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。     

迷宫流道灌水器抗堵塞设计与PIV试验

为提高迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,通过数值模拟的方法对梯形流道内含沙量分布以及水沙流速进行了分析,并采用PIV测试优化前后流道内颗粒运动轨迹和速度来进行验证。结果表明:梯形迷宫流道灌水器流道内高含沙量区域主要在迎水面且流速较低的位置,在优化流道时可适当增加迎水面的修改,结合流道整体和加工需求可适当、甚至不修改流道背水面尺寸;以某一含沙量分布线作为流道边界,通过多次数值模拟获得较低含沙量的流道后,进行标准化再选取流道较宽的流道。该方法基本消除了沙粒大量集中的现象,获得抗堵塞性能较好的流道模型。经水沙速度分析和PIV测试验证了该方法不仅保持了灌水器优化前的水力性能,而且抗堵塞能力得到了提高。     

基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙运动三维数值模拟

针对水力旋流器内流场运动复杂、沙粒运动规律难以掌握的问题,运用基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日液固多相湍流模型,对水力旋流器内的水沙两相三维流动进行了CFD-DEM耦合数值模拟研究,分析了水力旋流器内单个沙粒的轨迹线、速度和沙粒群的运动规律、分布特性等。模拟结果表明,沙粒粒径越小,沙粒向下运行的距离越短,越容易从下降流中进入到上升流中,越难以分离。粒径为40μm的沙粒,在圆柱体与圆锥体交界面处出现沙粒峰值,分离效果易受影响,而50μm和60μm沙粒在圆锥体部分出现峰值,具有较好的分离效果。通过跟踪单个沙粒和沙粒群的运动可知,沙粒在圆柱体内主要作圆周运动,进入到圆锥体部分,沙粒既有圆周运动,又有明显的进入沉沙口的直线运动。分析大量沙粒个体和群体运动以及群体分布情况能从微观角度了解水力旋流器的分离效率,是水力旋流器性能研究的有效手段。     

不同动态水压模式下迷宫流道内颗粒物运动特性研究

采用PTV技术,观测三角函数、三角、台阶、矩形波形动态水压模式下迷宫流道内颗粒物的运动情况,分析不同动态水压模式下迷宫流道内单个颗粒物运动轨迹、运动速度及流体流场,揭示动态水压抗堵塞机理。结果表明:相对于三角、台阶及矩形波形动态水压模式,三角函数波形动态水压模式下颗粒物滞留滞止区内的时间最短,颗粒物的沉积概率最小,水流对颗粒物的输移能力最大;三角函数波形动态水压模式下流道内产生的水流波动效应不断冲击流道滞止区内存在的低速漩涡,加剧了滞止区水流紊动,进入滞止区的颗粒物随水流不断运动,并对滞留甚至沉积在滞止区内的颗粒物发生强烈冲击,使得颗粒物离底悬浮,返回主流区,并迅速通过流道,增大了水流对颗粒物的输移能力,增强了流道的抗堵塞性能。     

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。     

灌水器迷宫流道结构参数数值模拟与抗堵塞分析

借助Fluent6.2CFD流场软件对齿形迷宫流道滴头内部水流特性进行了数值模拟,研究了流道参数齿角、齿尖参差量对灌水器流量的影响。齿尖角与流量之间呈正相关关系;进行抗堵分析时发现,齿角越小,湍急小体积的漩涡越多,越有利于消能和自清洗抗堵塞,而齿尖角越大,水流流线越平滑,越有利于水中颗粒的排出,因此在进行流道抗堵塞结构优化时,应综合考虑这二者之间的矛盾,根据设计流量选择适当的齿尖角;齿尖参差量与流量之间呈负相关关系,即相同齿角及压力条件下,参差量越大,出口流量越小,齿尖参差量对灌水器流量大小的影响与齿尖角度的大小有着密切的关系,随着齿尖角的增大,增大参差量,流量的减小幅度越大;进行抗堵分析时发现,参差量越小,流道的实际过流断面越大,越有利于水中颗粒排出。     

