灌水器微细流道水沙两相流分析和微PIV及抗堵实验研究

为可视化研究灌水器微细迷宫流道内含有未过滤掉的沙粒的实际流动状况,进而探索迷宫流道的堵塞机理,针对灌水器复杂且微细的迷宫流道结构(1 mm左右),该文选取常用的矩形和锯齿形迷宫流道滴片结构,根据液固两相流理论,对其微细流道进行了水沙两相流计算流体力学数值模拟了CFD分析,得到了迷宫流道内流体的速度和流线分布及沙粒的运动轨迹和浓度的瞬时分布,分析认为流道内的低速区及涡旋区是造成堵塞的主要原因.并根据灌水器迷宫流道水沙两相流实验的需要,构建了微细流道中流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Panicle Image Velocimetry PIV)实验台,尝试应用微PIV测速技术对流道内两相流流场进行了测定,而且配合短周期堵塞实验验证了CFD计算的正确性.通过短周期堵塞实验分析得到了流道单元的最佳结构参数.     

边缝式迷宫滴灌带灌水器流道内泥沙沉积影响因素分析

为研究灌水器流道内泥沙颗粒淤积特性的影响因素，进一步降低物理堵塞发生的风险，该研究配置不同浓度（1.8、2.8、3.8 g/L）和不同粒径（0 $\leqslant $ d < 0.054 mm、0.054 mm $\leqslant $ d < 0.075 mm、0.075 mm $\leqslant $ d < 0.1 mm）的含沙水，进行全组合间歇滴灌堵塞试验，对含沙水灌溉下灌水器泥沙沉积特性进行分析并对灌水器内流态进行数值模拟研究。结果表明：灌溉结束后，经由边缝式迷宫灌水器输出的泥沙中，黏粒与砂粒比例下降，粉粒比例上升，即灌水器弯曲流道对小于0.002 mm和大于0.05 mm粒径的泥沙具有明显阻滞作用，流道内堵塞的泥沙集中在0.054～0.1 mm的中大粒径范围内。灌水器流道内部流线在主流区呈波浪状前进，主流区水流流速大于近壁区，中部转角处流速均偏大。沙粒易受上转角和下转角处产生的漩涡影响而沉降集中在漩涡中心及背水面。滞留在漩涡区内的泥沙颗粒是引起灌水器堵塞的主要因素。为减少灌水器堵塞风险，在设计优化时宜考虑减少直角、锐角区域以减少漩涡区的形成。     

不同结构滴灌双向流道灌水器抗堵性能对比试验

该文开展滴灌双向流道抗堵性能研究,以提高灌水器对含沙率较高的地表水源的适应性。试验浑水含沙率为30 g/L,经20次浑水试验,设置3种结构参数不同的双向流道灌水器(1#,2#,3#),并对比迷宫式流道灌水器的水力性能和抗堵性能。结果表明:1#、2#、3#双向流道浑水流量分别为清水流量的77.44%,83.35%,85.43%,而迷宫式流道在12次试验后完全堵塞。双向流道灌水器与迷宫式流道灌水器的水力性能及抗堵性能差异显著,且双向流道的水力性能及抗堵性能均优于迷宫式流道;双向流道水力性能越好,抗堵性能越差;流道形式及结构参数是影响灌水器水力性能及抗堵性能的重要因素。试验结束后,观测流道泥沙沉积情况,发现泥沙沉积程度由前段(进口)到后段(出口)逐渐减少;采用电子显微镜分别获取流道前段、中段和后段沉积泥沙样品扫描图像,利用Image Pro Plus 6.0软件分析沉积泥沙样品的粒径组成,发现沿流道方向,粒径(29)0.03 mm的泥沙颗粒质量分数逐渐减小,粒径(27)0.005 mm的泥沙颗粒质量分数呈先减小后增加的趋势;流道沉积泥沙中粒径(27)0.03 mm的颗粒质量分数占92.23%~97.89%,此粒径范围的泥沙颗粒更易在双向流道内沉积,引起堵塞。     

