流的对冲与混掺，进而消除流道内多余压力。滴灌双向对冲流灌水器流道主要包括 5 部分，每个分水件和挡水件组成一个流道单元，其流道结构模型如图 2－1 所示，其中分水件与挡水件可以形成分流、正向流、反向流和双向对冲混掺流等多种流体运动形态，是流道设计的核心部件。
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2.2 双向对冲流灌水器工作原理
灌水器流道的工作原理见图 2－2，灌水器流道由于受到分水件与挡水件的作用可将流道大体划分为分流区、对冲混掺区、突缩区以及突扩区，其中分流区和对冲混掺区是形成正、反双向水流混掺以及消除大量能量的核心区域。当有压水流进入流道后，首先受到前端分水件的阻挡和分流作用，可将整体的水流分成沿流道上边壁和流道下边壁的两股水流，分流作用可以改变整体流速较大的水流流向，消耗整体水流能量，同时由于分水件的设置，使得流道断面减小，断面的突缩作用会产生局部水头损失，消除流道内水体的部分能量；流经分水件的其中一股水流将会受到后端挡水件的阻挡作用，流向发生变化，形成反向水流，并受到流道的收缩作用，从而再次产生局部水头损失，消除水体部分能量；之后沿分水件与挡水件之间的过水通道流出的反向水流，将在挡水件的齿尖处与沿边壁流动的正向水流交汇，形成剧烈的对冲与混掺，是滴灌双向对冲流灌水器消能的核心；最后产生对冲与混掺所形成对冲混掺流在流经挡水件的齿尖末端受到流道断面的突扩作用，进而消耗流道内多余的能量；有压水流经过多次反复的能量消耗，最终将会达到消能稳流的作用，使灌水器的出流趋于稳定。
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3 双向对冲流灌水器流道数值模拟方法......... 38
3.1 数学模型建立 ...... 38
3.2 FLUENT 软件计算设置............... 43
3.3 影响 FLUENT 数值模拟精度的主要因素.......... 45
3.4 数值模拟方法的综合评价指标 .............. 47
3.5 灌水器流量与流速测试结果 ...... 48
3.6 评价指标 .............. 54
3.7 模拟组合精度综合评价分析 ...... 71
4 灌水器水力特性数值模拟研究......... 72
4.1 灌水器水力性能分析 ...... 72
4.2 灌水器流道压力场及压降分布特征 ...... 80
5 基于支持向量机的灌水器流量预测响应面............. 88
5.1 支持向量机（SVM）程序数学模型构架.......... 88
5.2 支持向量机（SVM）流量预测模型...... 93
5.3 灌水器流量预测模型样本集 ...... 94
5.4 预测流量的支持向量机（SVM）参数及优化方法...... 99
5.5 灌水器流量预测 ............ 102
5.6 灌水器流量预测模型验证 ........ 114
6 双向对冲流灌水器流道参数优化
对于灌水器流道优化主要目的在于对其流道几何参数进行最优组合、局部结构进行合理设计，以期达到性能最佳，流道的优化在很大程度上提高了灌水器的水力性能。而在对灌水器流道优化时主要关注两方面的因素，第一，优化的目标函数，即灌水器水力性能评价指标，是优化计算的前提；第二，如何解决支持向量机（SVM）预测模型与优化算法的数据交换问题。针对以上两点，对灌水器流道优化时主要有以下两方面的考虑：第一，提出了一种在灌水器设计和生产中更为合理和简便的评价水力性能的新指标—稳流指标；第二，在基于支持向量机的流量预测响应面和稳流指标定义的基础上，构建支持向量机的稳流指标响应面，并与遗传算法结合、以稳流指标最小化为目标函数优化灌水器流道几何参数，实现支持向量机到遗传算法的数据传输与循环（核心在于程序端口之间的数据交换），即将 SVM 流量预测程序和稳流指标响应面计算作为遗传算法程序的子程序循环调用。旨在为设计不同压力区间、不同额定流量的灌水器系列产品提供一种更为合理和准确的流道优化方法。
