滴头流道内部水流流动机理研究的进展与问题

总结了滴头流道内水流流动机理研究的进展情况,分析了研究滴头流道内水流流动机理的3种方法(理论分析方法实验研究方法及数值模拟方法)的具体内容和存在的问题。针对这些问题,对滴头流道内流动机理的研究方向提出了建议。     

动态水压对迷宫流道滴头抗堵塞性能影响与机理分析

为缓解浑水灌溉中滴头堵塞的问题,评估了3种水压模式(恒定水压、台阶波形水压、三角函数波形水压)对滴头堵塞的控制效果,并对不同水压模式下滴头内堵塞物质、滴头排出物质的级配和粒径进行分析。结果表明：动态水压处理滴头使用寿命延长了79.06%,滴头抗堵塞性能优于恒定水压处理;波形对滴头抗堵塞性能影响较小,两种不同波形动态水压处理滴头的使用寿命仅相差2.77%。动态水压处理流道内水流紊动剧烈,能更好地移除沉积、附着在迷宫流道内的堵塞物质,与恒压处理相比,滴头内黏粒、粉粒堵塞物质分别减少了22.19%～36.75%和13.22%～25.06%。动态水压处理下滴头排出泥沙的粒径增大,最大粒径比恒定水压处理增大了44.34%,动态水压处理迷宫流道内水流流线时刻发生变化,水流的挟沙能力增强,大颗粒泥沙更容易从滴头排出。     

压力补偿滴头流动阻力分析与流量预测研究

为探究压力补偿滴头流动阻力产生的主要部位、变化及对滴头流量的影响,采用基于雷诺平均维纳-斯托克斯(RANS)模型的瞬态和稳态流固耦合计算方法,模拟研究了压力补偿滴头流体与弹性片之间的相互作用,分析了工作压力0~300kPa范围内弹性片变形、流动阻力与流量之间的关系。结果表明：数值模拟能够准确预测一定工作压力范围内压力补偿滴头的流量,不同工作压力下滴头流量模拟值与实测值的平均误差为12.32%。弹性片的变形经历快速变形、缓慢变形和长期微小变形3个阶段。随着弹性片变形程度增加,迷宫流道压力损失占比逐渐减小,压力补偿腔和副流道压力损失明显增加。流动阻力主要发生在迷宫流道、弹性片与凸台之间,弹性片接触凸台前,流动阻力主要取决于迷宫流道的能耗,滴头流量随工作压力的增加而增长。弹性片接触凸台后,流动阻力为工作压力的线性函数,滴头流量在一定压力范围内保持恒定;主流道结构影响压力补偿滴头的最小补偿压力,副流道结构对压力补偿滴头的流量调节作用具有重要影响。     

滴头锯齿型迷宫流道消能特性的流体动力学分析

在对所选取的3种代表性锯齿型迷宫式滴头流道参数进行精确测定的基础上,利用圆管紊流理论和CFD流场模拟软件对锯齿形迷宫流道的消能机理进行了研究。结果表明：光滑圆管紊流理论不足以解释锯齿型迷宫流道的消能机理;压力沿流道长度方向呈线性递减,各消能尖角单元压力损失相等,符合线性叠加规律;摩阻系数随着压力增加而降低,并很快稳定在一定数值上;在中、高压区滴头流道内部流动为紊流,在低压区可能存在从层流到紊流或者光滑紊流到全紊流的流态转捩行为。     

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。     

高含沙水滴灌灌水器堵塞机制及防堵技术研究进展

为解决黄河水中粒径小于0.10 mm细小泥沙颗粒引发的滴灌灌水器堵塞问题。通过文献调研,回顾了高含沙水滴灌条件下灌水器物理堵塞机制相关研究进展,并提出了进一步研究方向。细小泥沙颗粒含量较高的浑水滴灌时,滴头堵塞主要是含沙量、泥沙粒径与颗粒级配耦合作用的结果。滴灌系统工作条件如工作压力的动态变化有助于移除流道内黏、粉等细颗粒堵塞物质,促进较大泥沙颗粒排出流道;灌溉水温越高,滴头抗物理堵塞性能越强;对浑水加气和磁化处理可改变毛管内水流水力特性及悬浮泥沙运动规律,增强水流拖拽力,减小管道内泥沙淤积量。此外,施肥增强了水体中泥沙颗粒间的絮凝作用,对浑水水肥一体化滴灌滴头堵塞具有明显加速作用。浑水含沙量、粒径和颗粒级配是引发滴头物理堵塞的重要因素,确定易引发滴头堵塞的敏感含沙量、颗粒粒径段,选用适宜肥料种类和施肥浓度阈值,优化滴灌系统工作条件参数是改变毛管内泥沙颗粒运移和沉积规律、延缓滴头堵塞进程、提高水肥一体化滴灌水肥利用效率的有力措施;采用统一的灌水试验方法,充分利用现代测试手段,结合生产实际有针对性地改进工程技术处理措施是解决滴头堵塞问题的必要途径。     