基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果表明,迷宫式流道灌水器流态指数浑水条件下相比清水增大74.85%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%,41.26%,46.25%,流道中泥沙的沉积使其水力性能变差;双向流道灌水器浑水流态指数均小于迷宫式流道灌水器;随着浑水试验次数的增加,4种灌水器浑水流态指数总体趋势是逐渐增大,成因是流道中泥沙沉积的累积效应,反映了浑水条件下水力性能的动态变化过程;相同压力变化,浑水条件下迷宫式流道灌水器流量变化率比清水时增大40.43%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大17.23%,19.43%,22.33%,迷宫式流道灌水器增大程度大于双向流道灌水器,导致其水力性能相对双向流道灌水器下降较大;4种灌水器水力性能与抗堵性能差异均显著,且双向流道灌水器的水力性能与抗堵性能均优于迷宫式流道灌水器,说明灌水器流道结构形式及结构参数是影响灌水器整体性能的重要因素。     

聚乙烯管壁厚对圆柱灌水器水力性能影响的研究

为提高圆柱灌水器流量设计精度及滴灌系统的均匀度,以7种圆柱灌水器和4种壁厚组成的25种滴灌管作为研究对象,利用精密微小物体三维扫描仪MCS-60型测量灌水器流道结构参数,并采用自动化程度较高的灌水器水力性能测试平台测试此25种滴灌管,得出其流量压力曲线关系、流量系数和流态指数。测试结果表明,使用不同聚乙烯（PE）管厚度对同一灌水器的流量确实产生影响,其最大影响率能达到20%;不同的PE管壁厚对流量系数影响较大,但对流态指数影响较小;灌水器流道宽度也是造成不同PE管壁厚对灌水器出流的因素,流道越宽,对灌水器出流影响越大。     

细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器堵塞的影响

为探明细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器抗堵塞性能的影响,该文以内镶片式斜齿形迷宫流道灌水器为研究对象,应用类短周期堵塞测验方法对8种粒径小于0.1 mm的泥沙颗粒进行浑水测试。在此基础上,分析了泥沙粒径和含沙量对灌水器堵塞的影响,探讨引起灌水器发生堵塞时的敏感粒径范围与含沙量水平。试验结果表明:对于粒径小于0.1 mm的细小颗粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,当浑水含沙量水平大于1.25 g/L时,影响尤其显著,呈正相关关系;粒径对堵塞的影响并不是单调的递增或递减,堵塞发生的敏感粒径范围在0.03～0.04 mm之间。试验结果有助于进一步提高含沙水源滴灌的应用水平。     

基于粒子图像测速仪的微小流道内固体颗粒运动规律的实验研究

为了解迷宫流道内固体颗粒的运动规律,提高灌水器的抗堵塞能力,采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同直径和不同密度的固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了实验观测。结果表明,根据颗粒的运动轨迹线可知齿形流道内水流在各齿尖做类似于正弦波的运动,靠近齿尖处形成主流区,靠近齿底处形成漩涡区;直径小(65mm)或密度低(1 740kg/m3)的颗粒跟随性比较好,颗粒直径或密度越大,运动越紊乱,出现的最小极值速度越低,越容易进入漩涡区并最终可能导致堵塞;与固体颗粒直径相比,颗粒密度对运动轨迹、路程和速度的影响较小。     

滴灌灌水器内颗粒物运动特性的数字粒子图像测速

明确灌水器内部水流和颗粒物运动特性是解决灌水器堵塞问题的关键。但由于灌水器结构复杂、流道狭小、外观不透明性,测试其内部临界尺度流体流动情况难度很大。目前还鲜见有灌水器内部水沙两相流动全场测试的研究报道。因此,该文提出了一种灌水器简化模型和一种流道透明模型加工方法,并应用改进的数字粒子图像测速(DPIV,digital particle image velocimetry)测试系统可视化了灌水器内部流动特征和颗粒的运动特性,结果表明:灌水器内部流动为紊流状态,灌水器工作压力升高并未改变灌水器内部流动形态、涡的分布位置、流线密集程度以及颗粒物跟随性;相同工作压力条件下,颗粒物最大速度随着颗粒粒径的增大而减小,但不同粒径颗粒物流线及涡量分布趋势较为一致;在中心区和近壁区颗粒物跟随性均随粒径的增加而减小。研究可为灌水器内部固-液两相流动分析及抗堵塞设计提供理论依据。     

