迷宫流道转角对灌水器抗堵塞性能的影

以转角分别为45.0°、60.0°、67.5°和75.0°的齿形流道灌水器为研究对象,应用CFD流场速度数值分析、PIV颗粒运动轨迹线和速度观测对比以及浑水抗堵塞测试相结合的方法,研究了转角对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响.结果表明转角与流量系数及流态指数均呈负相关关系,而灌水器的抗堵塞能力随着转角的增加呈下降趋势.综合分析转角对水力性能和抗堵塞性能的影响,提出迷宫流道结构灌水器的合理转角为60.0°.     

滴灌灌水器三角形迷宫流道优化设计

为了研究三角形迷宫流道滴灌灌水器的水力特性,将其结构作为研究单元,以流道转角、流道宽度和齿高3个结构参数为因素,采用均匀设计方法设计出10个结构参数组合方案.对于每个参数方案,通过AutoCAD对灌水器流道进行三维造型设计,采用计算流体动力学软件Fluent 6.2对流道内部流体的流动状态进行数值模拟,并且模拟分析灌水器内部流道的水力性能和流场特性,得到流道内部流场可视化图像,同时计算不同压力对应的流量值,通过回归分析建立压力与流量之间的量化关系和回归曲线图,并获得其流态指数.在此基础上,根据10个组合方案数据,通过多元回归计算,建立流态指数与结构参数之间的数学关系.以流态指数最小为目标,采用遗传算法,获得结构参数优化设计方案,得到一种流道内速度均匀分布、压力变化均匀递减、流量大小控制在滴灌允许范围之内、水力性能优良的三角形迷宫流道灌水器,可为三角形迷宫流道灌水器的参数化结构设计、制造中的精度控制以及最终的研发提供理论依据.     

涡漩对迷宫流道灌水器水流流态的数值影响分析

为分析涡漩对迷宫流道灌水器内部水流流态的影响.借助Fluent软件对矩形、齿形、三角形、梯形4种形式灌水器流道内部水流流场进行模拟,并最大限度地保留流道内主流区的流线边界,确定出4种圆弧形抗堵性能良好的无涡流道结构模型.对上述无涡流道及相应的有涡流道模型进行速度场以及压力场的研究分析.结果表明,无涡迷宫流道内水流流态介于层流与湍流之间的过渡区,水头损失与流速的线性斜率为1.49～1.60;有涡迷宫流道内水流流态为湍流,水头损失与流速的线性斜率为1.75～2.00;4组有涡流道模型的流态指数均靠近0.5,水力性能较优越;对于同一种形式的流道模型,去掉漩涡后,其流量系数变小,流态指数变大,灌水器的水力性能变差.模拟结果证明涡漩的存在可以增强流道内水流的湍动强度,提高迷宫灌水器的水力性能.     

弧型迷宫流道灌水器颗粒运移状态分析

弧形迷宫灌水器的消能方式主要为沿程水头损失,弧齿形迷宫灌水器主要为局部水头损失;弧形迷宫流道抗堵塞性能优于弧齿形,但其水力性能较差;颗粒在流道中发生旋转的临界速度约为0.5 m/s,当小于此速度时,颗粒易在漩涡处发生旋转,当大于此速度时,颗粒容易逸出漩涡进入主流道。因此,在设计弧齿形迷宫流道时,借助AutoCAD建模和计算流体动力学CFD数值模拟以及低成本PIV试件观测,减少流道内颗粒速度在0.5 m/s以下速度场的分布,以提高灌水器的抗堵塞性能。     

迷宫流道灌水器抗堵塞设计与PIV试验

为提高迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,通过数值模拟的方法对梯形流道内含沙量分布以及水沙流速进行了分析,并采用PIV测试优化前后流道内颗粒运动轨迹和速度来进行验证。结果表明:梯形迷宫流道灌水器流道内高含沙量区域主要在迎水面且流速较低的位置,在优化流道时可适当增加迎水面的修改,结合流道整体和加工需求可适当、甚至不修改流道背水面尺寸;以某一含沙量分布线作为流道边界,通过多次数值模拟获得较低含沙量的流道后,进行标准化再选取流道较宽的流道。该方法基本消除了沙粒大量集中的现象,获得抗堵塞性能较好的流道模型。经水沙速度分析和PIV测试验证了该方法不仅保持了灌水器优化前的水力性能,而且抗堵塞能力得到了提高。     

