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微孔陶瓷灌水器流量影响因素研究

作者:菲律宾4大赌场    更新时间:2020-11-22 23:17

  微孔陶瓷灌水器流量影响因素研究_数学_自然科学_专业资料。微孔陶瓷灌水器流量影响因素研究 李向明 杨建国 【摘 要】摘要:制备了 3 种孔径相同但开口孔隙率不同的粘土基微孔陶瓷,将 3 种微孔陶瓷加工成圆片并分别组装成灌水器,以灌水器的水力性能研究为基 础,

  微孔陶瓷灌水器流量影响因素研究 李向明 杨建国 【摘 要】摘要:制备了 3 种孔径相同但开口孔隙率不同的粘土基微孔陶瓷,将 3 种微孔陶瓷加工成圆片并分别组装成灌水器,以灌水器的水力性能研究为基 础,详细讨论了灌溉系统的水头以及微孔陶瓷片厚度和开口孔隙率对灌水器流 量的影响。结果表明,微孔陶瓷灌水器的流量与灌溉系统的水头呈正比;微孔 陶瓷片的厚度和开口孔隙率对灌水器的流量均有影响,其中开口孔隙率的影响 最大,厚度的影响次之;由于微孔陶瓷的渗透系数与开口孔隙率满足幂函数关 系,故随着微孔陶瓷开口孔隙率的增大,灌水器的流量呈幂函数快速增大;随 着微孔陶瓷片厚度的增加,灌水器的流量缓慢降低。 【期刊名称】农业机械学报 【年(卷),期】2016(047)004 【总页数】7 【关键词】微孔陶瓷; 开口孔隙率; 灌水器; 渗透系数 引言 渗灌是一种传统但节水效果显著的灌溉方法,具有节水效率高、生产成本低、 抗堵塞等优点,被广泛用于干旱和半干旱地区[1-6]。微孔陶瓷内部存在大量的 微孔,这些微孔彼此连通形成的微孔道具有很好的毛细作用[7-8],能够将接触 到微孔陶瓷的灌溉水迅速吸入到微孔陶瓷内部的微孔道中。由于微孔陶瓷内部 的孔径很小,会对在微孔道中流动的水产生很大的阻力,而且孔径越小,阻力 越大,因此微孔陶瓷对灌溉系统中的有压水流具有很好的消能作用,灌溉水经 微孔陶瓷消能后可稳定入渗到土壤中。实际上,微孔陶瓷应用于渗灌由来已久, 早在两千多年前,中国就有关于微孔陶瓷渗灌的记载[1],当时的渗灌多以陶罐、 瓦管和陶土头等作为终端渗水装置[9-14],灌溉水通过这些装置内部相互连通 的微孔渗出,直接向作物根系附近土壤供水。 近几年,随着微孔陶瓷在渗灌领域的应用逐渐被认可,国外一些学者对影响微 孔陶瓷渗水性能的因素进行了探索研究,并得出了一些初步结论。通过对多孔 陶瓷管和陶罐的水力性能研究发现,微孔陶瓷的渗水速率受微孔陶瓷厚度、渗 流面积和渗透系数的共同影响,且微孔陶瓷的渗透系数是影响微孔陶瓷渗水速 率的主要因素[12-14]。一些学者基于分形几何理论推导出渗透系数与分形维数、 开口孔隙率和孔径的函数关系,得出微孔陶瓷的渗透系数主要依赖于其开口孔 隙率和孔径[15-20]。截至目前,关于微孔陶瓷的渗透系数和开口孔隙率关系的 理论研究虽有少量报道,但由于渗灌用微孔陶瓷的规范化制备工艺一直未得到 重视,基于实验的相关研究难以开展,因此关于微孔陶瓷开口孔隙率和厚度以 及灌溉水头对灌水器流量的综合影响规律仍不明确。 一般来说,采用常规烧结工艺制备的微孔陶瓷的孔径均为微米级,但原料成分 和制备工艺对微孔陶瓷的开口孔隙率影响却很大[21-23]。因此,相对于变化微 小的孔径,研究开口孔隙率对渗透系数的影响更有必要。