片状迷宫滴头中悬浮颗粒浓度分布规律数值分析

迷宫滴头内部结构复杂尺寸微小，水源过滤后仍含有悬浮颗粒，研究悬浮颗粒在滴头内分布的影响因素对于滴头结构改进有重要意义。该文根据两相流理论，利用计算流体动力学软件FLUENT对迷宫滴头进行了液固两相流数值分析。采用标准k-ε湍流模型及多相流Eulerian模型，模拟得到不同入流颗粒浓度及大小时滴头内流场及颗粒浓度分布，分析了颗粒大小及入流浓度对悬浮颗粒浓度分布的影响。研究结果表明：滴头的进口、缓水区及流道拐弯区、迎水区等局部悬浮颗粒浓度增大，齿尖附近浓度接近入口浓度。除齿尖及流道背水区外，其他部位的颗粒浓度均随粒径的增大而升高；滴头内颗粒浓度分布随入流浓度的升高而升高，不同位置处浓度变化规律略有不同。     

基于含沙量等值线的迷宫流道结构抗堵塞设计与模拟

以提高迷宫流道灌水器的抗堵塞能力为目的,以齿型流道结构的灌水器为主要研究对象,首先应用计算流体力学（computational fluid dynamics）二相流模拟方法分析了迷宫流道灌水器的水力性能,重点模拟了含沙量在流道内的分布规律,提出了以较小的含沙量等值线为流道边界对流道进行优化设计的方法,通过对2次优化后的流道结构进行二相流数值模拟,发现优化后流道的含沙量分布较原型流道的含沙量分布更加均匀,大量固体颗粒集中在进出口附近流道单元壁面的现象基本消除,流道优化设计后灌水器的抗堵塞性能得到显著改善。其次,对优化结果进行了标准化设计,制作了原型与标准化模型片式滴头,生产了测试滴灌带。最后,分别对2种滴头进行了水力性能测试与抗堵塞试验,验证了数值模拟结果。结果表明：以较小的含沙量等值线作为流道基本边界进行流道抗堵塞优化设计与标准化设计获得的流道,保持了原型流道的优良水力性能,改善了抗堵塞性能,使用寿命是原型的2倍。     

一体化压力补偿式热塑性弹性材质滴头设计与试验

为克服硅胶片类压力补偿式滴头“回收难”的问题,设计开发了一种含热塑性弹性体的全塑料材质的一体化压力补偿式滴头。基于压力补偿式滴头流量补偿原理及计算流体力学数值计算方法,对一体化滴头关键结构参数齿尖角、流道宽度、流道深度、流道单元个数开展正交设计试验,通过Ansys15.0软件对滴头迷宫流道结构进行确定,以参数组合齿尖角34°,流道宽度0.4 mm,流道深度0.4 mm,流道单元数12个,进行滴头试制并对其补偿性能及抗堵塞性能进行测试。结果表明：该一体化压力补偿滴头流态指数为0.07,起调压力为35 kPa,补偿区间为35～300 kPa,属于恒流灌水器－压力补偿滴头范畴;与国内滴头相比,设计滴头的水力性能更优;在低压堵塞试验中,一体化压力补偿式滴头具有更好的抗堵塞性能,当泥沙浓度为1.0 g/L,灌水15次后,一体化压力补偿滴头与另外两种普通迷宫流道滴头的相对流量分别下降至93.1%、54.2%、81.8%,一体化压力补偿滴头的抗堵塞性能明显优于普通迷宫流道滴头。该滴头研发周期短、成本低、便于回收利用,是传统滴头的良好替代品。该研究可为一体化压力补偿式滴头结构设计、相关产品研发提供参考。     

流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究

对滴灌系统的滴头进行试验研究表明，影响流态指数的主要因素是流道结构形式，包括流道齿形、齿角、齿距、齿高和流道的深度，流态指数基本不随滴头流道长度而变化。通过比较不同滴头流道的流态指数、流道长度及流道断面积，分析了其抗堵塞性能，并建立了描述滴头流量与流道长度及工作压力关系的回归模型。     

流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究

对滴灌系统的滴头进行试验研究表明,影响流态指数的主要因素是流道结构形式,包括流道齿形、齿角、齿距、齿高和流道的深度,流态指数基本不随滴头流道长度而变化.通过比较不同滴头流道的流态指数、流道长度及流道断面积,分析了其抗堵塞性能,并建立了描述滴头流量与流道长度及工作压力关系的回归模型.     

