迷宫流道齿转角与齿间距对滴头性能的影响

以齿形迷宫流道为研究对象,齿转角和齿间距分别设置4个水平,采用两因素四水平全面试验方法设计,根据流体动力学两相流理论,利用Fluent 63软件对设计滴头进行了液固两相流数值模拟,分析了齿转角和齿间距对滴头水力性能和抗堵塞性能的影响．结果表明:齿转角、齿间距与流量系数均呈正相关关系,流量系数随齿转角和齿间距的增大而增大;齿转角对流态指数的影响较为复杂,以120°为转捩角呈2种变化趋势,当齿转角大于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先减小后增大的趋势;当小于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先增大后减小的趋势．提出以颗粒浓度的某个范围分析灌水器的抗堵塞性能的方法,流道内悬浮颗粒最高浓度的高低与高浓度区域所占比例并不完全一致,但最高浓度越高,则颗粒聚集的机会越大,发生局部沉淀的可能性就越大,高浓度区域所占面积也相对较大,滴头越易发生堵塞．     

低压对不同滴头水力技术指标的影响

通过研究低压工作对不同类型滴头水力技术指标的影响,确定滴头在低压滴灌应用中的适用条件.采用室内测试并利用软件拟合相关曲线,分析了2种管径的8种滴灌管线的滴头在低压工作下的特性并与常压工作进行对比.在低压力工作状态下侧翼迷宫式滴头的变异系数随着压力的减少而增大,内镶贴片和内镶柱状滴头变化不明显;常压流态指数x>0.5的滴头,低压状态下流态指数变大,常压流态指数x<0.5的滴头,低压状态下流态指数变小;低压工作对管径12 mm滴灌管线的流量偏差影响大于管径16 mm,流态指数x<0.5的滴头,常压的压力流量公式计算低压情况下的流量偏差可以满足设计要求.利用常压滴头作为低压滴灌系统中的灌水器时,选择大管径、滴头流态指数小于0.5的滴灌管线,可以提高低压滴灌系统的均匀度,保证灌水质量要求.     

插入式滴灌管局部阻力相邻影响研究

为研究插入式滴头局部阻力间的相互影响,以16插入式滴灌管为研究对象,设置6种滴头间距进行灌水试验,同时采用CFD模拟并分析验证。在此基础上对20滴灌管进行了模拟研究。结果表明:滴头局部阻力相邻影响系数模拟结果与试验结果基本吻合;滴头局部阻力相邻影响系数随滴头间距的减小而减小;滴头前后扰动范围和流速分布的变化是滴头局部阻力产生相邻影响的主要原因;滴灌设计中,当滴头间距小于0.5 m时,应考虑滴头局部阻力间的相邻影响,相邻影响系数取值范围为0.9~1.0。     

齿形迷宫流道滴头消能过程的试验研究

由于齿形迷宫流道滴头的内部尺寸很小,利用常规仪器难以对其流道内的水压力分布规律直接进行测量。利用自行研制的试验装置,对迷宫式滴头齿形流道内部的压力分布状况直接进行测量,结果表明:该装置切实可行。实测的齿形迷宫式滴头流道内能量损失并非均匀降低,在不同工作压力区间段内压力损失比例存在差异,且随工作压力的变化,各齿段的消能比例也在不断的变化;当压力达到一定范围后,各齿段间的消能比例系数基本稳定不变。     

滴头锯齿型迷宫流道消能特性的流体动力学分析

在对所选取的3种代表性锯齿型迷宫式滴头流道参数进行精确测定的基础上,利用圆管紊流理论和CFD流场模拟软件对锯齿形迷宫流道的消能机理进行了研究。结果表明：光滑圆管紊流理论不足以解释锯齿型迷宫流道的消能机理;压力沿流道长度方向呈线性递减,各消能尖角单元压力损失相等,符合线性叠加规律;摩阻系数随着压力增加而降低,并很快稳定在一定数值上;在中、高压区滴头流道内部流动为紊流,在低压区可能存在从层流到紊流或者光滑紊流到全紊流的流态转捩行为。     

低压滴灌施肥条件下温度对滴头堵塞的影响

【目的】探究低压滴灌施肥条件下温度对滴头堵塞的影响。【方法】采用短周期间歇灌水试验方法,考虑温度、运行压力、肥料质量浓度等因素,展开完全随机试验,研究滴头堵塞过程,寻求适宜的加肥质量浓度阈值。【结果】温度越高、运行压力越大、加肥质量浓度越低滴头堵塞风险越小;温度40℃时,运行压力50kPa、加肥质量浓度3g/L的处理具有最高的平均相对流量、均匀度系数以及最低的堵塞率;不同温度下加肥质量浓度阈值不同,温度10、20、30、40℃时加肥质量浓度阈值分别为4、5、7和8g/L。【结论】升高温度、提高运行压力、降低加肥质量浓度能有效降低滴头堵塞风险;升高温度还能提高加肥质量浓度阈值及水流携带固体颗粒的能力,但升高温度对滴头堵塞风险的降低程度随着压力的升高而减弱。     