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。     

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。     

不同加气和粒径条件下浑水滴灌滴头堵塞特性研究

为探明浑水滴灌过程中水中加气对滴头堵塞的影响,以齿形迷宫流道滴头为研究对象,采用周期性间歇灌水测试方法,用最大粒径小于0.1mm的泥沙配置了5种不同的浑水,运用激光粒度分析仪和场发射扫描电镜等方法研究了滴头堵塞状况。结果表明：加气和泥沙颗粒级配对滴头堵塞具有极显著影响（P<0.01);加气提升了毛管内泥沙输移能力、促进大泥沙颗粒排出,减小淤积泥沙中值粒径,且泥沙最大粒径越小,加气对泥沙运移的影响越小,毛管淤积物质量、淤积泥沙中值粒径较未加气处理减少8.75%～31.92%、8.59%～35.64%;泥沙粒径为0.075～0.100mm时,滴头流量下降最快,泥沙为粒径0～0100mm时,滴头流量下降最慢;加气增大了水流紊动程度,促进浑水中大颗粒泥沙在流道内的输移;加气加剧了浑水中小颗粒泥沙在流道入口处黏附,加速了流道入口堵塞,滴头Dra和Cu比未加气处理低9.0～18.7个百分点和16.2～36.4个百分点,这是造成加气加速滴头堵塞的主要原因。建议进行毛管冲洗,降低流道入口堵塞风险,以提高加气滴灌滴头的抗堵塞性。     

迷宫型滴灌灌水器的流速模拟研究

利用Fluent软件对矩形迷宫型滴灌灌水器流道内流体的流速进行了模拟研究,通过对模型进行求解,得到了流场内的流体的流速变化。结果表明:灌水器流道的主流区集中在流道的轴线处,低速区位于流道近壁面和拐角处,接近为0,流体并没有充满整个流道,水流流态主要为紊流,每个单元之间速度分布变化不大;在流道断面面积相同、单元数相同时,矩形迷宫型灌水器内流速与压力呈正相关关系。     

不同冲洗措施下迷宫流道灌水器泥沙运行分布机理研究

评估了3种冲洗流速（0.25、0.50、0.75m/s）和5种冲洗频率（2d冲洗1次、4d冲洗1次、7d冲洗1次、10d冲洗1次和无冲洗对照组）对内嵌式齿形迷宫流道灌水器抗堵塞性能的影响,利用激光粒度仪对水源泥沙、滴头排出泥沙、滴头内滞留泥沙进行级配对比和粒径分析,并对不同冲洗处理下灌水器的相对流量和灌水均匀度进行拟合。结果表明：冲洗处理对齿形迷宫流道灌水器抗堵塞性能有显著影响,12种冲洗处理提高了内嵌式齿形迷宫流道灌水器的输沙能力,使滴头使用年限平均提高了39.58%;在冲洗作用下,泥沙凝聚沉降的机会降低,流道内小颗粒泥沙及时排出,没有形成体积较大的团聚体,滴头堵塞形成缓慢,灌水均匀度和流量系数下降缓慢;冲洗处理能有效减少毛管内泥沙堆积,降低大颗粒泥沙进入迷宫流道的机率,从而提高了齿形迷宫流道灌水器的抗堵塞性能。     

Influence of fine particle size and concentration on the clogging of labyrinth emitters

The evolution of drip emitter clogging with labyrinth channel was investigated experimentally to study the fine particle size and concentration effects in the irrigation water. Short-term clogging tests were performed using muddy water containing particles with 8 different sizes (all less than 0.1 mm). The particles used in this study were composed of fine sands, slit and clay. Afterwards, verification tests were conducted to prove the results obtained from short-term clogging tests. The impacts of particle size and particle concentration in muddy water on emitter clogging were analyzed by means of calculating the mean discharge and the Christiansen uniformity coefficient. The results showed that for particles that were smaller than 0.1 mm in diameter, sediment concentration significantly affected clogging. The clogging level of emitters increased with raising the concentration. Especially when the sediment concentration was higher than 1.25 g/L, the impacts became remarkable. On the other hand, the sensitive sediment particle range that could get emitters clogged easily was found. In this study, the sensitive particle range were D6 (0.038–0.034 mm) and D7 (0.034–0.031 mm) The results aim to help in improving drip irrigation methods using water with high sediment concentration and providing experimental data for optimization design of emitter channel.     

