滴灌灌水器参数化计算机辅助设计方法研究

针对国内节水灌溉系统中滴灌灌水器设计开发存在的传统局限性，提出一种基于流量变化的参数化灌水器计算机辅助设计方法。在迷宫流道流态分析、流量试验、结构试验、农业参数逻辑化的基础上，建立了参数化灌水器结构与流量关系模型，并且采用VC++完成了参数化灌水器设计的软件开发。     

压力补偿灌水器分步式计算流体动力学设计方法

为提高压力补偿灌水器的设计和研发效率,该文采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)分析方法,结合有限元分析技术,提出一种压力补偿灌水器的分步式CFD设计方法,研制了圆柱式压力补偿灌水器,并进行了灌水器流量预测,得到其设计压力-流量曲线。利用光固化快速成型技术,快速制作出压力补偿灌水器试验件,进行了水力性能试验,得到了灌水器试验压力-流量曲线,发现通过分步式CFD计算得到的预测压力-流量曲线,与水力性能试验得到的试验压力-流量曲线在压力补偿灌水器的有效工作压力区间内吻合度良好,验证了分步式CFD设计方法。在此基础上研究了压力补偿灌水器补偿区结构对其压力补偿性能的影响,发现补偿区高度对灌水器补偿性能影响显著,可以通过改变补偿区高度来设计不同补偿性能的灌水器。该研究对指导压力补偿灌水器的设计和开发具有一定的意义。     

土壤层状质地对小流量地下滴灌灌水器特性的影响

以均质壤土（L）、均质砂土（S）、上砂下壤（SL）和壤土中有砂土夹层（LSL）4种土壤质地结构为对象,利用室内土箱试验,研究了土壤质地及其层状结构对灌水器流量的影响,估算了灌水器出口正压值。试验选用10 m水头压力下额定流量为1.1 L/h的地下滴灌专用灌水器。土壤为层状结构时,上层土壤厚度为20 cm,砂土夹层的厚度为10 cm。L、S、SL试验的灌水器埋深为15 cm;为了探讨灌水器埋深与土壤质地变化相对位置对灌水器性能的影响,LSL的灌水器埋深设计为15、25和35 cm。试验采用的工作压力为2、3、6和10 m水头。结果表明：灌水开始后,出口正压的迅速增大致使灌水器流量迅速减少,而后逐渐趋于稳定。灌水器流量随时间的变化可近似用幂函数表示。灌水器在土壤中的流量比在空气中的自由出流流量有所减小,灌水器自由出流流量越小,减小幅度越大。土壤层状质地对灌水器流量影响明显,一定压力下,灌水器在层状土壤中的流量小于在均质土壤中的流量,尤其当灌水器位于LSL的砂土夹层中时,流量比在均质壤土中减少13%,比自由出流流量减少20%。利用试验结果建立了地下滴灌灌水器流量与土壤饱和导水率、层状土壤结构、灌水器工作压力的经验关系,对各影响因子的敏感性分析结果表明,对地下滴灌灌水器流量影响最明显的是灌水器工作压力,其次是层状土壤结构,饱和导水率的影响较小。     

地下滴灌灌水器水力要素试验研究

为了研究灌水器流量变化规律,该文以灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为试验因素,用混合水平均匀设计安排试验方案。应用研制的地下滴灌灌水器流量测试系统,用称重法来获得不同试验方案灌水器流量。根据试验数据,建立了地下滴灌灌水器流量计算经验公式。分析表明:在工作压力不变时,灌水器流量在灌水初期略大,而后减小并趋于恒定,这个变化过程仅1～2 min左右,可认为灌水器流量是不变的;在同一压力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌减小5%～20%,压力越大,二者值越接近;影响地下滴灌灌水器流量的主要因素是灌水器工作压力,而土壤容重和土壤初始含水率对灌水器流量影响较小。     

压力补偿灌水器流固耦合计算方法

为提高压力补偿灌水器的设计精度与设计效率,研究了压力补偿灌水器流固耦合数值计算方法,并采用快速成型技术制作的灌水器试验件进行水力性能试验,从流量的角度对压力补偿灌水器流固耦合计算方法进行验证。结果表明,采用SSTK-ω紊流模型进行流场计算、自适应网格重划分方法对变形的流体网格进行重构、结合弹性膜片的接触分析的流固耦合计算方法所得到的灌水器流量结果与试验结果最大偏差为2.5%,能够对压力补偿灌水器一定工作压力范围内的流量进行准确预测,可为压力补偿灌水器快速开发提供理论依据、减少试验次数、缩短开发周期、提高设计精度。     