矩形迷宫式滴灌灌水器的模拟研究

利用Fluent软件对滴灌灌水器流道内流体流动进行了数值模拟,得到了流道压力图、流速矢量图。根据流道内流线变化对灌水器流道结构进行了优化设计,采用了圆弧形流道结构。通过优化前、后的速度矢量图可知:优化后的滴头流道涡旋区和低速滞止区基本消除,虽然在流道拐弯处的小部分区域内流体流动速度仍有些偏高,但是从流道整体来看,优化后的流道内主流速度分布比较均匀,且流体充满整个流道,大大提高了灌水器的抗堵塞性能。     

圆柱绕流滴灌灌水器构建及其水流特性的数值分析

为了进一步了解圆柱绕流灌水器内部流动机理和外部水力性能,应用FLUENT软件对其内部流动及水力性能进行数值分析,发现水流在流道单元内存在明显的主流区和涡漩区,主流区水流紊动强烈.对150个流道单元的数值计算结果显示,每个流道单元的压降为630 Pa,流道的流态指数为0.527,100 kPa工作压力时的流量为1.76L/h.初步研究结果表明,圆柱绕流流道过流断面大,水流紊动强烈,消能效果良好,抗堵塞性能强,具备构建性能良好的滴灌灌水器的条件.     

滴头堵塞诱发过程及其可控方法的研究进展

滴头作为滴灌系统的关键部件,其性能的优劣直接反映了整个滴灌系统寿命、节水性及灌水的均匀性.流道的堵塞问题一直是抑止滴灌技术发展的主要瓶颈,而随着再生水滴灌、微咸水滴灌、雨水滴灌等技术的迅速发展,对滴灌系统抗堵塞能力也提出了更高的要求,堵塞问题成为了滴灌技术研究的热点.分析了滴头堵塞诱发的研究现状,就流道内的堵塞诱发因素、诱发过程、生物膜的存在对于堵塞的影响、流道内生物膜生物、物理特征以及控制方法等几个问题进行了探讨,并结合现代分子生物学技术及测量技术提出了有关流道内生物膜微生态多样性、生长特征等问题研究的发展方向.     

滴头堵塞诱发过程及其可控方法的

滴头作为滴灌系统的关键部件，其性能的优劣直接反映了整个滴灌系统寿命、节水性及灌水的均匀性。流道的堵塞问题一直是抑止滴灌技术发展的主要瓶颈，而随着再生水滴灌、微咸水滴灌、雨水滴灌等技术的迅速发展，对滴灌系统抗堵塞能力也提出了更高的要求，堵塞问题成为了滴灌技术研究的热点。分析了滴头堵塞诱发的研究现状，就流道内的堵塞诱发因素、诱发过程、生物膜的存在对于堵塞的影响、流道内生物膜生物、物理特征以及控制方法等几个问题进行了探讨，并结合现代分子生物学技术及测量技术提出了有关流道内生物膜微生态多样性、生长特征等问题研究的发展方向。     

新型螺旋式抗堵塞滴头研制

利用涡流原理 ,设计一种长流道螺旋式渐变水道的新型滴头。利用沿程与局部水头损失的消能和调节作用 ,保证了滴头出水有较高的均匀度 ;在流线型流道中的涡漩水流 ,形成了滴头的自冲洗和抗堵塞性能 ,配合以滴头的可拆卸设计 ,使滴头堵塞不再成为影响滴灌系统寿命和灌水质量的一大难题     

