文丘里施肥器水力空化数值模拟

文丘里施肥器在水肥一体化灌溉中应用广泛,其结构参数对灌溉效果影响显著,但对其结构设计及参数优化却研究较少,也没有统一的参数标准。水力空化,是文丘里施肥器入口压力达到一临界值后,在其喉部发生的复杂流体动力学现象,是文丘里施肥器结构设计及参数优化所必须考虑的。为此,提出了一种数值模拟文丘里施肥器内部流动的仿真模型,该模型考虑了水力空化的影响,数值模拟结果与试验结果吻合,为文丘里施肥器的仿真计算、结构设计与优化提供了技术支持。     

非对称结构文丘里施肥器数值模拟

基于有关学者提出的非对称结构(偏心向上)文丘里施肥器结构参数和室内试验测试数据,采用CFD数值模拟方法,研究分析了非对称结构与对称结构文丘里施肥器在吸肥量、内部流体运动及空化等性能指标上存在差异的内在原因.结果表明:模拟结果与室内测试结果吻合,即相同吸肥量条件下,非对称结构文丘里施肥器较对称结构表现出明显降低能耗的优势,可减少25%~35%的压力损失;对称结构文丘里施肥器喉部负压呈环状分布于喉管四周,非对称结构施肥器负压则呈半环状,位于喉管下部,因而相应空化区域较小,同等压差损失下有利于提高吸肥量;非对称文丘里施肥器收缩段与扩散段在喉管上部流线过渡平滑,多方向速度碰撞少,能量损耗相对小,在扩散段产生的回旋区较小.     

文丘里施肥器的空化特性试验研究

为了研究文丘里施肥器在压差较大的情况下产生的临界空化对微灌系统灌水器的工作压力影响,试验选取并研究了DN25型文丘里施肥器在吸肥过程中发生的空化现象,测试了7个不同进口压力水平下文丘里施肥器的吸肥流量随进出口压差变化的规律,同时采用动态应变仪测得了对应工况下施肥器喉部和扩散段外侧的应变数据,比较分析了应变数据的标准差与吸肥流量之间的关系,以及文丘里施肥器发生空化时内部流动特性变化规律.试验结果表明,当进口压力在0.20 MPa以下时,文丘里施肥器内部未发生空化;当进口压力在0.20 MPa以上时,吸肥流量增大至某稳定值时所对应的临界最大压差与进口压力呈线性关系,此时文丘里施肥器内部发生临界空化.当进口压力超过临界最大压差时,应变标准差随进出口压差变化的趋势曲线呈M型,且M型曲线的3个特征拐点对应的进出口压差均与其进口压力呈线性关系.     

微灌用文丘里施肥器综合性能试验研究

基于文丘里施肥器综合工作性能指标测试研究,以期获得文丘里施肥器结构优化设计建议.研究选用规格为DN 20的6种不同材质的国内外文丘里施肥器,基于不同进口压力和进出口压差条件,系统针对文丘里施肥器在压力能耗、吸肥效率以及振动与空化等综合性能指标开展了测试研究.结果表明:文丘里施肥器吸肥临界压差与进口压力存在显著的线性正相关;相同进口压力下,国内文丘里施肥器最大吸肥量普遍明显低于国外同类产品,且振动与空化现象受压差变化敏感性较强;同一模具下,收缩率较小材质的施肥器制造偏差小,吸肥性能好, UPVC可作为生产施肥器的优选原料之一;此外,文丘里施肥器存在与其内部结构相对应的吸肥量上限,压差增大后导致振动与空化现象的加强是抑制文丘里施肥器吸肥能力进一步提升的重要原因.     