微咸水加肥灌溉下陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器的抗堵塞性能

为探求微孔陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下抗堵塞性能的差异及堵塞机理,该研究选择了微咸水(A1)、肥水(A2)、微咸水加肥(A3)3种不同水质,分析管间式微孔陶瓷灌水器和6种常用的迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下的平均相对流量变化规律,并用X射线衍射仪测定堵塞物质组成成分,用场发射扫描电镜观测堵塞物质表面微观形貌及动态生长过程。结果表明：各灌水器的流量随着灌溉运行时间的推移均发生不同程度的下降,其中A1处理下陶瓷灌水器的流量下降最慢,表现出优于迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,A2、A3处理下陶瓷灌水器的平均相对流量下降速度先慢后快,试验结束时平均相对流量降幅最大,抗堵塞性能较差;A1处理下堵塞物质的主要成分是CaCO3,A2、A3处理下堵塞物质的主要成分是(NH4)2SO4;A1处理下各灌水器堵塞物表面微观形貌的生长过程为晶体颗粒不断团聚,A2、A3处理下堵塞物的动态生长过程为絮状物不断黏合成板块状或膜状。陶瓷灌水器堵塞发生在内壁上,堵塞物未进入到灌水器内部微孔中,随着堵塞物质增多且变得紧密复杂逐渐覆盖了内壁上的孔隙导致堵塞;迷宫流道灌水器是由于堵塞物质在流道内沉积导致过水断面减小,从而造成堵塞。研究结果可为陶瓷灌水器的应用及改进提供参考     

基于含沙量等值线的迷宫流道结构抗堵塞设计与模拟

以提高迷宫流道灌水器的抗堵塞能力为目的,以齿型流道结构的灌水器为主要研究对象,首先应用计算流体力学（computational fluid dynamics）二相流模拟方法分析了迷宫流道灌水器的水力性能,重点模拟了含沙量在流道内的分布规律,提出了以较小的含沙量等值线为流道边界对流道进行优化设计的方法,通过对2次优化后的流道结构进行二相流数值模拟,发现优化后流道的含沙量分布较原型流道的含沙量分布更加均匀,大量固体颗粒集中在进出口附近流道单元壁面的现象基本消除,流道优化设计后灌水器的抗堵塞性能得到显著改善。其次,对优化结果进行了标准化设计,制作了原型与标准化模型片式滴头,生产了测试滴灌带。最后,分别对2种滴头进行了水力性能测试与抗堵塞试验,验证了数值模拟结果。结果表明：以较小的含沙量等值线作为流道基本边界进行流道抗堵塞优化设计与标准化设计获得的流道,保持了原型流道的优良水力性能,改善了抗堵塞性能,使用寿命是原型的2倍。     

背负式喷雾器雾滴分布特性的CFD模拟与试验

为了解决不同喷雾条件对背负式喷雾器雾滴分布的影响问题,采用CFD离散相粒子跟踪模拟方法,研究了距喷嘴垂直高度分别为0.4、0.55和0.7m,喷雾压力分别为0.15、0.2、0.3和0.35MPa,风速分别为0、1、2、3m/s情况下,雾滴沉积分布和粒径分布特性,并进行试验验证。结果表明:沉积率受风速影响显著,随风速增大而降低,但沉积率受喷雾压力影响不显著。模拟与试验结果回归决定系数R2和标准误差SE分别为0.9424、0.039,表明CFD离散相粒子跟踪模拟法可用于评估雾滴沉积分布。雾滴粒径分布模拟结果与试验结果相关性差,CFD模拟法不宜用于评估雾滴粒径分布情况。该研究为后续各类喷雾器数据测量提供参考。     

