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。     

灌溉水磁化处理对水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响

为探究灌溉水磁化处理对引黄灌区水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响,该研究针对内镶片式滴头,设置磁化强度为0.2、0.4和0.6 T,对照组为未磁化处理,并配置质量份数为2 %的硫酸钾肥、尿素和复合肥浑水（泥沙浓度为3.0 g/L）,采用短周期间歇性灌水试验。结果表明：磁化极显著减缓滴头流量与灌水均匀度的下降趋势（P<0.01）,不同肥料适合的最佳磁化强度不同,磁化强度为0.4 T时,对硫酸钾肥与复合肥混合液的灌水均匀度下降的减缓作用最大,磁化强度为0.2 T时,对尿素混合液的灌水均匀度下降的减缓作用最大;灌溉水磁化后,硫酸钾肥和复合肥处理毛管前段堵塞滴头的数量增加,尿素处理的减少;磁化处理显著影响滴头堵塞敏感粒径的沉降和运动,显著增加了硫酸钾肥与复合肥混合液在毛管中淤积泥沙的敏感粒径（<0.03 mm）占比,减少了滴头输出泥沙中敏感粒径占比,尿素则相反。研究结果可为引黄灌区水肥一体化滴灌滴头抗堵塞防治措施提供参考。     

对微灌滴头水流流态若干问题的思考及补偿机理的探索

滴头水力计算对于管道工程设计是十分重要的。该文研究了压管道水流流态划分的依据与水流条件、滴头工作水头与管流沿程损失水头的区别,及滴头流量的水温修正。并对无弹性件滴头流态指数x<0.5的现象,作了机理探讨,提出了"面积补偿"法。结果表明:1)将尼古拉兹水力实验成果为依据的有压管流流态套用于滴头水力计算中(除微管滴头外)是错误的;2)认为对流态指数x=1的滴头,按层流流态对滴头流量做水温修正是正确的;对x≤0.5的滴头,不需做流量的水温修正,原因在于流道内基本上全为局部损失,而不是滴头流态为紊流阻力平方区;对1>x>0.5的滴头,目前可不做水温修正,可在滴头水力试验中使用设计温度的水,获取符合水温要求的水力关系。3)对于滴头流态区分,仅对已基本淘汰的微管滴头有必要,对其余滴头并无实际需要,应于放弃。4)无弹性件滴头x<0.5的现象机理是"面积补偿",即过流面积随水头增大而减小,原因是流道边界的急剧变化和水流惯性与水头(流速)正相关。     

额定流量与毛管位置对纽扣式滴头堵塞的影响及机理分析

为探究引用高含沙水滴灌时额定流量与毛管位置对纽扣式滴头堵塞风险的影响及相应机理，该研究对3种不同额定流量（2、4、8 L/h）的纽扣式滴头按照不同的毛管安装位置（毛管进水口处的支管长度分别为：w、2w、3w，毛管间距w=204 mm；依次为内侧、中间和外侧）进行浑水堵塞试验。试验结果表明：滴头额定流量与毛管位置会影响毛管与支管内的断面平均流速，从而对管中沉积泥沙的起动产生影响，影响滴头堵塞进程。额定流量为4 L/h的滴头，其平均相对流量和灌水均匀度系数下降速率最慢，即抗堵塞性能最优，且其有效灌水次数最多，平均使用寿命比2和8 L/h的滴头分别提高了11.84%和49.11%。滴头额定流量越小，毛管位置对滴头使用寿命影响越明显，其毛管内滞留泥沙质量越大、沉积的大颗粒泥沙占比越多，大颗粒泥沙相对小颗粒泥沙更容易被滞留在毛管中。滴头额定流量越大、在单根毛管上的安装位置越靠近前段，其排出的泥沙粒径越大。毛管中沉积泥沙的起动是导致大流量滴头更快堵塞的主要原因。试验为滴灌系统堵塞机理的研究提供了思路，为实际应用中滴头额定流量的选用与滴头堵塞的预防提供了参考。     

纽扣式压力补偿灌水器结构优化与性能分析

针对传统压力补偿灌水器生产工艺复杂、补偿效果不佳的问题,该研究以纽扣式压力补偿灌水器结构为基础进行压力补偿元件的优化与性能分析。基于COMSOL双向流固耦合数值模拟平台,对灌水器多物理场耦合的瞬态过程进行力学建模与数值模拟,确定了球型限位曲面与空间螺旋副流道配合的最佳构型。以流态指数为目标,针对副流道深度、宽度、副流道螺旋角度、压力补偿元件硬度等关键因素开展了单因素水力性能试验与正交试验,得出流态指数影响因素由大到小的次序为副流道宽度、压力补偿元件硬度、副流道深度;经响应面分析获得最优参数为：副流道宽度0.65 mm、副流道深度0.14 mm、压力补偿元件硬度53 HA。验证试验结果表明,所设计的灌水器流态指数为0.074,压力补偿区间为0.075～0.3 MPa,满足流态指数不超过0.1、起调压力不超过0.1 MPa、压力补偿区间大小不小于0.15 MPa的设计要求,压力补偿区间内平均流量为2.31 L/h。研究结果可为灌水器产品的研发提供参考。     