内镶片式齿型迷宫滴头抗堵塞试验研究

依据ISO滴头堵塞检测方法中“短周期堵塞测试程序”，测试了国内外15种内镶片式齿型迷宫滴头的抗堵塞性能。结果表明：用单一结构参数(流道宽度W、流道深度D、齿高度h和齿角度θ)表征其抗堵塞性能存在局限性；结构特征参数(断面最小尺寸min(D,W)、水力半径R和齿间距l)能较好反映滴头流道横、纵断面的结构特征，在不同程度上表征了流道的抗堵塞性能，且在试验条件下各自均存在抗堵塞临界值；滴头额定流量Q_r和迷宫滴头径粒比η与抗堵塞性能相关性较好，且存在抗堵塞临界值。当各参数小于其临界值时，滴头极易堵塞，且抗堵塞性能随结构特征参数、额定流量和迷宫滴头径粒比的增大而明显提高；反之，滴头抗堵塞性能较强，滴头抗堵塞性能对各参数的增大不敏感。该试验结果可为滴头流道优化设计提供参考。     

滴头流道内部含沙水流流动特征的试验研究

滴头流道中水流的运动状况是影响滴头水力性能的主要因素,而水源中悬浮颗粒(沙粒)的存在对于水流有着不可忽略的反作用.该文研究了浑水(含沙水流)在迷宫滴头流道内流动过程,分别选用清水和含沙浓度为40、80、160 mg/L,的浑水,通过滴头在不同压力下流量变化,分析了流道内部含沙水流流动特征及沙粒对滴头水力性能的影响.试验结果表明:同一工作压力下,沙粒的制紊效应使得滴头流量随悬浮颗粒浓度的加大先上升后下降;滴头的流态指数随悬浮颗粒浓度的提高略呈下降趋势;在该试验条件下,流道内层流向湍流过渡早于常规流动,工作压力在45 kPa时流道内水流已处于湍流状态.     

基于MATLAB与COMSOL联合仿真的梯形迷宫滴头流道优化

传统的滴灌灌水器流道优化设计方法是通过正交试验设计，进行有限元分析，并配合试验验证，试验过程强度大、造价高。该研究将群智能优化算法与有限元分析相结合，联合MATLAB与COMSOL仿真软件对滴灌灌水器流道参数优化设计。首先，通过MATLAB读取梯形迷宫流道灌水器在COMSOL软件中的仿真计算结果后，传递给遗传算法，并以流态指数为优化目标，流道齿参差值、齿高、单元数、流道转角、齿间距为设计变量，求解出常压（100 kPa工作压力）下的灌水器流道参数。利用SPSS软件回归分析法，建立了5个变量与流态指数之间的多元线性回归数学模型。分析结果表明，5个变量对流态指数影响程度排序为齿参差值、齿高、单元数、流道转角、齿间距。进一步分析灌水器流道内水力特性可知，滴头流道内低流速区域流速达到0.1～1.2 m/s，过流面积占流道截面的75.1%，有堵塞风险，高流速区域流速达到2.8～3.8 m/s，中流速区域流速达到1.5～2.5 m/s，流道内压力沿流道长度呈线性变化。实物样机测试结果表明，滴头流量模拟计算值与实测值之间的平均误差为6.1%，优化结果精度高，可为梯形迷宫流道灌水器流道参数优化设计提供参考依据。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。     