为了准确研究微孔陶 瓷开口孔隙率和厚度对微孔陶瓷灌水器流量的影响规律,尽量排除微孔陶瓷孔 径变化以及灌水器形状差异对研究结果的影响,应先制备出孔径相同而开口孔 隙率有所差异的微孔陶瓷。近两年,笔者探索出了多套渗灌用粘土基微孔陶瓷 的规范化制备工艺,其中以粘土为主要原料,以炉渣为性能改良剂,采用烧结 法制备的粘土基微孔陶瓷具有力学性能稳定、开口孔隙率高、制备成本低的优 点,非常适合用于制备渗灌灌水器[24]。 本文在前期研究的基础上,通过工艺改进,制备 3 种孔径相同但开口孔隙率不 同的粘土基微孔陶瓷;将微孔陶瓷加工成规则的圆片,安装于尺寸完全相同的 塑料外壳中,组装成灌水器;以微孔陶瓷灌水器的水力性能研究为基础,讨论 微孔陶瓷片开口孔隙率、厚度、渗流面积以及灌溉水头对灌水器流量的影响规 律,并尝试拟合灌水器流量与微孔陶瓷片开口孔隙率、厚度、渗流面积以及灌 溉水头的函数关系。 1 材料制备与实验方法 1.1 材料制备过程 粘土(SiO2 质量分数 55%以上,Al2O3 质量分数 35%以上)取自陕西渭河三级 阶地,经水洗、干燥、破碎、混合均匀后过 80 目筛(粒径 0~0.178 mm)待用。 炉渣取自中国旱区节水农业研究院锅炉房,经水洗、干燥、研磨后过 50 目筛 (粒径 0~0.270 mm)待用。将粘土和炉渣按比例混合后置于行星式球磨机中, 一部分低速球磨 5 h(自转速度 180 r/min、公转速度 200 r/min),另一部分高 速球磨 2 h(自转速度 360 r/min、公转速度 400 r/min)。向原料中加入适量的 硅溶胶(SiO2 质量分数 25%,平均粒径 8~15 nm),搅拌均匀后,倒入模具中 采用 10 MPa 压力冷压成 φ35 mm×50 mm 的坯体。将坯体阴干后放入高温 炉中烧结成微孔陶瓷,烧结温度 1 050~1 100℃,烧结时间 1~2 h。将微孔 陶瓷加工成直径为 30 mm,厚度分别为 4、6、8、10 mm 的圆片试样。利用 超声波清洗器将圆片试样清洗干净,然后放入塑料外壳中组装成如图 1 所示的 灌水器。 如图 1 所示,灌水器由上外壳、下外壳和 2 个橡胶圈组成,灌水器的上外壳设 有进水口,下外壳设有出水口。安装时,微孔陶瓷片置于上外壳和下外壳中间, 并由上、下 2 个橡胶圈进行密封。在进行水力性能测试时,水流由进水口进入 灌水器,然后经由微孔陶瓷片向下方渗流,最后经由灌水器的出水口排出。 1.2 测试指标与实验方法 开口孔隙率采用阿基米德排水法测试,测试结果取 3 个样品的平均值。微观形 貌采用扫描电子显微镜(SEM,S4800 型,Hitachi,日本)观察。抗弯强度采用 万能试验 机 (CMT4204 型,新三 思,中 国 深圳 ) 进行测 试,试 样尺寸为 3 mm×4 mm×40 mm,跨距为 30 mm,加载速度 0.5 mm/min,测试结果取 3 个样品的平均值。物相成分采用 X 射线衍射仪(XRD,X’Pert Pro,飞利浦 公司,荷兰)进行分析,扫描角度为 10°~70°,扫描速度为 5(°)/min。孔径利 用压汞仪(Porema

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