涡旋式流化床生物滤器水力特性试验

为把流化床生物滤器应用于循环水养殖系统,探讨其较佳的设计与运行参数,研制了一种涡旋式流化床生物滤器,并对其水力特性进行了试验研究。试验装置使用石英砂作为填料,设计了0.18～0.25、>0.25～0.425和>0.425～0.6mm3组不同粒径范围的石英砂和40、50、60、70、80和90cm6组不同初始砂床高度的双因素试验,探讨了石英砂粒径和初始床层高度对砂床流化性能的影响。结果表明:3组不同粒径范围石英砂的临界流化速度分别为(0.061±0.0088)、(0.25±0.011)、(0.48±0.014)cm/s。砂床要保持良好的流化状态,初始砂床高度与床层直径的比值(高径比)需分别大于1.43,1.78和2.14,且高径比与石英砂粒径大小成正比;在相同的膨胀率下,当初始砂床高度增加时,表面流速基本保持不变。床层压降测量显示,3组不同粒径范围石英砂单位床高的压降值分别为(7530.66±215.98)、(6925.66±364.58)和(6790.08±277.95)Pa/m,使用0.18～0.25mm石英砂测得的压降试验值与理论值较为接近,误差在2%～3%。基于Ergun方程,采用回归拟合方法得出涡旋式流化砂床临界流化速度的数学模型,可为流化床的设计和应用提供技术依据。     

彰武农田土壤风蚀物垂直分布规律的研究

利用自制沙尘采集器,通过对3种自然风速天气下所收集风蚀物的分析,研究了农田土壤风蚀物近地表1.5 m的垂直分布规律。结果表明:土壤输沙量随着高度的增加呈下降的趋势,且输沙量随高度变化的规律可以用幂函数近似描绘;风沙流中沙粒的粒径在垂直分布中,随高度的增加,气流中粒径大的颗粒含量逐渐减少,粒径小的颗粒含量逐渐增加,相关分析表明粒径>0.1 mm的颗粒含量与高度在0.05水平呈显著负相关,粒径≤0.1 mm的颗粒含量与高度在0.05水平呈显著正相关;风速在4.8~12.2 m/s范围内,与农田土壤输沙量之间呈指数函数的变化规律;不同耕作方式对输沙量有较大影响,其中,输沙量最大的是花生茬深翻,其次是秋翻地、春浅旋灭茬、秋浅旋灭茬,最小的是旋耕覆盖。     

滴头流道内部含沙水流流动特征的试验研究

滴头流道中水流的运动状况是影响滴头水力性能的主要因素,而水源中悬浮颗粒(沙粒)的存在对于水流有着不可忽略的反作用.该文研究了浑水(含沙水流)在迷宫滴头流道内流动过程,分别选用清水和含沙浓度为40、80、160 mg/L,的浑水,通过滴头在不同压力下流量变化,分析了流道内部含沙水流流动特征及沙粒对滴头水力性能的影响.试验结果表明:同一工作压力下,沙粒的制紊效应使得滴头流量随悬浮颗粒浓度的加大先上升后下降;滴头的流态指数随悬浮颗粒浓度的提高略呈下降趋势;在该试验条件下,流道内层流向湍流过渡早于常规流动,工作压力在45 kPa时流道内水流已处于湍流状态.     

Similarities and dissimilarities between the dynamics of sand and dust during wind erosion of loamy sandy soil

Aeolian dynamics were measured during a wind erosion event on an agricultural field in Northern Germany. Because the topsoil was loamy sand, particle flow behaved as a sand–dust mixture and not as pure sand (>63 μm) or pure dust (<63 μm). Although generally similar, the erosion, transportation and deposition patterns were not identical for the two particle fractions. The difference was most pronounced for accumulation (defined as deposition minus erosion). For dust, accumulation was negative all over the field because grains were removed in dust clouds. For sand, spots of negative accumulation (erosion) alternated with spots of positive accumulation (accretion) and the net result for the field as a whole was close to zero. The study shows that accumulation maps cannot be used to reconstruct the areas of high aeolian activity. It also demonstrates that during wind erosion, the wind behaves as a selective medium. In topsoil with a median grain diameter between 40 and 160 μm, fine particles are more easily eroded than coarse. In topsoil with a median grain diameter <40 μm, the coarsest particles are more easily eroded. Topsoil with a median grain diameter around 90 μm is very susceptible to granulometric selectivity. The results show that soil lost through wind erosion in NW Germany can amount to several tons per hectare per erosion event, which suggests that wind erosion of soil is more important than water erosion in this region.     