水肥一体化对侧翼迷宫滴灌带抗堵塞性能的影响

为从普遍应用的侧翼迷宫滴灌带中优选出随水施肥中抗堵塞性能最佳的流道结构,为探明随水施肥过程中侧翼迷宫滴灌带滴头堵塞影响因素以及堵塞机理,根据大田滴灌系统清水与肥水交替运行的方式,通过长周期间歇性施加磷肥进行灌溉施肥试验,对3种流道结构的侧翼迷宫滴灌带抗堵塞性能进行了测试,并且利用CFD方法数值模拟滴头流道内流场分布,与试验结果提供参考和对比,试验结果显示:新型欧姆链式流道的抗堵塞性能明显优于普通几字形流道,其流道内最大速度明显高于另外两种滴头;对堵塞位置的观测发现几字形滴灌带后段易发生堵塞,其中1号滴灌带堵塞从后段逐渐向上游延伸,而2号滴灌带堵塞滴头则是由前段和后端向中游延伸。     

额定压力及低压下内镶片式滴头抗堵塞性能试验

依据ISO短周期滴头堵塞测试方法,测试了12种内镶片式齿型迷宫滴头在额定压力和低压情况下的抗堵塞性能.结果表明:滴头抗堵塞性能随着流道断面最小尺寸增加而提高,当滴头流道断面最小尺寸大于等于0.6 mm时滴头将获得较好的抗堵塞性能,但在0.04 MPa时滴头流道设计形式对滴头抗堵塞性能有更为明显的影响.在过滤器滤网孔径大小选择方面,压力为0.10 MPa时,可选用流道断面最小尺寸的1/5作为有效孔径,而压力为0.04 MPa时,则应按流道最小断面尺寸的1/7来选择.研究还表明,滴灌系统在低压运行时,可通过间歇灌溉的方式来预防和减少滴头的堵塞.     

滴灌灌水器内部水动力学特性测试研究进展

首先总结了灌水器内部3种可视化技术、4种测试模型和示踪粒子,并分析了各技术、模型和粒子的特征和优缺点;在总结前人对灌水器内部水流运动特征测试结果的基础上,提出了一种将灌水器等比例透明平面模型与粒子图像测速(DPIV)技术、平面激光诱导荧光(PLIF)技术相结合的灌水器内部水流运动全场测试方法,利用显微镜物镜改装CCD相机镜头的独特设计,成功实现了滴头流道内全流场无扰测试,并应用该方法实现了不同压力、不同流道类型条件下灌水器流道内部水流运动的测试;在总结前人对灌水器内部颗粒物输移特性测试的基础上,开发了一种将单元段模型、DPIV、PLIF等技术相结合的准三维全场测试方法,通过观测片式灌水器原型及透明模型内部不同粒径颗粒物的运动特征,验证了两者的相似性.利用该方法实现了圆柱形灌水器内部流速分布,并测试了3种典型流道边界优化形式对灌水器流道内颗粒物运动特性的影响.今后,需进一步完善颗粒物运动的DPIV测试,探索灌水器流道内全流场三维测试,开展灌水器内部固-液-气多相耦合流动CFD模拟.     

滴头流道中颗粒物质运移动态分析与CFD模拟

采用CFD模拟技术,对迷宫式滴头流道内不同质量浓度的悬浮颗粒运动情况进行数字化模拟计算,并采用两相流动力学理论对迷宫式滴头结构尺度下的悬浮颗粒的随流性进行了分析,研究结果表明,采用DPM模型对悬浮颗粒分布特点的模拟结果与已有试验数据吻合度较高,可以作为模拟的手段;水流中颗粒质量浓度对滴头内部流场有着较强的反作用,应在模拟过程中予以重视;根据Stokes数的计算结果,10%左右的颗粒随流性差,可以认为导致滴头堵塞的物质主要来自于这一部分颗粒。     