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。     

气力集排式水稻分种器设计与试验

针对水稻直播高速作业和大播量的要求,设计了一种适用于气力集排式水稻直播机的分种器。从直播机的适应性、作业速度、播量调节等方面研究了气力集排式分种器的分种机理,分析了分种器的适应性、均匀性和稳定性;根据水稻种子的物理特性,采用Solidworks Flow软件进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真,对比不同结构分种器速度流场分布图,得到了较优等种数流场,获得了分种器设计参数;分种器划分为等种数流场结构、输送结构、下种结构,等种数流场结构又分为聚种、分种、派种3部分,通过理论分析与流体仿真计算,对比速度大小和离散度,模拟等种数速度场流线图,优化分种盖结构,选择合适的气源,设计了气种混合均匀的分种器,提高了直播机分种的均匀性和稳定性。试制了分种器并进行了台架试验,试验结果与CFD仿真分析基本一致,设计的10行分种器各行之间和行内播量变异系数分别为3.58%和4.55%,设计的20行分种器各行之间和行内播量变异系数分别为3.91%和5.04%,能满足不同直播机的要求。试验结果表明,直管输送管增加波纹结构有助于水稻种子向管道中央集聚;排种管的长短影响分种效果,特别是行内的稳定性,排种管的长度应尽可能一致;分种器内部结构影响气体速度场的分布,分种器内外盖形成的等距圆弧结构和输送管内波纹结构有利于分种器中气种等种数混合流场的形成,使播种均匀性更好。     

移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

为减少大型喷灌机的喷灌水分蒸发漂移损失,将低压喷头改装成按适当间距布置的大流量压力补偿滴灌管,使大型喷灌机自走时拖拽滴灌管,实现边移动边滴灌。该移动滴灌系统融合了大型喷灌机与滴灌的技术优势,具有较高的节水潜力,研究其土壤水分入渗规律对于设计节水高效的灌溉系统具有重要意义。为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况,该研究搭建了移动滴灌试验装置,设置30、40与50 mm 3种灌水深度进行移动滴灌土箱试验,同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。模拟与实测结果对比表明,所构建模型能较准确地反映移动滴灌的土壤水分运动规律,土壤剖面中的水分运动均遵循面源入渗模式,灌水后48 h土壤剖面含水率模拟值的标准均方根误差低于20%,各测点处含水率变化过程模拟的标准均方根误差值总体低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土与粉壤土3种不同的土壤质地,20、30与40 mm 3种不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm3/cm3 5种不同的土壤初始含水率对移动滴灌条件下土壤水分入渗规律的影响。结果表明土壤质地对湿润峰运移距离与湿润体形状的影响较大,土壤砂性越强,湿润体横截面积越大,可以适应更大的滴灌管安装间距;对于供试砂壤土而言,增大灌水深度与土壤初始含水率,均可以提高湿润峰运移距离和灌水均匀性,但会加大深层渗漏风险。该研究结果对于大型喷灌机的移动滴灌系统设计运行具有重要参考价值。     

果蔬真空-蒸汽脉动漂烫机的设计与试验

针对现有漂烫机漂烫时蒸汽和物料之间存在空气间层热阻,蒸汽不能迅速向物料传递热量而导致的漂烫不均匀、装载量小等问题,设计了一种真空-蒸汽脉动漂烫机。该漂烫机由抽真空系统、蒸汽系统、漂烫罐体以及自动控制系统构成,抽真空系统可以及时去除漂烫罐体内冷空气和漂烫之后的蒸汽。采用计算流体力学软件Fluent对漂烫罐体内气流流场进行模拟,结果显示增加扰流板和扰流孔后内部流场均匀,计算值和模拟值最大相对误差为5.2%。以漂烫百合为例进行了漂烫机的性能验证试验,结果表明:真空-蒸汽脉动漂烫均匀性良好,百合片在60℃热风干燥时间一致为11h,干后色泽无显著性差异。干燥时间随漂烫时间和循环次数的增加而先减小后增大,随真空度的增加而增大。当真空度为10kPa,真空时间为5s,漂烫时间为30s时,循环3次百合漂烫后的干燥时间最短,色泽变化较小。该研究解决了现有蒸汽漂烫机存在的漂烫不均匀、装载量小等问题,为其后续推广应用提供了参考。     

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。     

滴头流道结构对悬浮颗粒分布影响的数值分析

迷宫滴头内部结构复杂尺寸微小,研究流道结构对悬浮颗粒浓度分布的影响对于流道优化有重要意义。该文采用正交试验方法设计齿形流道,根据两相流理论,利用计算流体动力学软件对设计滴头进行了液固两相流数值分析。模拟得到入流浓度及颗粒大小不同时滴头内的速度及颗粒浓度分布,分析了结构参数、颗粒大小及入流浓度对悬浮颗粒浓度分布的影响。研究结果表明：流道结构参数对颗粒分布均有影响,程度从大到小顺序为：齿角度－齿间距－流道深度－齿高;入流颗粒大小为流道最小尺寸的1/10～1/6时滴头不易堵塞;齿高与齿间距的比值小于0.5时有利于提高滴头的抗堵塞性。研究为滴头结构优化提供参考。     

