波动水压滴灌系统设计与实验分析

针对恒压条件下灌溉系统容易堵塞和在堵塞条件下灌水器均匀度低的弊端,基于可编程控制器PLC和变频器控制技术,提出了一种波动水压灌溉系统。采用正交实验设计方法,取基准水压、波动周期和波幅3个波动参数为因素,设计灌水器在波动水压条件下的水力性能实验。实验结果表明,在正弦波动模式下,基准水压和波幅对灌水器平均流量和抗堵塞性能影响较大,合理的基准水压和波幅组合可以提高灌水器在堵塞条件下的平均流量和抗堵塞性能;而振动周期对灌水器均匀度的影响最为显著;通过对实验数据的线性回归,建立了基于波动参数的平均流量计算表达式,为波动水压滴灌实际应用提供了设计依据。     

变量灌水器独立双流道结构设计与优化研究

新疆灌溉农业通常在作物生长期采用低流量滴灌以提高水分利用效率,而后在休耕期采用沟灌洗盐来防止次生盐碱化。这个相对复杂的农业生产过程可能会增加新疆当地劳动力和资源过度投入。为此,通过3D打印技术开发了一种具有独立双重流道的新型变量灌水器,该灌水器在两个工作水压水平（6～10 m和12～15 m）下具有灌溉和洗盐功能。通过室内试验分析了变量灌水器基本水力性能（流量系数、流态指数）,然后利用计算流体动力学（CFD）和通径分析相结合的方法,研究了变量灌水器水力性能对流道宽（w）、流道深（D）、流道长（L）、齿高（h）和齿底距（b）的响应。结果表明,随着工作水压从6 m增加至10 m,变量灌水器出流量从1.6 L/h缓慢地增加到2.1 L/h,当工作水压进一步增大至12 m时,变量灌水器出流量急剧达到4.5 L/h,增幅达114.3%,这说明通过调节工作水压,所设计的变量灌水器可原位实现灌溉功能（较小流量）和洗盐功能（较大流量）的自由切换。根据新疆当地农田实际灌溉定额和盐碱化程度,推荐了适宜的变量灌水器流道参数。例如,在轻度盐碱地中,变量灌水器适宜的w、D、h、L和b分别为0.60、0.60、0...     

高频脉冲条件下灌水器水沙两相流数值模拟

为提高灌水器的抗堵塞性能,在与射流三通产生波形相同参数(周期、振幅)的高频脉冲波(正弦波、三角波、梯形波、矩形波)的条件下,以迷宫流道灌水器为研究对象,应用CFD两相流含沙量数值分析,采用k-ε湍流模型及多相流Eulerian模型,模拟高频脉冲条件下流量与压力水头关系、含沙量的瞬时分布,分析高频脉冲条件对颗粒物沉积区含沙量变化的影响。结果表明,高频脉冲波对灌水器平均流量和抗堵塞性能影响较大,高频脉冲波的波动性和连续性对提高灌水器抗堵塞能力起主要作用;抗堵塞能力由大到小的高频脉冲波形顺序为正弦波、三角波、梯形波、矩形波;入流含沙量增加会导致旋涡区泥沙的沉积,高频脉冲波可以增强旋涡区的冲刷以提高抗堵塞性能;灌水器内各处含沙量均随颗粒粒径的增大而升高,不同粒径下含沙量分布和变化略有不同。射流三通产生的脉冲波有利于提高灌水器的抗堵塞能力。     

滴灌灌水器侧壁斜度和外形曲率对其性能的影响

基于计算流体动力学(CFD)研究了内镶式灌水器流道的流场,分析了流道侧壁斜度对其水力性能的影响,发现灌水器具有2°~4°的流道侧壁斜度能够减小其流态指数。采用离散相模型(DPM),对比了颗粒在圆弧形灌水器和平板型灌水器流道内浓度分布,并从流道截面流场速度分布、中面流场垂直速度分量分布和颗粒运动轨迹3个方面分析了颗粒浓度分布差异的原因,认为圆弧形灌水器流道中颗粒运动复杂,更易造成堵塞,其外形设计劣于平板型灌水器。采用四板式可视化平面模型装置,通过水力性能实验测量了不同工作压力下出口的流量,获得的实验结果和模拟结果相差仅有5%,并通过可视化实验获得了流场局部矢量图,验证了模拟所得灌水器流场分布的结果。     

迷宫流道内沙粒壁面碰撞模拟与PTV实验

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.     