滴灌施肥对滴头抗堵塞性能及系统均匀度影响试验研究

为探明温室滴灌系统随水施肥过程中滴头堵塞影响因素、堵塞机理及滴灌管性能评价方式,根据温室滴灌系统布置方式,通过长周期间歇性灌溉试验,研究了N、P、K肥分别单施情况下各肥对φ16滴灌管及φ8小管径滴灌管灌溉均匀度及滴头流量的影响,并利用场发射扫描电镜观测了流道内沉积物。结果表明:φ8滴灌管中后段滴头易先堵塞并分别逐渐向上、下游延伸,φ16管滴头堵塞一般由后端向管前端逐渐发展;φ8管P肥灌溉中8次随水施肥后Cu仅在50%,滴头有效率仅达75%,K肥灌溉时Cu几乎为0,滴头有效率仅50%,严重影响灌溉质量,φ8管在随水施肥过程中抗堵塞性、施肥均匀性均低于φ16管;滴灌系统随水施肥的堵塞位置大多为滴头流道入口,应优化滴头流道入口结构以提高滴头抗堵塞性。     

大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计

采用三维紊流数值模拟的方法,揭示了大型泵站虹吸式出水流道内的三维流动形态;提出通过建立虹吸式出水流道几何模型并借助三维紊流数值模拟的方法,逐一改变流道几何尺寸、观察流态变化、逐步优化流道型线,以最终实现虹吸式出水流道的优化水力设计;通过专门设计的模型试验,验证了虹吸式出水流道优化水力设计的效果。     

施肥滴灌加速滴头堵塞风险与诱发机制研究

以2种内镶片式迷宫流道滴头为研究对象,采用数学分析方法、扫描电镜/能谱分析技术(SEM-EDS)和X射线衍射技术(XRD)对不同水溶性肥料滴灌后滴头流量、堵塞物表面微形貌及其化学组分进行多角度分析,研究肥料特性和流道结构对滴头堵塞过程的影响效应。结果表明:肥料特性是决定堵塞类型和诱发风险的重要因素(P0.01),流道结构对堵塞的影响需双重考虑结构尺寸及结构类型;当施肥质量分数小于等于0.5%时,施肥加速滴头堵塞的效果较小且与肥料类型关系不大,当施肥质量分数在0.5%~2.0%之间时,各肥料滴灌适用性由大到小依次为:磷肥、尿素、钾肥、复合肥,当施肥质量分数在2.0%~3.0%之间时,尿素滴灌滴头流量降幅为10.26%,显著高于施加磷肥(7.85%)、钾肥(4.07%)和复合肥(2.74%);施加尿素滴灌诱发滴头堵塞主要物质的形成机理为分子态尿素析出物与水中悬浮颗粒物形成团聚体在较差流体的运动粘度下造成的物理堵塞,磷肥主要为吸附作用加速肥料杂质团聚沉淀的物理、化学堵塞,硫酸钾施肥滴灌主要为离子交换形成的钙、镁沉淀导致流道壁面糙度升高、过水断面减小的化学堵塞过程,复合肥诱发滴头堵塞风险最低。施肥滴灌存在诱发或者加速滴头堵塞的风险,但不同肥料诱发滴头堵塞主要物质的形成机理不同,加速堵塞的风险也不同,故对于不同的肥料类型宜采用不同的抗堵塞管理策略。     

高含沙黄河水滴灌系统关键技术的研究

针对高含沙黄河水滴灌系统滴头堵塞的问题,根据滴头堵塞的内因和外因,采取内外结合、双管齐下的技术思路对首部和尾部系统进行改装。对首部的泥沙分离器进行结构优化和改进,提高其对水源中固体颗粒的分离效率,将造成滴头堵塞的外因降低;对尾部的滴头内部流道进行重新设计,在保证消能效果的前提之下,缩短流道长度和放大流道尺寸,增强滴头本身的抗堵塞能力和抗老化问题,从而解决了滴灌技术推广中的关键技术。     

基于全流场的泵装置出水流道内流特性分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道的流动特性,以一立式轴流泵装置为研究对象,基于全流场非定常计算,结合湍动能和流线分布以及压力分布,分析出水流道内非定常流动特性;基于Q准则,在小流量工况下对流道内涡旋结构进行可视化分析;基于特征值法和涡量法,对不同工况下1个非定常旋转周期内的出水流道里的涡核进行提取.结果表明:小流量工况下,出水流道的入口处产生的涡旋结构数量最多,流道内提取到的涡核数量也最多;出水流道内的涡核强度从流道入口处往后逐渐减弱;2种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少,并且额定工况下流道中后部均未出现涡核.掌握出水流道内流特性及涡核分布,有助于今后优化设计出低水力损失的出水流道.