射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响

该文应用CFD两相流模拟与水力试验相结合的方法,研究射流三通产生的脉冲水流对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影响。进行射流三通水力性能试验,获取其脉冲参数(振幅、周期),用以生成波动压力,为数值模拟提供参考;对比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模拟值与实测值,验证模拟方法的可行性;数值模拟研究不同时刻脉冲条件下含沙量在流道的分布情况和不同密度、不同粒径颗粒的运动路径及速度变化。结果表明,射流三通产生的波形与同参数正弦波波形类似,可由正弦波代替射流三通波进行模拟。射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内;脉冲条件下灌水器流道的主流区和漩涡区都具有脉冲性能。脉冲条件下流道最大含沙量低于恒压条件下的22%。同一密度不同粒径条件下,恒压条件高于脉冲水流下颗粒路径的1.21%~26.9%,同一粒径不同密度条件下,恒压高于脉冲水流条件颗粒路径的3.25%~9.6%。综上,射流三通产生的脉冲波能够提高水流的挟沙能力和抗堵塞性能。     

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。     

迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟

建立了迷宫滴头的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模型,并对滴头的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。利用原型滴头和滴头放大模型实测值对模型和模拟计算结果进行了实验验证。结果表明,滴头流量压力关系模拟计算值与实测值之间的平均偏差小于5%;滴头放大模型内部压力分布的模拟值与实验值间的平均偏差小于3%。结果还表明,迷宫式滴头流道内压力沿流道长度呈线性变化,在滴头齿尖附近的主流区流速达1.6～2.8 m/s,而滴头齿根附近的旋流区的流速为0.1～0.4 m/s,在其它尺寸保持不变时,滴头齿距对滴头流态指数的影响不大。CFD数值模拟可以为滴头水力性能的进一步研究提供有效的研究手段。     

离心泵叶轮全流道非定常数值计算及粒子图像测速试验

为揭示离心泵叶轮旋转流道内的流动特性,设计了便于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)的测试系统,并对离心泵进行了水力性能测试及叶轮全流道流场PIV测试,获得了不同工况下叶轮内的绝对速度和相对速度分布。基于标准k-ε湍流模型和滑移网格技术进行了非定常数值计算,并将数值计算结果与PIV实测结果进行了比较。结果表明,数值计算能够较为准确地预测离心泵的外特性,扬程误差最大仅为4.62%;PIV测量揭示了叶轮隔舌附近2个流道及其他流道的不同流动状态;数值计算得到的内部流动与PIV测试结果基本一致,在数值上仍存在一定的差异。研究结果为离心泵内部流动特性研究提供了借鉴。     

基于拉瓦尔效应的超音速喷嘴雾化性能分析与试验

为提高喷嘴的雾化性能,得到理想的雾滴粒径和均匀的雾云分布,该文首先对超音速雾化喷嘴的雾化原理进行了分析,应用拉瓦尔喷管超音速原理,对雾化喷嘴内部阀芯的锥形结构作了改进,结合Fluent流体动力学软件,分析了拉瓦尔式阀芯结构内部流场速度分布规律,然后通过喷雾试验对比分析了改进前后喷嘴的雾化效果,并探究了不同运行参数对拉瓦尔式结构喷嘴雾化性能的影响规律。数值仿真结果表明,拉瓦尔式阀芯能够产生超音速气流,对增大气液两相速度差具有显著效果;试验结果表明,改进后的拉瓦尔式喷嘴在雾化性能和效果上优于原锥形式喷嘴,气压和气液压力比的增大以及水压的减小均有利于雾滴粒径的减小,其中气液压力比在0～3区间内,雾滴粒径下降幅度高达90.56%,当气液压力比为6时,雾滴粒径达到最小值18.52μm。该文研究内容可为超音速雾化喷嘴进一步研究以及新型喷雾设备的研发提供参考。     

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。     

多级离心泵圆周弯扭式导叶设计及性能试验

为开发一种紧凑式多级泵,研究配套的一种圆周弯扭式导叶,其设计思路源自扭曲离心叶轮设计方法。通过固定导叶顶端曲线,将导叶底端曲线沿圆周方向向前延伸,形成弯扭式曲面。该导叶结构具有2个优点。首先,导叶底端沿圆周向前延伸后保证了较大的喉部进水区域面积。其次,利用底端向前延伸的部分与下一个叶片的圆柱部分自然形成扩压器状的过流通道,增强了导叶的扩压能力。在二次开发技术的基础上开发出该结构的水力设计系统。利用该系统设计出多组方案,同时利用CFD计算分析,经过不同方案的比较,最终获得了优化的导叶模型,并通过样机试验验证该模型具有较好的水力性能。该设计方法将有利于多级泵的节能,同时该方法也为紧凑式多级泵开发提供了有益的参考。