新型灌水器快速自主开发数字试验研究

在分析灌水器微小流道水力特性的基础上,利用ANSYS通用有限元分析软件实现其内流场中的流体流动仿真,可视化了灌水器的微观水力特性。以迷宫式流道为例,改变流道的结构参数进行数字试验研究,结果发现数字化的试验不仅能够有效地减少实物试验的次数,而且为其结构的性能验证提供了有益的参考。     

单齿型矩形迷宫灌水器水力性能的数值分析

以矩形流道灌水器以及加齿后矩形流道模型为研究对象,借助CFD流体分析软件FLUENT对不同尺寸的流道模型进行压力流量模拟分析,将分析后的结果以流道内最小过流断面为控制因素,进一步利用TECPLOT软件分析灌水器内速度流场的变化。结果表明,单齿型矩形流道迷宫灌水器的水力性能优于矩形流道迷宫灌水器;在同一种尺寸的矩形流道内加齿,随着齿高的增加,流量系数和流态指数均减小;当流道内加齿处的过流断面比保持一致时,流道的流量系数随尺寸的增加而增大;并且流道尺寸越大,加齿后流态指数降低程度越大,越有利于提高灌水器的灌水质量;相比于矩形流道灌水器,单齿型矩形流道具有较好的消能效率,为进一步研制高水力性能的灌水器提供一定的理论基础。     

矩形迷宫式滴灌灌水器的模拟研究

利用Fluent软件对滴灌灌水器流道内流体流动进行了数值模拟,得到了流道压力图、流速矢量图。根据流道内流线变化对灌水器流道结构进行了优化设计,采用了圆弧形流道结构。通过优化前、后的速度矢量图可知:优化后的滴头流道涡旋区和低速滞止区基本消除,虽然在流道拐弯处的小部分区域内流体流动速度仍有些偏高,但是从流道整体来看,优化后的流道内主流速度分布比较均匀,且流体充满整个流道,大大提高了灌水器的抗堵塞性能。     

齿间角对迷宫灌水器水力特性影响的数值模拟

为了探究迷宫流道齿间角对灌水器水力性能的影响,应用CFD流场和速度场的数值分析方法,研究齿间角度分别为50°,60°,70°和80°时正齿型和斜齿型迷宫灌水器的流场和速度场随齿间角的变化规律.研究结果表明:相比于RNG k-ε模型和SST模型,标准k-ε模型的计算结果与试验结果更加接近;正齿型和斜齿型迷宫灌水器通道内主要存在2处低速回流区,即齿型的左上侧低速回流区和右下侧低速回流区;相比于正齿型迷宫灌水器,斜齿型迷宫灌水器左上侧的低速区域较多,而右下侧的低速区域较少;随着齿间角度不断增加,灌水器内的流量不断增大,斜齿型迷宫灌水器内的流量增加受齿间角度的影响更为明显;正齿型迷宫灌水器的流量系数较大,但流态指数较小, 齿间角度为70°的正齿型迷宫灌水器的流态指数在所有灌水器中最小,其水力性能最好.     

滴灌灌水器流体流动机理及其数字可视化研究

在充分考虑灌水器流道边界条件以及各种微尺度因素影响的前提下，应用流体力学的一般原理分析灌水器微小流道中流体流态特征，并且利用N-S(Naxier-Stokes)方程描述灌水器微内流场，建立微小流道中流体k-ε紊流模型，通过对模型求解得到流场压力、速度分布．可视化了微小流道中流体的复杂流动，数字化的实验模型有效地减少了实物实验的次数，实现了高性能灌水器低成本、高效率的自主开发。     

弧形流道结构参数对灌水器水力性能影响的数值模拟

应用计算流体动力学CFD数值软件FLUENT6.3,模拟了滴灌灌水器弧形及弧齿形二种结构形式流道的流场水力性能。结果表明,弧形流道的消能方式主要为沿程水头损失,弧形流道灌水器的流态指数在0.7左右,而弧齿形流道中存在许多流动漩涡区,因此,其消能方式主要为局部水头损失,弧齿形灌水器的流态指数在0.5左右。通过对比分析认为:弧齿形流道水力性能优于弧形流道,可以通过结构参数优化设计,减小0流速区域,强化旋涡区,提高弧齿形灌水器的水力性能与抗堵塞能力,灌水器设计中推荐采用弧齿形流道结构形式。     

