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。     

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。     

迷宫型灌水器快速模具设计及加工参数优化

针对迷宫型灌水器传统注塑模具加工周期长,加工成本高的问题,为适应产品快速开发的需要,该研究开发了一种灌水器模具的快速制造技术和注塑成型工艺。利用数字ABS作为模具材料,采用聚合物喷射技术成型模具确保精度和强度。为确定不同加工参数对成型质量的影响,以翘曲变形量和缩痕估算为分析指标,通过Moldflow软件进行了单因素试验和四因素五水平的正交试验。建立了翘曲变形和缩痕估算与各参数间的回归模型,并通过粒子群算法得到了最优工艺参数。试验结果表明,冷却时间对翘曲变形量和缩痕无影响,熔体温度、保压压力和保压时间对翘曲变形和缩痕产生决定性的影响,最佳工艺参数组合为熔体温度230℃,保压压力3 MPa,保压时间4 s。优化成型工艺参数后,翘曲变形下降8.72%,缩痕估算下降20.68%,熔接痕减少,塑件质量得到提高,达到设计要求。在注塑机中使用快速模具进行了注塑试验验证,证明了结构和工艺的正确性。相较于传统模具加工,快速模具实现了灌水器快速开发,在保证灌水器质量的情况下大幅度缩短了加工时间,降低了加工成本,该研究可为新型灌水器的设计与开发提供一定的理论基础。     

微灌长流道灌水器结构特性的研究综述

针对微灌长流道灌水器的发展过程,分别从理论分析、试验研究、数值模拟三个角度总结了国内外诸多学者对长流道灌水器结构特性的研究状况,在此基础上提出基于平台技术的灌水器快速开发路线并分形其可行性,从此路线中引出基于特征参数提取的试验方案,并结合当前微小流道的研究思路对迷宫型长流道灌水器的研究方向提出了若干建议,有助于今后快速研发出性能优良的迷宫型长流道灌水器。     

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。     

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。     

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.     

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。     

纳米气泡对沼液滴灌系统灌水器的防堵塞效应与机理

沼液中含有大量的微生物、盐分离子与固体颗粒物等致垢物质,极易导致沼液滴灌系统灌水器物理-生物-化学复合堵塞,纳米气泡凭借其比表面积大、表面带负电荷、吸附性能高等特点,有望成为一种协同控制沼液灌溉系统复合型污垢的可靠方法。该研究旨在探究纳米气泡（Nanobubbles,NBs）对沼液滴灌系统灌水器复合型堵塞的缓解效应,明确NBs对灌水器附生生物污垢、化学沉淀和颗粒污垢的控制效果。将无NBs水和饱和NBs水进行不同体积配比,配置了3种NBs浓度的灌溉水：对照组（无NBs水）、饱和NBs水（全部为NBs水）、半NBs水（体积比1∶1）,分别对3种内镶片式灌水器开展试验。结果表明：与对照组相比,NBs有效地缓解了灌水器堵塞,系统运行末期3种类型灌水器内部堵塞物质的干质量分别降低了22%～49%、18%～41%和25%～47%,而滴灌系统的相对平均流量和克里斯琴森均匀系数整体提高了15%～44%和26%～48%。NBs有效地控制了灌水器附生的生物污垢、化学沉淀和颗粒污垢形成,使得堵塞污垢中胞外聚合物的含量降低了29%～53%,碳酸盐、磷酸盐等化学沉淀的含量降低了52%～75%,而颗粒污垢的总量降低了35%～68%。相比而言,饱和NBs水处理比半NBs水处理下污垢的干质量减少了21%,建议在沼液滴灌工程中采用饱和NBs的方式来缓解灌水器堵塞。该研究证明了NBs是一种有效且生态友好型的防灌水器复合堵塞技术,有助于沼液滴灌技术的进一步推广。     

加氯及毛管冲洗控制再生水滴灌系统灌水器堵塞

再生水滴灌系统中灌水器生物堵塞与其内部堵塞物质-附生生物膜的形成、生长有着密切关系,加氯配合毛管冲洗既可以借助加氯杀菌抑制微生物生长,又可以利用毛管冲洗的剪切力作用而促进毛管内部堵塞物质的脱落而冲出系统外部,有望成为一种控制灌水器内部生物膜形成与堵塞的有效措施。为此,借助周期循环式活性污泥法(cyclic activated sludge system,CASS)工艺污水处理厂现场再生水滴灌系统灌水器堵塞试验,研究毛管冲洗、加氯、加氯配合毛管冲洗3种模式对再生水滴灌系统灌水器堵塞控制效果。研究发现加氯配合毛管冲洗可有效降低灌水器内附生生物膜中微生物的数量,较单独的毛管冲洗、加氯以及未进行任何处理条件下微生物磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acids,PLFAs)含量分别降低了52.2%、44.2%、73.2%,微生物分泌的黏性胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)含量也分别降低了约28.0%、22.9%、63.9%,在微生物及其分泌的黏性多聚物的共同作用下,使得灌水器内部堵塞物质总量分别降低了47.4%、43.1%、69.1%,进而使得灌水器相对平均流量和灌水均匀度最高分别提升了40.0%、53.0%,灌水均匀度(coefficient of uniformity,CU)达到了70%以上。同时表明在推迟加氯起始时间后(即灌水器相对平均流量(discharge ratio variation,Dra)降至80%开始加氯),加氯仍可以达到满意的堵塞控制效果。但加氯配合毛管冲洗也会显著增加微生物活性,分别提升了36.5%、29.0%、15.7%,这也使得对灌水器堵塞的恢复效果逐渐降低。     

基于快速成型制造技术的滴灌滴头的快速定型

该文阐述了滴灌设备关键部件——滴头的快速定型过程。详细论述了根据滴头结构设计生成其结构CAD模型,并应用快速成型制造技术制作滴头原型和其一体化实验原型。通过滴头流体实验可看出,与传统制造工艺相比,产品性能良好,并且滴头的生产成本可大大降低。定型后的滴头可直接应用于滴灌实验和生产实际中,实现了滴头的快速制造过程     

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...     

