滴头流道结构对悬浮颗粒分布影响的数值分析

迷宫滴头内部结构复杂尺寸微小,研究流道结构对悬浮颗粒浓度分布的影响对于流道优化有重要意义。该文采用正交试验方法设计齿形流道,根据两相流理论,利用计算流体动力学软件对设计滴头进行了液固两相流数值分析。模拟得到入流浓度及颗粒大小不同时滴头内的速度及颗粒浓度分布,分析了结构参数、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：流道结构参数对颗粒分布均有影响,程度从大到小顺序为：齿角度－齿间距－流道深度－齿高;入流颗粒大小为流道最小尺寸的1/10～1/6时滴头不易堵塞;齿高与齿间距的比值小于0.5时有利于提高滴头的抗堵塞性。研究为滴头结构优化提供参考。     

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.     

迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟

建立了迷宫滴头的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模型，并对滴头的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。利用原型滴头和滴头放大模型实测值对模型和模拟计算结果进行了实验验证。结果表明，滴头流量压力关系模拟计算值与实测值之间的平均偏差小于5%；滴头放大模型内部压力分布的模拟值与实验值间的平均偏差小于3%。结果还表明，迷宫式滴头流道内压力沿流道长度呈线性变化，在滴头齿尖附近的主流区流速达1.6～2.8 m/s，而滴头齿根附近的旋流区的流速为0.1～0.4 m/s，在其它尺寸保持不变时，滴头齿距对滴头流态指数的影响不大。CFD数值模拟可以为滴头水力性能的进一步研究提供有效的研究手段。     

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。     

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。     

基于粒子图像测速仪的微小流道内固体颗粒运动规律的实验研究

为了解迷宫流道内固体颗粒的运动规律,提高灌水器的抗堵塞能力,采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同直径和不同密度的固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了实验观测。结果表明,根据颗粒的运动轨迹线可知齿形流道内水流在各齿尖做类似于正弦波的运动,靠近齿尖处形成主流区,靠近齿底处形成漩涡区;直径小(65mm)或密度低(1 740kg/m3)的颗粒跟随性比较好,颗粒直径或密度越大,运动越紊乱,出现的最小极值速度越低,越容易进入漩涡区并最终可能导致堵塞;与固体颗粒直径相比,颗粒密度对运动轨迹、路程和速度的影响较小。     

结构化流道环境下不同颗粒浓度的磨粒群分布及其动力学特性

结构化表面流道内,由于流体相的驱动作用,磨粒与磨粒之间、磨粒与壁面之间产生相互碰撞,从而壁面不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损。该文基于液-固两相流体耦合理论,利用欧拉-欧拉多相流模型中的mixture模型和Realizablek-ε湍流模型对V型纹理半环形截面流道内液-固两相流在不同颗粒浓度下运行时的壁面湍流效应进行了数值模拟,计算了流场中湍流速度及湍动性能等参数。模拟结果表明:V型纹理的流道有利于涡流的产生,因此可以通过配置V型纹理的约束模块来提高湍流的紊乱程度;随着颗粒浓度的增大,在一定范围内磨粒流的速度逐渐增大,磨粒流的湍动能逐渐减小,磨粒体积分数的波动振幅越来越小;颗粒浓度的选择应适当,不同的颗粒浓度可以产生不同的磨粒流综合性能和颗粒分布效果。     

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。     

适用于黄河水滴灌的灌水器筛选研究

传统的黄河水滴灌系统灌水器选择方法常以抗堵塞能力高低为标准,极易产生成本过高、资源浪费等问题。该研究提出了综合考虑使用年限需求、系统成本投入及碳足迹的滴灌带产品选择方法,并开展了黄河水原位加速测试试验。结果表明:黄河水滴灌条件下不同类型灌水器产品的生命周期、投入成本和碳足迹差异较大,以1 a使用期的毛管不冲洗处理组为例,内镶贴片式生命周期均值最高,内镶圆柱式、贴条式次之,单翼迷宫式最低,分别为309.8、170.3、158.1、135.9 h;成本与碳足迹为圆柱式最高,内镶贴片式、贴条式次之,单翼迷宫式最低,较前3者成本分别低52.7%～67.5%、17.1%～63.5%、28.7%～54.7%,产生的碳足迹分别低0～15.5%、10.6%～17.1%、8.9%～12.6%。并在此基础上建议河套灌区黄河水滴灌条件下1 a使用期的向日葵、3 a使用期的枸杞及5 a使用期的苜蓿分别选择流量为2.7 L/h的单翼迷宫式、1.4和2.8 L/h(配合毛管冲洗)的内镶贴片式灌水器。研究可为沿黄流域滴灌技术高质量发展和快速推广提供支撑。     