迷宫流道滴头内流场和颗粒运动的不同湍流模型数值模拟

为更好研究迷宫流道滴头的内流场水力性能和颗粒运动特性,该文采用k-ε模型和Eulerian-Lagrangian两相流模型进行了一系列数值研究。首先,通过3种湍流模型(标准k-ε、RNG k-ε与Realizable k-ε)预测迷宫流道滴头水力特性并与喻黎明等(2009)的试验结果对比分析,标准k-ε模型更适合于模拟迷宫流道滴头的内流场,与PIV试验数据相比,水力性能曲线平均模拟误差仅为2.32%。然后,基于Lagrangian的颗粒离散相模型,数值研究了齿形迷宫流道内不同密度和直径的单个颗粒运动轨迹及运动特性,并与喻黎明等(2009)的相关试验数据比较,结果表明,考虑了重力、浮力、虚拟质量力和曳力的随机轨道模型能够更加准确地模拟颗粒在迷宫流道内的运动,与PIV试验数据相比,颗粒运动速度后平均模拟误差仅为2.34%。颗粒直径变化较密度变化对颗粒运动影响大,随着颗粒直径或密度增大,颗粒运动速度减小,颗粒速度变化幅值大小依次为:速度极小值、平均速度、速度极大值,随着颗粒粒径增大,流经漩涡区时颗粒速度减小较大,颗粒的运动跟随性变差,颗粒在惯性力的作用下沉积在流道拐角内侧的漩涡区,由此可能造成迷宫流道堵塞。同时,以上对比分析表明,相关两相流模型和数值方法可很好预测滴头内部固液两相流动,可为滴头抗堵塞设计提供参考。     

滴灌灌水器内颗粒物运动特性的数字粒子图像测速

明确灌水器内部水流和颗粒物运动特性是解决灌水器堵塞问题的关键。但由于灌水器结构复杂、流道狭小、外观不透明性,测试其内部临界尺度流体流动情况难度很大。目前还鲜见有灌水器内部水沙两相流动全场测试的研究报道。因此,该文提出了一种灌水器简化模型和一种流道透明模型加工方法,并应用改进的数字粒子图像测速(DPIV,digital particle image velocimetry)测试系统可视化了灌水器内部流动特征和颗粒的运动特性,结果表明:灌水器内部流动为紊流状态,灌水器工作压力升高并未改变灌水器内部流动形态、涡的分布位置、流线密集程度以及颗粒物跟随性;相同工作压力条件下,颗粒物最大速度随着颗粒粒径的增大而减小,但不同粒径颗粒物流线及涡量分布趋势较为一致;在中心区和近壁区颗粒物跟随性均随粒径的增加而减小。研究可为灌水器内部固-液两相流动分析及抗堵塞设计提供理论依据。     

分流式灌水器结构优化设计与试验

水力性能和抗堵性能是评价灌水器性能的2个重要指标,但两者在对灌水器流道的结构要求上存在本质的矛盾,目前缺少有效的灌水器结构优化方法。为了定量优化出2方面性能都比较优越的流道结构,该文将渐缩、渐扩、分流等增大局部压力损失的方法应用到灌水器流道设计中,设计了一种分流式灌水器,提出基于灰靶理论的灌水器流道多目标优化方法;将正交试验方法和灰靶理论相结合,进行面向水力性能和抗堵性能的灌水器流道多目标优化。研究结果表明,当给定水力性能和抗堵性能权重均为0.5时,最优结构参数水平组合为A3B4C2D4,此结构的流道流态指数为0.5150,粒子通过率为88.504%,综合考虑了水力性能和抗堵性能2个目标。通过试验验证,该方法是灌水器流道结构设计与定量优化的有效方法。     