聚乙烯管壁厚对圆柱灌水器水力性能影响的研究

为提高圆柱灌水器流量设计精度及滴灌系统的均匀度,以7种圆柱灌水器和4种壁厚组成的25种滴灌管作为研究对象,利用精密微小物体三维扫描仪MCS-60型测量灌水器流道结构参数,并采用自动化程度较高的灌水器水力性能测试平台测试此25种滴灌管,得出其流量压力曲线关系、流量系数和流态指数。测试结果表明,使用不同聚乙烯（PE）管厚度对同一灌水器的流量确实产生影响,其最大影响率能达到20%;不同的PE管壁厚对流量系数影响较大,但对流态指数影响较小;灌水器流道宽度也是造成不同PE管壁厚对灌水器出流的因素,流道越宽,对灌水器出流影响越大。     

基于支持向量机的滴灌灌水器流量预测模型建立与验证

为了直接、准确预测灌水器流量,引入支持向量机预测方法,取灌水器6个工作压力和8个几何参数作为因素,正交设计安排300组灌水器训练样本和30组检测样本,并采用精度较高的SST k-ω模型模拟计算灌水器流量,同时利用遗传算法对支持向量机参数进行优化计算,得到与模拟流量误差最小的流量预测值。结果表明,惩罚参数为100、核函数参数为20时检测样本的流量预测值与模拟值的误差最小,平均相对误差为1.91%,决定系数为0.98,而回归拟合方法计算得到的平均相对误差为6.45%,决定系数为0.93,表明支持向量机预测流量的优越性,且30组试验验证样本的平均相对误差为2.25%,证明支持向量机预测的准确性和可靠性。预测模型建立可有效地提高灌水器研发效率,对水力性能评估和流道结构设计与优化提供依据。     

设计流量和土壤质地对微孔陶瓷灌水器入渗特性的影响

为探明微孔陶瓷灌水器土壤中入渗流量变化的原因,明确微孔陶瓷灌水器的出流原理,该研究基于土桶模拟试验,研究3种设计流量(0.72、1.87和4.40 L/h)的微孔陶瓷灌水器下2种土壤(黄绵土、塿土)的渗流特性。结果表明,使用不同灌水器灌溉后,短时间内入渗流量均迅速减小,而后缓慢减小趋于稳定。设计流量与土壤质地均影响灌水器的出流。灌水器周围土壤水势的变化是造成入渗流量变化的直接原因,土壤含水率的变化是入渗流量变化的根本原因。在没有淹没出流的情况下,土壤含水率越高,入渗流量越小。设计流量为1.87 L/h灌水器应用于塿土中,当土壤含水率由13%增大至40%时,入渗流量由1.4 L/h下降至0.3 L/h左右。灌水器周围土壤含水率对入渗流量具有反馈调节作用。采用微孔陶瓷灌水器作为灌溉系统的核心部件,在内部水头适宜(微压或零压)的情况下,通过灌水器入渗流量与土壤含水率的耦合作用,可实现土壤水分的自动调控,达到主动灌溉的目的。该文可为微孔陶瓷灌水器的推广应用提供参考。     

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。     

滴灌灌水器低成本快速开发理论与方法研究

灌水器尺寸微小，形状复杂，导致其开发周期过长(8～12个月)，费用过高(5～8万元人民币)。该文引入计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)、计算流体动力学(Computer Fluid Dynamics, CFD)以及快速成形(Rapid Prototyping, RP)等先进技术，提出了一种新型滴灌灌水器的低成本快速开发途径。利用三维参数化CAD技术设计流道的结构模型；基于CFD模型的数值模拟实现了灌水器水力特性的可视化分析功能，大大减少了实物试验的迭代次数；同时，应用RP技术可以在不开钢模的情况下低成本快速地制取试验用灌水器，并直接利用RP原型完成灌水器性能试验，从而进一步降低其开发周期和成本。以自主开发的新型灌水器为例，其开发周期与成本均降低50％以上。     

用PIV和LBM法检验灌水器设计中连续介质假设的适用性

灌水器由于其流道特征尺寸微小,因而在其流道内的流动特性分析中,基于连续性介质假设的Navier-Stokes(NS)方程是否适用一直存在争议。该文从微观角度采用格子Boltzmann方法(1attice Boltzmann method,LBM)研究灌水器的流动特性。首先进行LBM的网格无关性分析,其次将LBM的数值计算结果、传统的基于连续性介质假设下的有限体积法的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)计算结果以及粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)试验结果进行对比,分析LBM计算结果与基于CFD结果偏离PIV试验值的相对偏差的算术平均值。结果表明,CFD偏离PIV试验结果的相对偏差的算术平均值为0.139%,而LBM偏离PIV试验的相对偏差的算术平均值为0.115%,两者偏离PIV试验结果的相对偏差的算术平均值比较接近。因此,针对流道特征尺寸为1 mm的灌水器,采用基于连续性介质假设下的流体动力学计算方法来研究是适用的。     