高含沙水滴灌灌水器堵塞机制及防堵技术研究进展

为解决黄河水中粒径小于0.10 mm细小泥沙颗粒引发的滴灌灌水器堵塞问题。通过文献调研,回顾了高含沙水滴灌条件下灌水器物理堵塞机制相关研究进展,并提出了进一步研究方向。细小泥沙颗粒含量较高的浑水滴灌时,滴头堵塞主要是含沙量、泥沙粒径与颗粒级配耦合作用的结果。滴灌系统工作条件如工作压力的动态变化有助于移除流道内黏、粉等细颗粒堵塞物质,促进较大泥沙颗粒排出流道;灌溉水温越高,滴头抗物理堵塞性能越强;对浑水加气和磁化处理可改变毛管内水流水力特性及悬浮泥沙运动规律,增强水流拖拽力,减小管道内泥沙淤积量。此外,施肥增强了水体中泥沙颗粒间的絮凝作用,对浑水水肥一体化滴灌滴头堵塞具有明显加速作用。浑水含沙量、粒径和颗粒级配是引发滴头物理堵塞的重要因素,确定易引发滴头堵塞的敏感含沙量、颗粒粒径段,选用适宜肥料种类和施肥浓度阈值,优化滴灌系统工作条件参数是改变毛管内泥沙颗粒运移和沉积规律、延缓滴头堵塞进程、提高水肥一体化滴灌水肥利用效率的有力措施;采用统一的灌水试验方法,充分利用现代测试手段,结合生产实际有针对性地改进工程技术处理措施是解决滴头堵塞问题的必要途径。     

滴灌施肥条件下土壤湿润锋变化规律研究

针对宁夏旱区枸杞滴灌施肥系统设计、水肥管理方案等不完善问题,研究了滴灌施肥条件下湿润锋的运移变化规律,为大田滴灌施肥系统设计提供参考依据。通过室内土箱实验模拟大田点源滴灌,试验以滴头流量和施氮浓度为变量,以计划湿润层为控制量,采用完全随机组合设计,研究湿润锋变化规律。灌水氮素浓度一定的条件下,滴头流量越大灌水到达计划湿润层的时间就越短,形成的湿润体体积越大,灌水结束后湿润体水分再分布的距离越大;滴头流量一定的条件下,灌水氮素浓度越大越有利于水分在竖直方向的迁移扩散,水分到达计划湿润层的时间越短,形成的湿润体体积相对较小,灌水结束后土壤水分再分布的距离越小;水平湿润锋和垂直湿润锋运移距离与时间之间满足幂函数关系,幂指数b随流量q和施肥浓度c无明显变化,幂函数系数a随滴头流量的增大而变大,随施肥浓度的增大而变小。滴头流量和施肥浓度都会影响水分在土壤中的运移分布状况,滴头流量起主要作用。水分运移距离与时间满足幂函数关系,可以通过函数关系式来预测土壤水分运移深度。     

泥沙粒径及压力对滴头抗堵塞性能的影响

根据滴灌实际运行情况,采用分段粒径浑水持续灌溉的试验方法,分析了泥沙颗粒粒径及进口压力对迷宫式流道滴头的流量、均匀度及堵塞的影响。结果表明:在粒径小于0.125mm的泥沙颗粒中,较小颗粒的制紊效应要大于较大颗粒的制紊效应,泥沙颗粒粒径及进口压力均是影响灌溉均匀度的因素;含沙量较低时(0.5g/L),粒径是影响滴头堵塞的主要因素,在0.030 8~0.125mm粒径范围内,粒径较小时更容易引起堵塞,进口压力不同时容易引起堵塞的敏感粒径范围不同,压力为0.15及0.105MPa时,敏感粒径为0.045~0.075mm,进口压力降至0.075MPa后,敏感粒径为0.0308~0.045mm;连续灌溉条件下压力不是影响滴头堵塞的主要因素。     

水肥一体化下不同滴灌带配置对玉米产量的影响

针对水肥一体化下不同滴灌带配置方式对作物产量的影响,结合实际探究了当铺设50 m长滴灌带、设置6种不同首部压力时,毛管首、中、尾部的土壤含水率、干物质质量积累量对作物产量的影响。结果表明:滴灌带类型差异使得土壤的平均含水率在生育期内变化规律有所差异,滴头采用内镶贴片式(N0. 30)时土壤含水率变化规律呈较明显的先下降后上升趋势,且随着滴头流量的增大,在全生育期土壤含水率变化越平缓;滴头采用侧翼迷宫式(L0. 15)时土壤含水率变化趋势平缓,且随着滴头流量的增大,在全生育期土壤含水率变化越显著。L0. 15下全生育期土壤含水率均满足作物生长的需求,可以为作物提供充足水分;流入滴灌带的肥液流速越低、长度越长,附着在管壁的肥料质量越多,尾部作物的肥料利用率越低,致使养分吸收少,作物产量降低。对不同处理下毛管的首、中、尾部产量均匀性进行分析表明,随着滴灌带长度的增加,N0. 30的作物产量均匀性逐渐降低,L0. 15的作物产量均匀性逐渐上升,故不同滴头流量对沿滴灌带长度方向的产量均匀性有一定影响。     