迷宫型灌水器流道结构与水力性能的模拟研究

为研究迷宫流道结构对灌水器水力性能的影响,利用有限元分析软件Femlab建立了不同流道断面面积和流道单元数模型,通过模拟得出灌水器流量压力关系和灌水器流速分布.分析表明:应用数值模拟的方法可以直观地反映灌水器内部水流运动规律;采用统计回归分析,灌水器的流量系数与断面面积呈正相关关系,与流道长度呈负相关关系;灌水器的流态指数变化不大;当流道长度和压力相同时,流量与流道断面面积呈正相关关系;当流道断面面积和压力相同时,流量随单元数的增加而逐渐减小,呈负相关关系.结果表明,采用有限元方法可以揭示迷宫型灌水器流道结构与水力性能之间的关系,对灌水器流道的结构设计具有一定的指导意义.     

齿型迷宫灌水器抗堵塞性能分析与结构优化模拟

【目的】揭示齿型迷宫流道灌水器物理堵塞的内在流动特性成因,同步优化提出高抗堵型齿型灌水器流道结构。【方法】基于CFD数值模拟技术中的Workbench数值计算平台,对5种不同齿型流道结构(含改进后流道结构)的灌水器进行水砂两相流数值模拟计算,分析了不同齿型结构水流流速、流道内湍动能、湍动能耗散率分布规律及物理颗粒运动轨迹等。【结果】提出了齿型流道结构优化改进方案,优化后的流道结构增加了灌水器内低速区域面积和低速区域湍动能值,区间湍动能范围同比最高提升了52%～200%,同时提高了物理颗粒的运移速率,减少了颗粒运移路程和滞留时间,提升了齿型迷宫灌水器的抗堵塞性能。【结论】齿型流道灌水器的抗堵塞性能与流道内低速区的流体速度及流道内湍动能大小分布密切相关,流速和湍动能较大的区域不易造成堵塞;湍动能最大值均出现在主流区,并且在齿尖迎水区达到最大;湍流动能耗散率分布与湍动能分布具有十分相似的规律,湍动能耗散最严重的区域分布在齿尖处,齿尖结构对灌水器的消能效果起关键性作用。     

三角绕流滴灌灌水器结构设计和优化

以三角绕流滴灌灌水器结构的流道单元为研究对象,利用Pro/E软件完成灌水器造型设计,结合计算流体动力学软件Fluent 6.3模拟分析流道的水力性能,研究此类灌水器的湍流特性,揭示其内部湍流流动机理,并对流道结构进行优化。根据分析结果,通过改变外部大三角的形状与内部小三角的形状和位置,对流道单元进行结构优化,得出一种流态指数小于0.5,流道内速度分布均匀,流量在滴灌允许范围内,抗堵性能优良的三角绕流灌水器结构。     

新型微压侧翼迷宫滴灌带设计方法研究

利用计算流体动力学(CFD)技术对设计的一种新型微压滴灌带的水力特性进行了数值模拟,得到了灌水器内部的压力和流速分布,预测了压力流量关系。研究结果表明:该滴灌带灌水器的流量系数为0.4858,说明流道内为全紊流状态,有利于灌水器的消能,并可提高其抗堵塞性;灌水器进口及出口的压力变化很小,流道内沿水流前进方向压力均匀下降,流道单元相同时,压力变化幅度相同;流道内的流速可分为流道齿尖附近的主流区及齿脚附近的旋流区二个区,每二个单元之间的速度分布基本一致。采用CFD技术进行微压滴灌带结构设计是一种新方法,可快速准确地获得灌水器的水力特性,为其结构设计提供理论指导,同时大大缩短了研制周期,降低开发成本。     