迷宫型灌水器流道结构与水力性能的模拟研究

为研究迷宫流道结构对灌水器水力性能的影响,利用有限元分析软件Femlab建立了不同流道断面面积和流道单元数模型,通过模拟得出灌水器流量压力关系和灌水器流速分布.分析表明:应用数值模拟的方法可以直观地反映灌水器内部水流运动规律;采用统计回归分析,灌水器的流量系数与断面面积呈正相关关系,与流道长度呈负相关关系;灌水器的流态指数变化不大;当流道长度和压力相同时,流量与流道断面面积呈正相关关系;当流道断面面积和压力相同时,流量随单元数的增加而逐渐减小,呈负相关关系.结果表明,采用有限元方法可以揭示迷宫型灌水器流道结构与水力性能之间的关系,对灌水器流道的结构设计具有一定的指导意义.     

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.     

含沙水磁化处理减缓滴头堵塞机理研究

为探究含沙水磁化处理对悬浮泥沙在滴灌管网中沉降的影响,揭示含沙水磁化处理对滴头堵塞的减缓机理,以内镶贴片式迷宫流道滴头为研究对象,设置4种磁化强度(0、0.2、0.4、0.6 T)和4种粒径级配(0～0.100 mm、0.075～0.100 mm、0.038～0.075 mm、0～0.038 mm)的泥沙,泥沙质量浓度...     

地面坡度对滴灌水分入渗过程的影响

通过土箱模拟滴灌实验,研究了不同地面坡度下滴灌水分运移规律。结果表明,地面各方向湿润半径、滴头下湿润深度和最大湿润深度均与时间呈显著的幂函数关系;随着地面坡度的增大,地面顺坡方向湿润锋推进加快,逆坡方向及滴头处横坡方向湿润锋推进减缓,横坡方向最大湿润宽度也随着坡度的增大而减小;在纵剖面上随着地面坡度的增大,滴头下入渗深度逐渐减小,而最大入渗深度则逐渐增加,最大入渗深度的位置也距滴头越远;地表和纵剖面湿润范围的变化表明,与水平地面相比,整个湿润体随着地面坡度的增大明显向下坡方向偏移,且坡度越大,偏移距离越大,湿润体形状由对称的半椭球形向下坡大而上坡小的梨形变化。     

组合滴灌管抗堵塞性能研究

【目的】研究Φ16滴灌管在含沙量与系统工作压力下滴头堵塞规律并探究组合滴灌管解决滴头堵塞的方法。【方法】采用试验因素完全组合的方法,分选出粒径小于0.10 mm的泥沙,配制成含沙量为1.00、1.25、1.50 g/L的浑水,分别在0.025 MPa和0.075 MPa压力下,针对Φ16滴灌管,采用周期性间歇灌水试验观测滴头流量,结合克里斯琴森均匀系数和滴头相对流量分析Φ16滴灌管的堵塞规律。重新铺设Φ16滴灌管,将原滴头堵塞部位及前后各750 mm滴灌管用Φ20滴灌管替换,组成组合滴灌管,在相同含沙量与系统工作压力下探究组合滴灌管的抗堵塞性能。【结果】0.025 MPa压力下,组合滴灌管能使堵塞部位分布更集中,含沙量为1.25 g/L时,组合滴灌管的抗堵塞性能较明显;0.075 MPa,组合滴灌管抗堵塞性能随泥沙浓度增大而更明显。【结论】组合滴灌管在一定条件下能够改变滴头的堵塞规律,同时能改变滴头堵塞类型。     

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.