喉管直径对文丘里施肥器性能影响的数值模拟

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件对文丘里施肥器的内部流动进行了数值模拟,并对数值计算方法的正确性进行了验证.模拟分析了喉管进口直径为4,5,6 mm,以及出口直径与进口直径之比λ为1.0,1.1,1.2,1.3和1.4时15种结构方案的吸肥性能.结果表明：喉管直径对喉管及扩散段内流动特性、吸肥性能和效率均有一定影响,但出口直径与进口直径之比λ对文丘里施肥器性能的影响要明显甚于喉管进口直径.根据效率最高原则,喉管直径比应为1.2～1.3.建立了λ=1.2或1.3时文丘里施肥器吸肥效率与流量比之间的回归模型,并应用回归模型预测了吸肥效率最大值.喉管进口直径4 mm的文丘里施肥器当直径比为1.3时吸肥效率可达到15.5%,与直径比为1.0相比,前者的扩散段内部流动平顺、无漩涡出现,且相同横截面的平均湍动能值要小.该研究结果为文丘里施肥器的优化设计提供了一定的理论参考.     

文丘里施肥器空化过程高速摄像分析

针对文丘里施肥器运行中喉部负压越低,吸肥流量越大,但负压过低易出现空化,严重时会磨损内部流道表面,最终影响吸肥流量和微灌系统的施肥均匀性这一问题,采用高速摄像技术拍摄1.5"文丘里施肥器工作过程的内部流动,分析空化与进口压力和进出口压差的关系,以及空化对吸肥性能的影响.结果表明:空化首先发生在文丘里施肥器的收缩段和喉部连接处.随着进出口压差的增大,空化程度逐渐加剧,空泡由喉部延伸至扩散段,同时吸肥流量的增长速度逐渐降低,直至压差增大至某值发生临界空化后,吸肥流量不再增大.喉部吸肥流量增大会对工作流体产生冲击,引起扩散段内的空泡向上方聚集,产生非均匀分布,此外扩散段后半段出现明显回流现象,引起空泡周期性脱落.     

施肥器结构参数对施肥浓度影响的数值研究——基于并联式文丘里施肥器

文丘里施肥器因为其具有结构简单、无需动力部件等优点,在国内外都有很广泛的应用。为此,在试验基础上对并联式文丘里施肥器进行模拟仿真研究,通过改变文丘里管的收缩角、扩大角和喉管直径等结构参数,得到相应的流量和吸肥量,再用数值方法根据仿真结果导出其结构参数与浓度的关系式。     

文丘里施肥器空化特性数值模拟

采用数值模拟的方法对结构优化后的文丘里施肥器进行空化特性研究,探讨了空化影响施肥器性能的原因,揭示了施肥器内部流动耗能机理.研究结果表明:随着施肥器进出口压差不断增大,吸肥口负压值不断降低,吸肥流量不断增大,当吸肥口负压降低到最低值时,吸肥口负压值保持不变,吸肥流量将保持恒定,此后随着施肥器进出口压差不断增大,首先在喉部与扩散段连接处产生空化,并沿扩散段壁面向下游不断扩大增厚.通过比较不同压差条件下,施肥器不同截面的能量特征发现,未发生空化时,随着压差增大,喉部能量损失也增大,约占施肥器总损失的1/2左右;空化发生时,随着压差增大,喉部能量损失保持不变,而扩散段能量损失不断增大,这是由于空化的发展使扩散段流态恶化,空化区域外部及尾部产生大范围的涡,消耗较多能量,大量的无效能量损失使得施肥器吸肥效率急剧下降.     

6种文丘里施肥器吸肥性能比较分析

对北京地区微灌常用的6种文丘里施肥器进行了试验,在理论分析的基础上结合相关数据,建立了6种文丘里施肥器吸肥量、入口流量、临界流量和临界压差的回归模型并进行了比较分析.结果表明:进、出口压力直接影响了施肥器的吸肥量和入口流量,施肥器YR、RF对压力波动等不利工况较敏感,而AD系列和NF则更能适应波动的工作压力环境.NF和AD-1等临界压差小,工作区间大;而RF和YR工作区间小,只有临界压差达到进口压力1/2以后才可正常吸肥.文丘里施肥器的结构对其水力性能影响较大.     