地埋式内镶贴片滴灌灌水器水力性能模拟研究

[目的]探究地埋式内镶贴片滴灌灌水器的水力性能。[方法]对具有M型双肩过滤出口的地埋式内镶贴片滴灌灌水器进行了不同工作压力条件下的流量测试试验,并采用RNGk-ε湍流模型分别对平面简化流道、实际微弯流道、实际微弯流道+进口、实际微弯流道+M型双肩过滤出口以及实际微弯流道+上述进出口的5种情况进行了相应工作压力下的三维数值模拟。[结果]三维全流道数值模拟流量与实测流量相近,其最大误差为8.87%。无控制的出口结构,水流在出水孔中心处形成旋涡,采用M型双肩过滤机构的出口会在主流两侧产生2个旋流,出水孔中心处无旋涡。[结论]地埋式内镶贴片滴灌灌水器流道模型的微弯对贴片灌水器水力性能有一定的影响。滴灌灌水器采用M型双肩过滤机构的出口有利出流且提高了抗堵塞性能。     

不同工作压力下穿孔形灌水器内的旋涡作用分析

为探究穿孔形流道内的旋涡对灌水器的抗堵塞与消能性能的影响,基于试验验证的数值模拟方法,对4种工作压力下流道中的流场分布、旋涡区的几何特征、涡旋强度及压力分布进行了分析,同时分析了该灌水器内不同粒径泥沙颗粒的运动情况.结果表明:旋涡区可对流道边壁进行持续冲刷清洗并减缓颗粒在流道内部的聚积,旋涡区可发挥抗堵塞作用;旋涡区内不同流速的流层间、旋涡区与主流区间、旋涡区与流道边壁间的摩擦作用都会消耗能量,旋涡区可发挥消能作用;旋涡区可在不同压力下形态稳定.以上分析表明,旋涡区在不同压力下稳定存在,并可提高滴灌灌水器的抗堵塞与消能性能,为灌水器的抗堵塞及水力性能优化提供参考.     

基于灰关联分析的卡门涡街形流道多目标优化

借鉴流体力学中的卡门涡街形状来设计滴灌灌水器的流道结构。提取关键结构参数,采用数值模拟方法进行正交试验,研究结构参数对性能指标的影响。考虑灌水器水力性能与抗堵性能对流道结构要求的矛盾性,在正交试验的基础上采用灰关联分析的方法,进行流道结构多目标优化。最终优化得到的卡门涡街形流道突扩、突缩、漩涡运动耗能明显,具有良好的水力性能,而且边界光滑无流动死角,沙粒不易在流道内沉积,具有良好的抗堵性能。通过正交试验与灰关联分析结合,获得了流态指数为0.498,粒子通过率为0.951的综合性能良好的滴灌灌水器流道。证明了正交试验基础上的灰关联分析,是面向水力性能与抗堵性能的灌水器流道多目标优化的有效方法,为灌水器流道优化提供了一种良好途径。     

滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究

在对迷宫流道结构特征参数提取的基础上,应用快速成形制造技术制作一体化灌水器实验原型,进行了灌水器水力性能实验.应用多元线性回归拟合出了压力-流量关系式和回归曲线图,提出以梯形单元为主特征的流量与结构特征参数关系公式,通过实验验证了其可行性和准确性,建立了此种流道流量-压力-结构之间的关系,进一步分析了流道制造偏差对灌水器流量的影响,为迷宫型灌水器参数化结构设计和制造中的精度控制提供了理论依据.     

深井离心泵叶轮出口边斜度对水力性能的影响

多级深井离心泵在机井内工作,其外径受井径的限制,最大流量也受限制.为了提高泵的水力效率,最大限度增大其单级扬程,以100QJ10型深井泵为例,建立连续方程、动量方程,并采用标准k-ε双方程湍流模型,应用全隐式多网格耦合算法,对5种叶轮出口边斜度10°,15°,20°,25°,30°进行全流道内部流场的三维不可压缩稳态黏性湍流流场的数值模拟,并比较分析其在相同工况下的水力性能、内部流场湍动能、速度场、压力分布等,寻找最优的叶轮出口边斜度.研究结果表明:随着斜切角度的增大,泵的效率和单级扬程呈现出先增大后减小的趋势,其单级扬程在较小的叶轮斜切角时最高,水泵效率在较大的叶轮斜切角时最高;综合分析,20°被认为综合性能指标最优叶轮出口斜度.计算结果与样机试验结果基本吻合,新研制的100QJ10的多级深井离心泵效率为58.9%,比同类产品效率高出5.9%.