微灌砂石过滤器滤层泥沙的沉积与迁移特征

为探明泥沙颗粒在砂石过滤器滤层中沉积与迁移的规律,选用3种粒径（>0.90～1.25、>1.25～1.60、>1.60～2.00 mm）的石英砂作为滤料,通过滤柱模型开展0.4‰的浑水过滤试验,分析滤层沉积与迁移的泥沙质量、泥沙粒度分布以及过滤时的水力性能。结果表明：过滤过程3种滤柱泥沙截留率分别为 97.08%、94.53%、90.50%,滤后水均满足微灌水质要求,但构成砂滤柱的滤料粒径越大,泥沙在滤层中分布越均匀。各砂滤层截留泥沙的粒径分布宽度自上向下分别为1.86、3.37、4.12、4.21,随滤层深度增加,截留泥沙颗粒粒径减小;在>0.90～2.00 mm 范围内,随滤料粒径增大,更多的细颗粒泥沙可以随水流排出过滤器,但中砂与粗砂全部截留在滤层中。综上,3种砂滤柱过滤效率的差异主要体现在小粒径泥沙截留量上,而在满足微灌水质标准的情况下,该部分小颗粒泥沙并不会使灌水器流道产生物理堵塞。同时,根据流速与压强分析得,大粒径的砂滤柱不仅流速稳定,压强升高较慢,而且纳污能力强。因此,在滤后水满足微灌水质的情况下,应当优先采用大粒径滤料,这样不仅可以提升过滤效率,而且节能省材。研究结果对砂石过滤器滤料粒径及滤层高度的优化具有重要意义。     

滴灌管主流道沿程压力分布模型及验证

为揭示滴灌管的沿程流动特性,简化滴灌水力计算,分析了能量方程应用于滴灌管水力计算的局限性,并以质量守恒和动量守恒定理为依据,建立了以滴灌管为典型的变质量流动数学模型,并结合测压试验数据,获得了滴灌管主流道沿程压力分布表达式。变质量流动的动量方程表明:多孔管路主流道压力变化取决于摩阻项和动量交换项两部分,沿程压力分布的具体形式取决于二者作用的相对强弱,滴灌管压力分布归结为求解滴灌管轴向流速分布、摩阻系数和动量交换系数,动量方程建立的合理之处在于不必追究其详细机制,将复杂的流动机理进行了合理概化。测压-测流试验表明:滴灌管轴向流速分布指数与滴头自身特性参数无关,而与滴头安装个数呈线性关系。基于理论分析和试验数据回归得到了动量交换系数的表达式,并结合Blasius摩阻公式进行方程求解,压力计算值与实测值吻合良好,最大相对误差为4.27%。该文可为滴灌管水力计算及多孔管水动力学研究提供一定参考。     

输送多组分介质的离心泵内部固液两相流特性

为了研究固液两相流离心泵输送含有多组分介质的规律,该文以一台离心式固液两相流泵作为研究对象,使用Fluent中的Eulerian多相流模型描述固液两相流动特征。首先选取了3组直径不等的单分散颗粒群作为固相,发现粒径越大,工作面的颗粒浓度越高,固相离析作用越明显。随后选取了5组直径递增的颗粒群作为固相,每组颗粒群包含两组相同的单分散颗粒群,结果表明同一台泵内两组相同的颗粒群的运动特征相同,同时两组相同的颗粒群的浓度之和、速度之和及外特性与单独输送单分散颗粒群的变化规律相似。最后选取了5组粒径不相等的两组颗粒群组合而成作为固相,大颗粒群粒径不变,小颗粒群粒径递增,结果发现不等直径双颗粒群组合与单颗粒群或者等直径双颗粒群有所区别,大小颗粒在内部流动上表现出了独立性和相互影响的现象,小颗粒群的运动特征与单分散颗粒群类似,由于小颗粒的存在使粒径均为0.7 mm的大颗粒体积分数分布发生了变化,小颗粒使大颗粒在泵内分布更加均匀,随着小颗粒群粒径增加,泵的扬程、效率和总压差先急剧上升随后缓慢下降,粒径为0.7和0.15 mm组合时扬程为80.12 m,达到最高值。该研究可为进一步研究多组分介质对泵性能的影响提供参考。