文丘里施肥器结构参数优化对吸肥性能的影响

为了降低文丘里施肥器进出口压差和提高吸肥效率,选取文丘里施肥器的7个关键参数,采用正交设计方法构造了18种结构参数方案.应用CFD技术模拟分析了每种方案的吸肥性能,以吸肥效率为评价指标提出了最优结构参数方案,并加工成样品,与优化前产品进行了吸肥性能试验对比.结果表明:进口压力不变时,文丘里施肥器吸肥流量随着进出口压差的增大而增大;当吸肥流量相同时,进口压力越大,则所需的压差越大.优化后的吸肥流量较优化前平均提高了114.6%,最大吸肥流量平均提高了31.5%.不同的进口压力下,文丘里施肥器开始吸肥时临界压力比几乎是定值,优化前后平均值分别为0.46和0.61,表明结构优化后文丘里施肥器的工作压力范围得到了拓宽,验证了结构优化设计和数值模拟的可靠性.     

水肥一体化灌溉施肥机吸肥器结构优化与性能试验

为了优化水肥一体化灌溉施肥机并提高其吸肥性能,在分析文丘里吸肥器工作原理基础上,依据经济流速流量对照表,综合考虑施肥装置及管路系统的沿程损失与局部损失,以吸肥流量为评价指标,应用CFD数值计算对影响系统吸肥性能的关键核心部件文丘里吸肥器的渐缩角α、渐扩角β、喉部直径d0进行单因素性能优化设计,获得了3个主要结构参数对其吸肥性能的影响规律;通过三因素三水平的正交试验方案,得出基于CFD数值计算的文丘里吸肥器最优结构参数组合,渐缩角α为20°、渐扩角β为8°、喉部直径d0为6 mm,且当吸肥管与文丘里主管道呈40°倾角时吸肥性能最优。模拟数据与水肥一体化灌溉施肥机运行数据表明,CFD数值优化后的文丘里吸肥器吸肥流量提高约38.6%,与模糊自动控制系统相配合的水肥一体化灌溉施肥机的吸肥流量总体提高约47.6%,节能效果显著。     

微灌系统文丘里施肥器吸肥性能试验

为了研究微灌系统文丘里施肥器吸肥性能与结构参数的关系,对4种组合式喉管规格的某文丘里施肥器分别在0.10,0.15,0.20,0.25和0.30 MPa进口压力下进行了吸肥性能试验.研究结果表明,文丘里施肥器临界压差和最大压差与进口压力呈线性正相关关系,进口流量随着进口压力或进出口压差的升高而呈增大趋势;当出口与进口压力之比低于0.4时,随着喉管直径的减小、收缩角和扩散角的增大,吸肥流量与出口流量之比逐渐上升;而当压力比高于0.4时,吸肥流量与出口流量之比则呈相反的变化趋势.建立了吸肥性能与喉管几何尺寸及工作参数之间关系的回归模型,可为文丘里施肥器的设计和运行提供技术依据.     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式性能分析

为了了解文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式的性能,在其工作原理的基础上,设计了4个文丘里管并联的施肥器,其部分参数为L_a=105 mm,L_b=55 mm,四通T型出口两侧长度L₁~L₈=36 mm,文丘里管通道内径均为50 mm.在并联四文丘里管施肥器吸肥口为1个大气压力,营养液出口为0.10 MPa,进水端入口压力分别为0.15,0.25,0.35,0.45,0.55,0.65 MPa的边界条件下,运用FloEFD软件对施肥器吸肥量进行仿真分析,得到了各通道吸肥量与进出口压差呈正相关的工作特性.基于该分析结果,进一步在4个文丘里管并联施肥器的出口增设吸肥泵,构成四吸肥通道+旁路吸肥式管路施肥器(“旁路吸肥”模式),通过性能仿真表明:并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式,可提高吸肥量整体提高31.08%以上,方差降低74.12%,同时实现将营养液有压输出.进一步开展并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式吸肥量性能试验,得出实测平均吸肥量为693.25 L/h,与仿真分析数据平均相对误差仅为4%,验证了仿真分析结果.该研究为并联四文丘里管施肥器“旁路吸肥”模式整机的研制奠定了基础.     