不同结构滴灌双向流道灌水器抗堵性能对比试验

该文开展滴灌双向流道抗堵性能研究,以提高灌水器对含沙率较高的地表水源的适应性。试验浑水含沙率为30 g/L,经20次浑水试验,设置3种结构参数不同的双向流道灌水器(1#,2#,3#),并对比迷宫式流道灌水器的水力性能和抗堵性能。结果表明:1#、2#、3#双向流道浑水流量分别为清水流量的77.44%,83.35%,85.43%,而迷宫式流道在12次试验后完全堵塞。双向流道灌水器与迷宫式流道灌水器的水力性能及抗堵性能差异显著,且双向流道的水力性能及抗堵性能均优于迷宫式流道;双向流道水力性能越好,抗堵性能越差;流道形式及结构参数是影响灌水器水力性能及抗堵性能的重要因素。试验结束后,观测流道泥沙沉积情况,发现泥沙沉积程度由前段(进口)到后段(出口)逐渐减少;采用电子显微镜分别获取流道前段、中段和后段沉积泥沙样品扫描图像,利用Image Pro Plus 6.0软件分析沉积泥沙样品的粒径组成,发现沿流道方向,粒径(29)0.03 mm的泥沙颗粒质量分数逐渐减小,粒径(27)0.005 mm的泥沙颗粒质量分数呈先减小后增加的趋势;流道沉积泥沙中粒径(27)0.03 mm的颗粒质量分数占92.23%~97.89%,此粒径范围的泥沙颗粒更易在双向流道内沉积,引起堵塞。     

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。     

基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果表明,迷宫式流道灌水器流态指数浑水条件下相比清水增大74.85%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%,41.26%,46.25%,流道中泥沙的沉积使其水力性能变差;双向流道灌水器浑水流态指数均小于迷宫式流道灌水器;随着浑水试验次数的增加,4种灌水器浑水流态指数总体趋势是逐渐增大,成因是流道中泥沙沉积的累积效应,反映了浑水条件下水力性能的动态变化过程;相同压力变化,浑水条件下迷宫式流道灌水器流量变化率比清水时增大40.43%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大17.23%,19.43%,22.33%,迷宫式流道灌水器增大程度大于双向流道灌水器,导致其水力性能相对双向流道灌水器下降较大;4种灌水器水力性能与抗堵性能差异均显著,且双向流道灌水器的水力性能与抗堵性能均优于迷宫式流道灌水器,说明灌水器流道结构形式及结构参数是影响灌水器整体性能的重要因素。     

微小迷宫流道中的沙粒沉积规律

为了分析迷宫型微小流道中沙粒沉积规律,通过计算流体动力学软件FLUENT对灌水器内部流场进行了分析,研究了灌水器中沙粒运动轨迹及沉积规律。研究表明：碰撞反弹系数对沙粒沉积规律影响很大,灌水器各流道单元速度场分布相似,压力场差异较大,沙粒运动轨迹基本不受各单元压力场变化的影响;粒径是影响沙粒沉积的最主要因素,粒径越大,沙粒的沉积危险系数越大;灌水器入口压力越大,沙粒的沉积危险系数越小。对沙粒沉积规律的研究,有利于深入地了解灌水器的堵塞机理,为灌水器抗堵塞设计提供一定的依据。     

不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞特征

为确定硬水滴灌条件下影响灌水器堵塞的主要特征参数,研究6种灌水器在硬水滴灌条件下的平均相对流量和堵塞率的变化规律,通过有序回归方法分析影响灌水器堵塞的特征参数,灌水结束后解剖并观察灌水器内的堵塞情况。结果表明:硬水滴灌条件下6种灌水器的平均相对流量均发生了不同程度的下降,其中灌水器E1和E6因具有较大的过流截面尺寸而表现出了较好的抗堵塞性能;SPSS回归分析显示,显著影响灌水器的抗堵塞性能(P0.01)的特征参数为灌水器内过流截面宽W和深H中的最小者min(W,H),且灌水器发生堵塞所需要的时间与min(W,H)成正相关关系;解剖灌水器发现,堵塞主要发生在灌水器内具有min(W,H)的截面处。建议硬水滴灌时选择内部过流截面尺寸较大的灌水器,且灌水器内部应避免易引发固体颗粒沉积附着的截面形状和过流结构。