滴灌管内嵌管状滴头的快速制造方法研究

针对我国干旱半干旱地区节水灌溉的需要，应用快速成型制造技术（RP&M）进行滴灌管内嵌管状滴头的快速制造方法研究的设计及其模具的快速制备，详细介绍了管状滴头CAD设计中所进行的工艺设计，RT工艺模型的生成，样件的制备和金属喷涂快速注塑模具的制造。利用快速成型制造技术，设计制造周期短，模具质量高，从而可以实现对市场的快速响应。     

滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响

为探明滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响规律及堵塞机理,该文选取不同硬度水源和2种滴头(内镶圆柱式、内镶贴片式)进行滴灌试验,研究滴头的流量变化和堵塞规律,并用场发射扫描电镜技术观测了滴头内堵塞物的结构及成分。结果显示:硬水滴灌条件下,2种滴头的平均相对流量随着滴灌运行时间的增加呈均匀下降趋势,且水质越硬下降越明显;硬水滴灌会造成滴头堵塞,且水质越硬堵塞程度越严重。但同一硬度水源处理下,2种滴头的平均相对流量和堵塞程度基本一致。堵塞的滴头在毛管的前1/3段、中1/3段、后1/3段都有分布。堵塞物质分析显示,Ca CO3沉淀导致的化学堵塞是滴头堵塞的主要原因。研究结果为滴灌技术在灌溉水质较硬地区的推广使用提供参考。     

滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究

为从结构设计上解决灌水器的堵塞问题,针对滴灌灌水器的各种微小迷宫流道形式,应用计算流体力学(CFD)数值模拟可视化地揭示了迷宫流道内部流动场的情况,并通过流体力学相似实验,用激光多普勒测速仪(LDV)测量了流道中的速度流场,验证了流态模拟计算的正确性.在此基础上,分析了迷宫流道的堵塞机理,针对流道中存在的流动滞止区结构,提出迷宫流道主航道抗堵优化设计方法,使优化后流道中不存在流动滞止区,提高迷宫型灌水器的抗堵性能,并通过了实验验证.     

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。     

分流式灌水器结构优化设计与试验

水力性能和抗堵性能是评价灌水器性能的2个重要指标,但两者在对灌水器流道的结构要求上存在本质的矛盾,目前缺少有效的灌水器结构优化方法。为了定量优化出2方面性能都比较优越的流道结构,该文将渐缩、渐扩、分流等增大局部压力损失的方法应用到灌水器流道设计中,设计了一种分流式灌水器,提出基于灰靶理论的灌水器流道多目标优化方法;将正交试验方法和灰靶理论相结合,进行面向水力性能和抗堵性能的灌水器流道多目标优化。研究结果表明,当给定水力性能和抗堵性能权重均为0.5时,最优结构参数水平组合为A3B4C2D4,此结构的流道流态指数为0.5150,粒子通过率为88.504%,综合考虑了水力性能和抗堵性能2个目标。通过试验验证,该方法是灌水器流道结构设计与定量优化的有效方法。     

滴头性能综合测试平台构建及其在水力特性研究中的应用

在对国内外滴头性能测试系统进行深入分析的基础上,构建了面向滴头性能研究的综合测试平台,并利用该系统对目前中国农业灌溉领域最为典型的8种迷宫式流道滴头水力性能进行了研究,结果表明测试系统完全符合滴头流量-压力测试要求;升压、降压两种工作方式对滴头出流的有一定影响,但未达到显著水平;经典的流量-压力关系模型完全适合于1.5～15.0 m压力区间;从水力学角度来看,8种滴头能够满足微重力滴灌滴头的要求;滴头流量偏差系数在整个压力区间范围内都在一定数值附近,制造偏差是属于滴头本身的特性,并不随滴头进口压力的变化而变化,用流量偏差系数完全可以反映这种特性.     

滴头性能综合测试平台构建及其在水力特性研究中的应用

在对国内外滴头性能测试系统进行深入分析的基础上，构建了面向滴头性能研究的综合测试平台，并利用该系统对目前中国农业灌溉领域最为典型的8种迷宫式流道滴头水力性能进行了研究，结果表明：测试系统完全符合滴头流量-压力测试要求；升压、降压两种工作方式对滴头出流的有一定影响，但未达到显著水平；经典的流量-压力关系模型完全适合于1.5～15.0 m压力区间；从水力学角度来看，8种滴头能够满足微重力滴灌滴头的要求；滴头流量偏差系数在整个压力区间范围内都在一定数值附近，制造偏差是属于滴头本身的特性，并不随滴头进口压力的变化而变化，用流量偏差系数完全可以反映这种特性。     

地下滴灌田间管网室内试验测试系统(简报)

针对地下滴灌管网中各灌水器出流量难以测量的问题,提出一种新的试验测试方法--称重测量法,可获得各灌水器的出流量.测试系统由称重传感器、压力变送器、数据采集系统和计算机及相关软件构成,可同时间接获得地下滴灌管网中各灌水器的出流量和直接测量出支管与毛管的沿程压力.而且还可实现自动监控、自动采集和存储测试数据的功能.实测结果表明:系统测试精度可满足试验要求.该测试系统操作简便,是室内试验研究地下滴灌田间管网水力要素变化规律的有效方法.