6.1 灌水器水力性能评价指标—稳流指标建立
流态指数作为对灌水器产品检验和水力性能评价的指标存在一定局限性，第一，该评价指标更加适合于灌水器在工程设计中应用和灌水器产品定型之后的水力性能评价，但在灌水器的流道设计和产品生产阶段对于其性能的检测并不适合，同时为了追求指数的最小化，流量往往很大程度上偏离了设计所要求的额定流量，无法准确设计生产不同压力范围相同额定流量或相同压力范围不同额定流量的系列产品；第二，流量与压力关系中含有流态指数和流量系数两个变量，实质上是一个双变量评价问题，需要通过多元回归，同时计算两个变量才能评价灌水器的水力性能，在评价水力性能时多有不便，在回归计算中还存在拟合误差；第三，若采用流态指数评价灌水器水力性能时，其前提条件需在流量系数相同的情况下才具有可比性，但对于流道结构相同而参数尺寸不同的灌水器来说，采用这一评价指标并不全面。因此，为了克服水力性能评价方法的不足，提出灌水器流道的稳流指标作为评价指标，同时以稳流指标最小化为灌水器流道优化的目标函数，优化不同压力区间和不同额定流量的灌水器流道参数。#p#分页标题#e#
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结论
本文以双向对冲流灌水器为研究对象，通过开展水力性能测试、消能机理研究、流量预测和结构优化，旨在揭示双向对冲流灌水器的几何参数、压力、流量、稳流性能和消能机理的内在联系，并提出适于不同压力区间、不同额定流量的灌水器系列产品的优化设计理论与方法，主要研究结论如下：
（1）依据正交试验设计安排 25 组灌水器试验方案，并采用高精密雕刻机同比例制作灌水器样机进行流量和水力性能试验，工作压力在 50～250 kPa 范围的流量为 2～6 L/h，流量系数为 0.359～0.509，流态指数为 0.432～0.464，水力性能相比迷宫式流道有明显的提高；依据水力学、流体力学和圆管紊流理论定量计算流道的局部水头损失系数，其值为6.70～19.13，与传统灌水器流道所产生的局部损失系数相比，消能效果明显提高；各几何参数影响的极差分析、方差分析结果表明，流道几何参数 Z（流道分水件与挡水件之间的最大过水通道宽度）对流态指数的影响最大，W（流道挡水件与流道边壁之间的过水通道宽度）影响最小，几何参数 S（流道分水件与流道边壁之间的过水通道宽度）、Z（流道分水件与挡水件之间的最大过水通道宽度）、d（流道挡水件垂直底柱的高度）与流态指数呈负相关，T（流道分水件齿尖与挡水件齿尖之间的过水通道宽度）、W（流道挡水件与流道边壁之间的过水通道宽度）与流态指数呈正相关，其中 S、Z、d、T 对结果影响均显著。
（2）对 FLUENT 软件中的各物理模型和壁面函数的 15 种模拟组合方法进行精度对比，以流量实测值和 PIV 流速实测值为基础，从宏观和微观两个角度分别建立了宏观流量评价指标和微观流速评价指标，其中宏观评价指标中增强壁面处理的 RNG k-ε 模型的模拟精度最高，与流量实测值的平均相对误差（宏观评价指标值）为 1.667%，而在微观评价指标中增强壁面处理的 SST k-ω 模型的模拟精度最高，流速平均相对误差（微观评价指标值）为 2.202%；同时采用线性加权型评价模型建立综合评价指标体系，两个指标的权重系数为 0.6 和 0.4，综合对比增强壁面处理的 SST k-ω 模型的综合评价指标值为1.973%，能更为精确和合理地模拟计算双向对冲流灌水器的流量和流道各点的流速。
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参考文献（略）