文丘里施肥器改进设计和应用

1文丘里施肥器组成与工作原理文丘里施肥器通常由文丘里管和肥料罐组成,如图1。其工作原理是利用文丘管中管路过流面积突然变小,产生局部负压,将外部容器的肥液或药液通过微小管路吸入到管路中。文丘里管构造简单(如图2所示),造价低廉,使用简便。文丘里施肥器主要应用于小型微灌(如滴灌、微喷灌)系统的施肥。图1文丘里施肥器构成图1.进水口;2.负压区;3.出水口;4.吸肥口图2文丘里管结构简图2文丘里施肥器的工作特点文丘里施肥器的工作原理决定了其工作特点:吸肥量受灌溉系统的压力、流量影响较大。施肥器直接串联安装在主管上,系统压力损失较…     

n_s=68离心泵全流道空化性能的数值研究

以低比转速ns=68的离心泵为研究对象,对其全流道的非空化流和空化流进行了数值模拟研究。首先,基于k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,数值模拟了离心泵内的湍流特性,预测的外特性性能曲线与试验数据比较一致。其次,采用完全空化模型和混合流体模型对离心泵的空化区域进行了预测,计算结果表明,空化首先发生在叶片背面的进口处稍后的位置,此处的气体含量最高且压力最低。同时,数值分析了不同流量工况下空化流的空化特性,预测的离心泵必需汽蚀余量曲线与试验数据比较一致,并预测了设计工况下不同NPSH值时叶轮内的气体体积分布,详细地体现了叶轮内空化发展的过程,从而验证了数值模拟方法对空化和空蚀研究的高效性和准确性。     

双吸泵的空化性能研究

通过试验和数值计算研究了一台450CSL型船用双吸泵的空化性能。为得到更为精确的模拟结果,在进行数值计算之前,分别对湍流模型和空化模型进行了改进,并通过二次开发技术把改进后的模型添加到CFX中。把非空化与空化状态下的模拟结果与试验结果进行了详细的对比,对比结果表明数值计算能够较好地预测双吸泵的能量特性及空化特性。此外,为较为全面地研究双吸泵内的空化流场,不仅分析了叶轮内空泡体积分数分布和吸水室内空泡分布,还对泵体沿吸水室隔舌中间断面静压分布和叶轮流道内总压分布进行了仔细的研究。研究结果明确了泵性能下降的主要原因是空化的发展,且数值计算能够较为真实地反映双吸泵的空化性能,从而为泵的优化设计提供参考。     

文丘里施肥器改进设计和应用

1文丘里施肥器组成与工作原理 文丘里施肥器通常由文丘里管和肥料罐组成,如图1。其工作原理是利用文丘管中管路过流面积突然变小,产生局部负压,将外部容器的肥液或药液通过微小管路吸入到管路中。文丘里管构造简单（如图2所示）,造价低廉,使用简便。文丘里施肥器主要应用于小型微灌（如滴灌、微喷灌）系统的施肥。     

液力减速器模型空化特性数值模拟及试验研究

为了研究液力减速器内部流场空化特性,基于ANSYS CFX软件,采用RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,选取液力减速器模型单个流道作为研究对象,对其在泵轮外环壁不同压力时进行数值模拟,并搭建减速器试验台,进行降压性能试验.将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟方法对液力减速器空化特性预测是可靠的.研究结果表明:数值模拟方法获得的性能曲线与试验结果变化趋势一致,且可以捕捉到空化初生状态,数值模拟与试验结果平均误差为3.24%,可较好地反映液力减速器内部空化特性;随着泵轮外环壁压力不断降低,空化最先发生在泵轮叶片吸力面靠近轮毂的位置,之后向叶片中部扩大,直至占据叶片吸力面大部分区域;空泡分布在径向存在不均匀性,泵轮外环壁压力为0.25 MPa时,空化区域面积比(Sc/S)随着径向位置(r/R)的增大呈现先增大后减小的趋势,空化现象在流道靠近轮毂位置(r/R=0.3~0.5处)较为严重.     

文丘里施肥器控制性能试验分析

在水肥一体化滴灌设施中,为优选文丘里施肥器的最佳控制方式,以规格为32mm的并联式文丘里施肥器为对象,在文丘里施肥器的进水口、出水口和与水管的并联连接处3个位置安装球阀调节压差进行试验。试验结果表明,在进水口处调节压差,肥液质量分数低于13％时不能调节;在与水管的并联连接处调节压差,可实现对肥液质量分数的调节,但当压差...