双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性能测试,计算流道的局部损失系数,同时对正交试验结果进行直观和方差分析,建立几何参数与流态指数的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.432～0.464,其水力性能良好。单元流道的局部损失系数为6.698～19.130,显示优越的消能效果。挡水件与分水件最大过水通道宽度对流态指数的影响最大。建立的几何参数与流态指数之间的回归模型R2=0.94,且验证表明其估算值与试验值相对误差小于5%,可可靠地估算流态指数。研究可为双向对冲流滴灌灌水器水力性能预研和评估、结构优化提供参考。     

微咸水加肥灌溉下陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器的抗堵塞性能

为探求微孔陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下抗堵塞性能的差异及堵塞机理,本研究选择了微咸水(A1)、肥水(A2)、微咸水加肥(A3)3种不同水质,分析管间式微孔陶瓷灌水器和6种常用的迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下的平均相对流量变化规律,并用X射线衍射仪测定堵塞物质组成成分,用场发射扫描电镜观测堵塞物质表面微观形貌及动态生长过程。结果表明：各灌水器的流量随着灌溉运行时间的推移均发生不同程度的下降,其中A1处理下陶瓷灌水器的流量下降最慢,表现出优于迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,A2、A3处理下陶瓷灌水器的平均相对流量下降速度先慢后快,试验结束时平均相对流量降幅最大,抗堵塞性能较差;A1处理下堵塞物质的主要成分是CaCO3,A2、A3处理下堵塞物质的主要成分是(NH4)2SO4;A1处理下各灌水器堵塞物表面微观形貌的生长过程为晶体颗粒不断团聚,A2、A3处理下堵塞物的动态生长过程为絮状物不断黏合成板块状或膜状。陶瓷灌水器堵塞发生在内壁上,堵塞物未进入到灌水器内部微孔中,随着堵塞物质增多且变得紧密复杂逐渐覆盖了内壁上的孔隙导致堵塞;迷宫流道灌水器是由于堵塞物质在流道内沉积导致过水断面减小,从而造成堵塞。研究结果可为陶瓷灌水器的应用及改进提供参考。     

再生水滴灌系统灌水器堵塞的微生物学机理及控制方法研究

滴灌因其精量、可控而被认为是再生水最安全、可靠的灌溉方式,然而再生水中含有大量的颗粒物、营养盐分、有机物、微生物等物质使得灌水器堵塞机理变得更为复杂,堵塞风险也大幅度增加。该文在对灌水器堵塞物质-生物膜结构、组分变化特征进行分析,基于生物膜组分:干物质量(DW)、磷脂脂肪酸(PLFAs)和胞外聚合物(EPS)含量与灌水器堵塞程度之间显著的"S型曲线"关系明确了生物膜形成是诱发灌水器堵塞的根本原因。灌水器堵塞过程中表现为:再生水中微生物首先在滴灌系统毛管内部固定形成生物膜,并不断摄取、消耗水中的底物和营养物进行新陈代谢,分泌大量的胞外多聚物,并依靠胞外多聚物的黏性不断吸附微生物及固体悬浮颗粒物而引起生物膜不断形成、生长与脱落以及堵塞沉积物的不断聚集,而最终导致灌水器堵塞。从流道结构形式与几何参数、水体颗粒物特性、近壁面流动剪切力、灌溉水质以及灌水频率五个方面阐述生物膜的形成机制及影响因素。并分别从灌水器流道结构优化(增强流道自清洗能力,促进生物膜脱落)、抗菌材料开发(抑制微生物附着)、化学加氯、微生物拮抗与生长群体响应、微纳米气杀菌等多个角度出发提出了以生物膜形成为靶向目标的灌水器堵塞控制技术体系。最后从滴灌灌水器内部附生生物膜的水动力学-微生物学耦合作用机制研究、滴灌灌水器堵塞预报的综合模拟模型构建及灌水器设计参数合理阈值确定、协同考虑灌水器堵塞清除效应与土壤质量健康长期可持续发展的堵塞控制模式建立三个方面出发提出了再生水滴灌系统灌水器堵塞控制领域未来急需解决的问题。     