CFD and digital particle tracking to assess flow characteristics in the labyrinth flow path of a drip irrigation emitter

It is necessary to have a comprehensive understanding of the flow mechanisms within drip irrigation emitters to design emitters that have a high anti-clogging performance. The use of computational fluid dynamics (CFD) to research the flow characteristics is appropriate because the labyrinth flow path is narrow and its boundary is complex. In this paper, a CFD for numeric model was developed for numerical simulation of the velocity distribution and turbulence intensity distributions within labyrinth emitters. A two-dimensional digital particle-tracking velocimetry (2D-DPIV) visual display system of the full flow fields was also constructed using plain laser inducement fluorescence velocity measurement technology, custom-made fluorescent particles and a plane model of the emitters. The object lens of a microscope was fitted to a conventional charge coupled device (CCD) camera to overcome the contradiction problems between the image viewing area and resolution power within the flow path. The measured turbulence and velocity distribution characteristics within the labyrinth flow path were in good agreement with the calculated CFD results. This enabled the optimal emitter design patterns to be determined based on the hydraulic characteristics and clogging resistance in the labyrinth flow path.     

迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证

针对迷宫流道灌水器结构细微复杂的特点,分别采用计算流体动力学CFD模拟方法和粒子图像测速仪PIV观测方法,对固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了模拟研究与试验观测,并对2种方法的研究结果进行了分析,结果表明:CFD模拟不同直径、不同密度的固体颗粒运动时,其模拟轨迹线与实际运动线非常接近;当颗粒直径较小(65 μm)或密度较小(镁粒,1 740 kg/m3)时,CFD模拟的颗粒通过的路程与实际运动路程的偏差很小,而直径或密度较大的颗粒偏差比较大,其原因是直径或密度较大的颗粒实际运动时更加靠近主流区;采用CFD模拟颗粒运动速度是可行的,但颗粒实际运动时,保持高速的时间长于CFD模拟.     

迷宫滴头CFD分析方法研究

利用计算流体动力学CFD软件对3种不同流道结构的迷宫滴头进行了水力特性的数值模拟,得到了滴头流道内部的压力和流速分布,预测了滴头压力流量关系,同时将预测值与实测值进行比较。分析了现有CFD方法在预测迷宫滴头水力性能方面的优势,以及导致预测结果存在一定偏差的原因。对比了不同湍流模型、不同网格密度等因素对滴头内部流场计算结果的影响,提出了今后开展滴头CFD研究的发展方向。     

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。     

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。     

滴灌灌水器迷宫流道结构对泥沙运动的影响

采用基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日固液多相湍流模型,选用夹角、上底宽、齿高、齿尖参差量、流道宽等五因素四水平组成16个迷宫流道模型,进行水沙运动CFD-DEM耦合数值模拟,分析沙粒群通过率、速度下降百分数、沙粒群运动和分布规律。结果表明:沙粒群通过率能有效描述迷宫流道的抗堵塞性能,沙粒群通过率与沙粒速度下降百分数呈负相关,沙粒群整体速度下降是影响迷宫流道内沙粒通过率的核心因素;沙粒速度的变化取决于流道内水流运动特性,而夹角、流道宽是影响水流特性的主要流道结构参数,其中夹角具有显著性影响;较优结构中可使沙粒始终受曳力牵引,大部分沙粒运行于主流区中,保持较高的运动速度,速度下降较小,动能损失少,通过率高,减少了被堵塞的机率;该方法统计了沙粒群运动及分布规律,从微观角度分析迷宫流道内沙粒运动,将有效提高迷宫流道结构设计效率。     

迷宫滴头CFD模拟精度影响因素的正交试验分析

近几年出现的计算流体动力学(CFD)数值模拟方法已经成为滴头研究中的重要手段.在利用FLUENT求解器对迷宫滴头流道内流场进行CFD数值模拟时发现:当对求解器进行不同设置时,CFD模拟精度存在较大差别,因此有必要对影响滴头CFD模拟精度的主要因素进行分析,找出合理设置求解器的方法,以便CFD数值模拟可以取得理想的模拟精度.利用FLUENT软件对迷宫滴头流道内流场进行了数值模拟,并与实测结果进行对比,对影响滴头CFD数值模拟精度的主要因素进行了正交试验分析,研究了网格单元尺寸、CFD计算模型和近壁面处理方式对CFD模拟精度的影响特性.找出了能使CFD数值模拟取得理想精度的求解器设置方法.     

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。     

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.     

迷宫流道内沙粒-壁面碰撞模拟与PTV实

以单个沙粒为对象，研究了沙粒与灌水器流道壁面的碰撞过程。采用计算流体力学CFD数值模拟方法，分析了沙粒与壁面碰撞反弹系数Rc对灌水器抗堵性能的影响。结果表明，反弹系数对灌水器抗堵性能影响较大。利用粒子跟踪测速技术PTV，观测了复杂迷宫流道内沙粒与壁面碰撞过程，测定了不同压力点下矩形流道的碰撞反弹系数，为灌水器数值模拟时反弹系数的设定提供了实验依据，从而可以更加准确评估灌水器抗堵性能。