滴灌灌水器迷宫流道数值模拟与结构优化设计

FEMLAB软件是COMSOL公司生产的一个专业有限元数值分析软件包,是基于偏微分方程的科学和工程问题进行建模和仿真计算的交互开发环境系统。利用FEMLEB软件对迷宫滴头进行三维的流道参数建模,在迷宫流道流态分析、压力流量关系、结构分析、流速分布、抗堵塞性能模拟上,进行参数逻辑化的选择和确定,建立参数化灌水器结构与性能参数关系模型,从而达到产品设计的目的。     

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。     

基于正交试验的三角环流流道灌水器数值模拟

针对目前灌水器结构形式单一的现状,构造出一种新型的三角环流灌水器.利用Pro/E软件完成灌水器造型,运用Fluent 6.3对灌水器内部流场进行了数值模拟.以三角环流灌水器流道的关键结构参数为因素,以灌水器的流态指数和流量为试验指标,对灌水器进行了正交试验设计,并应用极差与方差分析法分析了流道关键结构参数对流态指数和流量的影响度.结果表明,三角环流灌水器的流态指数的值在0.5左右,水力性能良好;流道宽度对流态指数的影响最显著,而流道深度、进口尺寸和单元高度对流态指数没有显著影响;流道深度、宽度、进口尺寸和单元高度对灌水器流量均有显著影响,且影响程度递减.通过多元线性回归分析,建立了灌水器流量和流态指数与流道结构参数之间的回归模型,可为三角环流灌水器结构设计与量化分析提供理论依据.     

齿型迷宫流道灌水器水力性能数值模拟研究

【目的】定量探究流道结构参数与灌水器水力性能之间的互馈关系。【方法】研究齿角度(a)、齿底距(b)、齿高度(c)和流道深度(d)4个关键因素,选用L18(37)正交试验设计方案,通过室内测试与数值模拟,定量分析了流道结构参数对其水力性能的影响。【结果】采用四面体含边界层网格或混合多面体网格的模拟精度最高,采用标准k-ε计算模型,流量偏差率可控制在6.00%的误差范围内,可推荐作为齿型流道结构灌水器数值模拟时的参考设置模式;按显著性水平α=0.1检验,流道深度和齿高度对流态指数存在显著影响;此外,研究构建了流态指数与齿型灌水器关键结构参数之间的定量多元线性回归方程为;X=4.67×10-4a-0.005 4b-0.016 1c+0.041 7d+0.442 2,流量系数的回归方程为:K=0.211 1a+2.822 4b+1.796 5c+8.247 8d-11.584 9。【结论】齿型流道结构滴头的网格划分宜采用四面体含边界层网格或混合多面体网格型式,且流态指数和流量系数与齿型灌水器关键结构参数之间的关系可以通过多元线性回归方程表示。     

齿型流道灌水器数值模拟计算域的优化分析

CFD数值模拟技术已在灌水器研发中被广泛应用。齿型流道是齿型流道灌水器设计的核心部位,而栅栏区和下游的蓄水槽常在数值建模时被忽略,数值模型的预测精度必然受到影响,因此对其影响程度进行了研究。针对同一齿型流道灌水器,建立了具有不同计算域的三种模型,在Fluent 14.5中进行数值模拟。通过分析最接近原型的灌水器模型的压强和速度云图,可找出不同区域的压强损失规律。通过对比三种模型的流量差异,可分析得出蓄水槽和栅栏区影响程度的差异。根据研究结果,优化计算几何域,重新建立模型。计算结果表明,优化后的几何模型不仅大幅度降低了运算量,还能保证模型具有很高预测精度。     

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。     

涡漩对迷宫流道灌水器水流流态的数值影响分析

为分析涡漩对迷宫流道灌水器内部水流流态的影响.借助Fluent软件对矩形、齿形、三角形、梯形4种形式灌水器流道内部水流流场进行模拟,并最大限度地保留流道内主流区的流线边界,确定出4种圆弧形抗堵性能良好的无涡流道结构模型.对上述无涡流道及相应的有涡流道模型进行速度场以及压力场的研究分析.结果表明,无涡迷宫流道内水流流态介...     

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.     

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.     

汇流角对双向流道灌水器水力性能影响模拟研究

为探明双向流道汇流角对灌水器水力性能的影响,采用数值模拟分析方法,研究6组汇流角度下双向流道灌水器水力性能及抗堵性能变化规律。结果表明：随着双向流道汇流角的增大,灌水器流量系数及流态指数均逐渐增大,当汇流角为45°、60°、90°、105°时,灌水器流态指数约为0.5,当汇流角为135°、165°时,灌水器流态指数大于0.7;灌水器双向流道存在主流区与旋涡区,随着汇流角的增大,流道内低速旋涡区范围明显减小,水流对冲消能作用减弱;流道内固体颗粒运动轨迹随流道结构变化明显。在汇流角小于90°时,颗粒更易进入旋涡区做涡团运动,且主要出现在靠近流道进水口的流道单元,灌水器发生流道堵塞的概率很大。水流汇流角度大于90°时,水流携沙能力增强,颗粒在流道内停留时间减小,流道抗堵能力增强。双向流道灌水器在汇流角为105°时,具有相对优异的水力性能和抗堵性能,灌水器流道设计时可优先考虑。     