半开式叶轮离心泵气液两相条件下内部流动特性分析

半开式叶轮离心泵输送气液两相流时,其性能经常随入流含气率（α）的增加而下降,主要由内部的气液两相不稳定流动造成。为解决传统欧拉双流体模型不能考虑气泡直径变化及气泡形变的问题,采用一种群体平衡模型（Musig模型）数值计算了某设计比转速为88.6的半开式叶轮离心泵在不同入流含气率下的内部流场,并进行了试验验证。研究结果表明：模型泵在1 000 r/min可输送液体的最大入流含气率为4.6%;α>3%以后,Musig模型由于能表征气泡形态及破碎与聚合过程等气液两相流演化规律,其外特性计算结果比欧拉-欧拉双流体模型准确,且与可视化试验流型测试结果较为吻合;α=4%时扬程系数和效率与试验结果的最大误差分别为1.6%和5%;随着入流含气率的增加,叶轮和蜗壳流道内逐步出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流等流型分布,设计流量下α≤1%时以均匀泡状流为主,α=3%时以聚合泡状流为主,α=4%时以气穴流为主,α≥4.2%时出现分离流并逐渐堵塞流道;叶顶间隙是影响泵内气液两相流型分布的重要原因,叶轮流道中存在大尺度漩涡和出口回流现象,且随着含气率的增大越发明显,进而在高含气率区域引发较大的湍动能分布,加剧了泵内部的不稳定流动,最终导致α≥4.6%后的泵空转。该研究可为综合分析离心泵内部不稳定流动规律提供一定参考。     

射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响

该文应用CFD两相流模拟与水力试验相结合的方法,研究射流三通产生的脉冲水流对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影响。进行射流三通水力性能试验,获取其脉冲参数(振幅、周期),用以生成波动压力,为数值模拟提供参考;对比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模拟值与实测值,验证模拟方法的可行性;数值模拟研究不同时刻脉冲条件下含沙量在流道的分布情况和不同密度、不同粒径颗粒的运动路径及速度变化。结果表明,射流三通产生的波形与同参数正弦波波形类似,可由正弦波代替射流三通波进行模拟。射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内;脉冲条件下灌水器流道的主流区和漩涡区都具有脉冲性能。脉冲条件下流道最大含沙量低于恒压条件下的22%。同一密度不同粒径条件下,恒压条件高于脉冲水流下颗粒路径的1.21%~26.9%,同一粒径不同密度条件下,恒压高于脉冲水流条件颗粒路径的3.25%~9.6%。综上,射流三通产生的脉冲波能够提高水流的挟沙能力和抗堵塞性能。     

考虑颗粒动态尺度影响的泥沙扩散系数模型建立及应用

在欧拉两相流数值算法中,多采用类比水流涡黏性系数的半经验泥沙扩散系数模型来计算固相体积浓度分布。而在将这一模型用于悬移质固液两相流时,因忽略了颗粒动态尺度对流体湍流强度的影响导致计算精度较低。为了体现这一影响,该文针对悬移质固液两相流,基于类比水流涡黏性系数的半经验模型,以颗粒与含能涡相互作用理论判断颗粒动态尺度和固相体积浓度对流体湍流强度的作用,根据流体湍流平衡流动理论和变量间多元回归分析方法,结合现有试验数据,建立了流体湍流强度变化率与颗粒动态尺度、固相体积浓度的关系式,进而得到了新的泥沙扩散系数的计算模型。通过对圆管中悬移质固液两相流的计算表明,相比于现有泥沙扩散系数模型,该文提出的模型能够体现颗粒动态尺度对泥沙扩散系数的影响,在不同含沙工况下计算得到的固相体积浓度分布与试验结果吻合更好,计算值与试验值的最大相对误差在10%以下,远远小于现有泥沙扩散系数计算模型的最大误差。该文新发展的泥沙扩散系数模型得到的悬移质固液两相流流场的计算精度明显提高,可以用于准确预测悬移质固液两相流流场特性。