Comparative analysis of calculation methods in hydraulic design of micro-irrigation laterals

Mikro-sulama sistemi lateral borularının hidrolik tasarımında hesap metotlarının karşılaştırılmalı analizi

Abstract

An important objective of any micro-irrigation (drip, trickle) system is a uniform distribution of water delivered through the emitters along the lateral line. Adequate analysis of micro-irrigation laterals is very important for the design and evaluation of micro-irrigation systems. The increasing progress in computer technology has led to the development of numerical methods of hydraulic analysis as the finite-element method, the finite difference method, successive approximations method, and others. Lateral pipes are hydraulic structures whose design is limited by the desired level of uniformity, pressure head variation and total friction loss criteria. Design of this system depends upon a good understanding of lateral hydraulics and emitter characteristics. Hydraulically, flow in the lateral pipe is considered to be a steady, spatially varied flow with decreasing emitter outflow in the downstream direction. With decreasing discharge along the lateral, the energy gradient line decreases. Computation of flow distribution requires knowledge of the variables such as pressure, flow rate, length or internal diameter of the lateral, orifice characteristics, and frictional losses in the system. The hydraulic design of a lateral or a sub-main unit in a micro-irrigation system has been a problem tackled by many authors. In applications of previous analytical approaches for trickle lateral hydraulic computation, the primary solution is based on a discharge that is uniform, although ramifications of the manufacturer’s variability have been modeled based on the derived hydraulic profile. However, significant deviations from accurate numerical solutions in hydraulic analysis could be caused by this basic assumption of constant emitter outflow. Recently, some alternative hydraulic calculation methods with more accurate results were developed based on the spatially variable outflow approach. The errors caused by the basic assumption of spatial invariance of the emitter outflow are minimized when the new alternative approaches are used.Design of a lateral pipe includes the determination of the required operating inlet pressure head, the pipe length or the inside diameter and total friction head losses along the lateral, assuming that the total flow rate at the inlet, characteristic of the emitter, and the acceptable level of uniformity are known previously.In the first stage of this study, basic principles of lateral hydraulics are clearly analyzed, and then basic equations of the seven hydraulic calculation methods are evaluated based on the governing equations for the steady flow in a smooth pipe. In the second stage, for determining optimum value of the inlet pressure head, hydraulic criteria depend on the initial and boundary conditions along the pipe, are also evaluated.In the third stage, the comparison test for the design example based on determination of inlet pressure head was applied for zero and uphill slope cases and various emitter characteristics, and showed graphically in dimensionless form. In these figures, residual flow rate ratios, variation of total friction head losses and uniformity coefficients depend on the operating inlet pressure head range are also evaluated. Comparison test shows that the Forward-Step-Method (FSM) that takes into account the velocity head change and variation of the Reynolds number, which affects the selection of the proper friction coefficient formula to be applied along the different reaches of the lateral pipes, has the highest accuracy because only the basic equations of the hydraulics of steady pipe flow were used. To apply the method, a computer program in Visual Basic 6.0 language named LATCAD was developed for analyzing and designing of micro-irrigation laterals. A comprehensive comparison test clearly shows that the FSM method using LATCAD yields highly accurate results in comparison with the other analytical and numerical procedures examined here.

Özet

Mikro-sulama sisteminin temel unsuru olan lateral borular, sistemin tamamında öngörülen üniformluk seviyesi, basınç yükü değişimi ve toplam sürtünme kaybı kriterlerine bağlı olarak tasarlanabilen hidrolik yapılardır. Hidrolik bakımdan lateraldeki akım, mansap yönünde damlatıcı debisindeki azalmayla birlikte, yere bağlı değişken debi fonksiyonunun geçerli olduğu düzenli boru akımıdır. Mikro-sulama sistemi lateral borularının projelendirilmesinde genellikle takip edilen metot, öngörülen damlatıcı özelliği, lateral boru uzunluğu ve boru çapı için, damlatıcı debileri arasındaki değişimin belirli bir sınır değerini aşmamasını sağlamaktır. Bir başka anlatımla, damlatıcı debileri arasındaki değişimin kabul edilebilir bir üniformluk katsayısını sağlayacak biçimde düzenlenmesidir. Diğer taraftan, lateral boyunca menba ve mansap noktalarındaki başlangıç ve sınır şartları ile belirlenen bir projelendirme aralığı içerisinden, sistemde öngörülen toplam yük kaybı ve üniformluk seviyesi kriterlerini sağlayacak optimum giriş basınç yükü değerinin belirlenmesi lateral hidroliğinin temel problemidir. Zira lateral boyunca enerji çizgisinin değişimi ve çıkış akımı dağılımı, lateral girişindeki basınç yükü değerine bağlı olarak farklı profillerde oluşmaktadır. Çalışmanın ilk kısmında, üniform eğimli ve sabit çaplı bir lateral boru için lateral hidroliğinin temel prensipleri sunulmaktadır. Çalışmanın ikinci kısmında, sabit veya yere bağlı değişken debi yaklaşımlarından hareketle ortaya konan 7 adet hidrolik hesap metodunda, tasarım parametreleri için elde edilen başlıca denklemlere yer verilerek, optimum giriş basınç yükünün belirlenmesinde, sağlanması gereken hidrolik kriterler değerlendirilmektedir. Söz konusu metotların karşılaştırmalı analizi için, farklı eğim koşulları ve damlatıcı karakteristikleri için örnek bir uygulama seçilerek, her bir metottan elde edilen sonuçlar, boyutsuz eğriler halinde karşılaştırılmaktadır.