弧型迷宫流道灌水器颗粒运移状态分析

弧形迷宫灌水器的消能方式主要为沿程水头损失,弧齿形迷宫灌水器主要为局部水头损失;弧形迷宫流道抗堵塞性能优于弧齿形,但其水力性能较差;颗粒在流道中发生旋转的临界速度约为0.5 m/s,当小于此速度时,颗粒易在漩涡处发生旋转,当大于此速度时,颗粒容易逸出漩涡进入主流道。因此,在设计弧齿形迷宫流道时,借助AutoCAD建模和计算流体动力学CFD数值模拟以及低成本PIV试件观测,减少流道内颗粒速度在0.5 m/s以下速度场的分布,以提高灌水器的抗堵塞性能。     

滴灌灌水器流道堵塞及防治研究进展

滴灌的堵塞问题一直是困扰滴灌技术应用与发展的限制性因素,为了探索解决或者预防该问题的技术途径,从堵塞的成因、机理以及预防措施等方面进行了论述,提出了预防灌水器堵塞的基本措施,包括改进灌水器流道结构、强化水质处理以及严格过程管理。在此基础上,对今后的重点研究方向提出了若干建议。     

两段变曲率叶型离心泵流场数值模拟

采用CFD技术对两段变曲率叶型离心泵内部流动进行定常和非定常三维数值模拟,并和设计参数相同的普通叶型离心泵进行对比,得到内部流场特征及监测点的压力脉动情况。结果表明,两段变曲率叶型离心泵可以很好地防止叶轮内尾流的产生和发展。叶轮与隔舌间的动静干涉是产生泵压力脉动的主要脉动源,且流量越大,隔舌处压力脉动越大。同一流量下,两段变曲率叶型离心泵的压力脉动幅值比普通离心泵小,在一定程度上减小了泵的水力损失。     

三角绕流滴灌灌水器的数值模拟研究

应用FLUENT软件对三角绕流灌水器流道内部流动及水力性能进行数值分析,研究此类灌水器的湍流特性,揭示其内部湍流流动机理,为此类滴灌灌水器设计提供理论依据、方法与手段。数值计算结果显示,5 m工作水头下灌水器的流量为2.444 L/h,流道的流态指数为0.514。研究表明:三角绕流流道过流断面大,水流紊动强烈,具有较强的消能效果和抗堵性,适合构建性能良好的新型滴灌灌水器。     

断齿式挤压脱水流道内流场数值模拟

为了探讨在间断距离影响下断齿式螺旋流道的脱水性能,采用双流体模型对断齿螺旋在20、35、50 mm 3种间断距离下的流场进行数值模拟,对比分析了3种结构参数模型下断齿式螺旋脱水装置工作性能、流道内颗粒浓度分布、颗粒速度分布及多孔介质区域内外压差分布情况。研究表明,数值模拟结果能够较为准确地推测断齿式螺旋挤压脱水装置的内部流动特性。50 mm间断距离下断齿式螺旋挤压脱水装置工作效率最大下降了7.9%,20 mm间断距离下出渣口颗粒体积分数下降3.2%;流道内颗粒体积分数变化分3个阶段,整体呈波浪型递增式趋势,间断长度对腔体内部流态影响较大。间断区对颗粒运动具有一定的缓冲作用,间断距离长短能够控制颗粒在腔体内的滞留时间。多孔介质区域内外侧压差在脱水后期增幅最大,相同工况下间断距离越小压差越大。本次模拟计算下最优间断距离为35 mm、出渣口压力为5 000 Pa、转速为50 r/min。该研究可为断齿式螺旋挤压脱水装置的设计提供参考。     

圆柱型迷宫式流道滴灌灌水器平面模型试验研究

在流道内的流体流动研究中引入PIV等先进的图像全场测速技术,关键是解决塑料灌水器模型本身的圆柱型以及不透明问题。以AutoCAD技术和读数显微镜相结合的方法测量灌水器迷宫式流道几何参数,探索性地借助不锈钢电火花线切割技术构建了圆柱型灌水器的平面模型,结果表明:平面模型与塑料原型的流态指数非常接近,利用电火花线切割技术可行;流量系数差异较大,应该选择粗糙度合适的平面模型上下表面材料;灌水器流道内部流动可以忽略材料极性引力的影响,流道深度对灌水器出流的影响主要是流量系数,而对于流态指数影响极小。     

两种流道形式三通内部流场数值模拟

应用数值计算软件时T形结构和优化型结构流道形式三通管道的湍流流动进行了分析计算,采用Segre-gated隐式解法应用标准k-ε双方程模型计算湍流粘度得到了三通管内部的流场分布,并对三通管道内流动的特性进行分析,得出三通管道湍流流动的计算结果.对比两种不同流道形式的三通管道内流动的特性,得出了两种三通管道湍流流动的计算结果和较小局部水头损失的流道形式.     

微喷灌稳流器流道水沙两相流数值模拟

针对微喷灌压力补偿灌水器流量调节不稳定、流态指数不达标的难题,设计一种结构紧凑且适用于微喷灌大流量的稳流流道结构,并通过数值模拟分析流道结构的消能机理和抗堵塞性能.应用ANSYS FLUENT软件,采取RNG k-ε模型获得消能流道内的压力场、速度场、涡量场以及颗粒物沉积分布情况.结果显示,流场结构的自冲洗性能优良,流道内局部沙粒浓度最高不超过8.5%,300 kPa工作压力下的抗堵塞性能最好.流道内部的涡量是反映含沙量的重要参数,涡量值与沙粒浓度成反比.W型圆弧流道及变径流道结构可以增加流体的紊动程度,有效地消能稳流,使灌水器在大流量下保证稳定良好的水力性能.研究结论为压力补偿灌水器的内部流道结构的优化提供了一定的参考.     

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。