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。     

微压滴灌灌水器设计及快速开发平台技术

针对目前滴灌技术研究向低能耗方向发展的趋势,为降低滴灌系统成本,基于计算流体力学两相流CFD数值计算,进行了新型的微压抗堵灌水器结构CAD设计,并应用微PIV系统测量研究其内部流动特性,着重进行了微流道两相流PIV测量和分析.结合高精度激光快速成形技术(RP＆M),建立了微压滴灌灌水器快速开发平台,制作微压灌水器实验件并进行其水力性能及抗堵性能分析,经过回归分析得到微压滴灌灌水器的结构参数水力性能经验公式,为设计新型抗堵微压灌水器提供理论依据.     

弧形流道结构参数对灌水器水力性能影响的数值模拟

应用计算流体动力学CFD数值软件FLUENT6.3,模拟了滴灌灌水器弧形及弧齿形二种结构形式流道的流场水力性能。结果表明,弧形流道的消能方式主要为沿程水头损失,弧形流道灌水器的流态指数在0.7左右,而弧齿形流道中存在许多流动漩涡区,因此,其消能方式主要为局部水头损失,弧齿形灌水器的流态指数在0.5左右。通过对比分析认为:弧齿形流道水力性能优于弧形流道,可以通过结构参数优化设计,减小0流速区域,强化旋涡区,提高弧齿形灌水器的水力性能与抗堵塞能力,灌水器设计中推荐采用弧齿形流道结构形式。     

滴灌灌水器三角形迷宫流道优化设计

为了研究三角形迷宫流道滴灌灌水器的水力特性,将其结构作为研究单元,以流道转角、流道宽度和齿高3个结构参数为因素,采用均匀设计方法设计出10个结构参数组合方案.对于每个参数方案,通过AutoCAD对灌水器流道进行三维造型设计,采用计算流体动力学软件Fluent 6.2对流道内部流体的流动状态进行数值模拟,并且模拟分析灌水器内部流道的水力性能和流场特性,得到流道内部流场可视化图像,同时计算不同压力对应的流量值,通过回归分析建立压力与流量之间的量化关系和回归曲线图,并获得其流态指数.在此基础上,根据10个组合方案数据,通过多元回归计算,建立流态指数与结构参数之间的数学关系.以流态指数最小为目标,采用遗传算法,获得结构参数优化设计方案,得到一种流道内速度均匀分布、压力变化均匀递减、流量大小控制在滴灌允许范围之内、水力性能优良的三角形迷宫流道灌水器,可为三角形迷宫流道灌水器的参数化结构设计、制造中的精度控制以及最终的研发提供理论依据.     

齿形迷宫流道不同结构参数下灌水器抗堵塞性能研究

以齿形迷宫流道灌水器为研究对象,通过计算流体力学(CFD)数值模拟、PIV观测和样品测试相结合的方法,研究了齿形结构的不同齿底距、齿高下颗粒运动轨迹与流道内部速度场分布的关系,并初步探索了流道结构参数与灌水器抗堵塞性能的关系。结果表明:当流道内固体粒子运动速度小于0.5 m/s时,易在齿底处旋转,而大于此速度时,则易进入主流区被水流带出流道;齿形迷宫流道齿底距与抗堵塞性能呈正相关,齿高与抗堵塞性呈负相关;流道设计时,单纯增大齿底距或者减小齿高,可以有效降低粒子在流道中发生旋转的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。