坡面水力侵蚀比尺模拟试验设计与验证

 针对黄土高原坡面水力侵蚀调控实体模拟试验中存在验证不充分的问题,利用黄土高原小流域水力侵蚀调控实体模拟试验理论与技术,设计黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验,并对其进行验证。结果表明:在正态条件下,满足几何、降雨强度、入渗、径流运动、输沙、床面变形等相似条件下所建造的坡面模型;在试验条件下,虽然与模型原型流型有所偏离,但降雨、径流流态、平均流速、阻力系数、汇流过程、产沙、输沙及床面变形是基本相似的。表明该方法可以作为坡面治理水土流失、优化治理方案,寻求水土资源高效利用措施的工具。     

乙烯分解纳米光催化反应器关键性能参数研究

果品与蔬菜在采后贮藏过程中所产生和释放的乙烯是加速成熟、衰老和腐烂的重要环境因子。该研究采用纳米光催化技术开发设计了一种可以去除气调库中乙烯的玻璃管光催化反应器，并对其主要性能参数进行了模拟测试与分析。结果表明：气体流量、玻璃管直径与长度以及光源种类均是影响光催化反应器乙烯分解性能的主要因素。在该试验条件下，气体流量在40～80 L/h的范围内较佳；玻璃管的适宜内径为50 mm；在相同功率条件下黑光灯的光催化效果优于紫光灯。光催化反应器可以多级串联使用，以便提高系统的乙烯分解能力。这些研究结果为气调库用光催化乙烯分解装置设计提供了基础设计参数和指标。     

水稻动态及静态谷层气流阻力的试验研究

应用二次Ｄ—饱和最优实验设计的方法,探讨了水稻在流动过程中顺、逆流通风的谷层气流阻力与风速、谷层厚度、粮食流动速度的关系,通过回归分析建立了动态谷层气流阻力的数学模型,对动、静态谷层气流阻力进行了对比分析,对水分的影响作了单因素试验分析,通过算术平均求出了理论公式（ΔＨ＝ａＬ_ｇｗ＋ｂＬ_ｇｗＶ^２）的动态计算系数ａ和ｂ。     

导流片对Y型网式过滤器性能的影响

针对网式过滤器内部导流片改变了原有的水沙运动规律,使其水沙运动更加复杂的现状,该文采用CFD-DEM耦合数值模拟和试验测试的方法,对比分析了有无导流片时,过滤器内的水流运行、流量分布及压降系数等水力特性的变化,研究了沙粒在网腔和滤网面上的运动及分布情况。结果表明:与无导流片时相比,导流片使得滤网面上流量变得均匀。清水试验时,有导流片的压降系数较无导流片的大17.92%,水头损失大。过滤浑水时,有导流片的过滤器压降系数小,流速下降比变化平缓,过流能力明显提高;沙粒主要分布在滤网面中心线上及两侧较大流量的位置,有、无导流片时堵头内的沙粒数占总数比分别为90.07%、50.98。导流片的安装减少了泥沙在滤网面上的堆积,提高了过滤器的抗堵塞性能。     

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。     

基于穷举法的雨水管渠设计流量计算方法研究

[目的]找出雨水管渠设计流量常用计算方法——面积叠加法和流量叠加法中存在的问题,对计算方法进行改进,使雨水设计流量计算结果更加合理。[方法]从下游管段暴雨强度的计算入手,对流量叠加法进行改进,同时提出基于穷举法的最大流量法。[结果]实例计算表明,除起始管段外,改进后的流量叠加法的各管段设计流量均小于面积叠加法,最大流量法各管段设计流量较面积叠加法平均增长7.0%,最大增长13.0%。[结论]运用最大流量法对雨水管渠进行设计,计算结果更合理,更安全,对缓解城市内涝具有重要意义。     

农用超声雾化换能器参数优化设计与试验

为解决超声雾化换能器用于超低量喷雾时雾化量少、换能器结构复杂等问题,根据超声雾化换能器的工作原理和农药喷施对换能器提出的雾化要求,设计了一种农用超声雾化换能器。首先利用ANSYS参数化设计语言建立换能器超声振子的参数化模型;然后对其进行尺寸参数优化,在设定的雾滴体积中径3~5μm范围内,使雾化量达到最大;最后根据优化结果制作样机,进行相关试验测试。试验结果表明,当施加峰-峰值为100 V的交流正弦电压时,超声雾化换能器最大雾化量从1.20提高到1.29 g/min,相比优化前提高了7.5%,93%的雾滴颗粒直径分布在设定的3~5μm范围内,并且实测的换能器谐振频率与仿真结果的误差为5.9%。研究结果为农用超声雾化换能器结构优化设计和雾化量的提高提供参考。