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。     

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。     

双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性能测试,计算流道的局部损失系数,同时对正交试验结果进行直观和方差分析,建立几何参数与流态指数的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.432～0.464,其水力性能良好。单元流道的局部损失系数为6.698～19.130,显示优越的消能效果。挡水件与分水件最大过水通道宽度对流态指数的影响最大。建立的几何参数与流态指数之间的回归模型R2=0.94,且验证表明其估算值与试验值相对误差小于5%,可可靠地估算流态指数。研究可为双向对冲流滴灌灌水器水力性能预研和评估、结构优化提供参考。     

滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究

为从结构设计上解决灌水器的堵塞问题,针对滴灌灌水器的各种微小迷宫流道形式,应用计算流体力学(CFD)数值模拟可视化地揭示了迷宫流道内部流动场的情况,并通过流体力学相似实验,用激光多普勒测速仪(LDV)测量了流道中的速度流场,验证了流态模拟计算的正确性.在此基础上,分析了迷宫流道的堵塞机理,针对流道中存在的流动滞止区结构,提出迷宫流道主航道抗堵优化设计方法,使优化后流道中不存在流动滞止区,提高迷宫型灌水器的抗堵性能,并通过了实验验证.     

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。     

压力补偿灌水器水力性能影响因素分析

压力补偿灌水器以其补偿性能好、灌水均匀、铺设长度长等优点得到广泛应用。但由于影响压力补偿灌水器水力性能的因素比较复杂,因此造成压力补偿灌水器设计和优化的困难。该文通过理论分析确定影响压力补偿灌水器水力性能的关键因素包括压力调节腔出水口位置、出水口直径、压力调节腔凸台高度、直径、小槽宽度、弹性膜片的材料性能与厚度,并进一步通过水力性能试验研究了这些关键因素对灌水器水力性能的影响。结果表明:压力调节腔出水口距离越远,流量调节性能越差;压力调节腔出口直径增大会导致工作区间减小;凸台高度应该0.3 mm,否则无补偿效果;凸台直径的改变对灌水器性能影响不大;槽宽的增大有利于提高压力补偿过程的平稳性,但减弱流量调节性能;膜片硬度对补偿效果影响很大,硬度为50 HA时补偿效果最优;膜片厚度的增加可减缓高压阶段流量随压力增长而下降的趋势,有利于灌水器在高压工况下保持流量稳定。研究为压力补偿灌水器的设计和优化提供了参考。     

基于MATLAB与COMSOL联合仿真的梯形迷宫滴头流道优化

传统的滴灌灌水器流道优化设计方法是通过正交试验设计,进行有限元分析,并配合试验验证,试验过程强度大、造价高。该研究将群智能优化算法与有限元分析相结合,联合MATLAB与COMSOL仿真软件对滴灌灌水器流道参数优化设计。首先,通过MATLAB读取梯形迷宫流道灌水器在COMSOL软件中的仿真计算结果后,传递给遗传算法,并以流态指数为优化目标,流道齿参差值、齿高、单元数、流道转角、齿间距为设计变量,求解出常压（100 kPa工作压力）下的灌水器流道参数。利用SPSS软件回归分析法,建立了5个变量与流态指数之间的多元线性回归数学模型。分析结果表明,5个变量对流态指数影响程度排序为齿参差值、齿高、单元数、流道转角、齿间距。进一步分析灌水器流道内水力特性可知,滴头流道内低流速区域流速达到0.1～1.2 m/s,过流面积占流道截面的75.1%,有堵塞风险,高流速区域流速达到2.8～3.8 m/s,中流速区域流速达到1.5～2.5 m/s,流道内压力沿流道长度呈线性变化。实物样机测试结果表明,滴头流量模拟计算值与实测值之间的平均误差为6.1%,优化结果精度高,可为梯形迷宫流道灌水器流道参数优化设计提供参考依据。     

双向对冲流灌水器水力性能和消能机理模拟与验证

为研究双向对冲流灌水器的水力性能和消能机理,安排25组试验方案,开展流量测试与模拟计算,选取模拟精度较高的湍流模型计算不同压力区间的流态指数、正反向水流流量比,分析正反向水流分布情况。结果表明,RNG k-ε模型的流量计算值与实测值的相对误差为1.656%~3.151%,与其他模型相比,RNG k-ε模型的相对误差较小;灌水器的流态指数为0.414~0.483,水力性能良好,尤其在低压区间,流态指数为0.414~0.456,正反向水流流量比趋近于1,水力性能更加突出;随压力的增大,反向水流的流量增幅较快,流量比减小,水力性能降低;正反向水流在挡水装置的齿尖形成对冲与混掺是消能的核心,而水流分布不均会影响灌水器的消能效果;在灌水器边壁增加多个改变流向的挡水装置,可优化双向水流配比,提高水力性能,从而验证不同压力区间、不同流量比与水力性能的内在关系。研究可对灌水器结构优化、水力性能提高提供参考。     

流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究

对滴灌系统的滴头进行试验研究表明,影响流态指数的主要因素是流道结构形式,包括流道齿形、齿角、齿距、齿高和流道的深度,流态指数基本不随滴头流道长度而变化.通过比较不同滴头流道的流态指数、流道长度及流道断面积,分析了其抗堵塞性能,并建立了描述滴头流量与流道长度及工作压力关系的回归模型.     

流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究

对滴灌系统的滴头进行试验研究表明，影响流态指数的主要因素是流道结构形式，包括流道齿形、齿角、齿距、齿高和流道的深度，流态指数基本不随滴头流道长度而变化。通过比较不同滴头流道的流态指数、流道长度及流道断面积，分析了其抗堵塞性能，并建立了描述滴头流量与流道长度及工作压力关系的回归模型。     

适用于黄河水滴灌的灌水器筛选研究

传统的黄河水滴灌系统灌水器选择方法常以抗堵塞能力高低为标准,极易产生成本过高、资源浪费等问题.该研究提出了综合考虑使用年限需求、系统成本投入及碳足迹的滴灌带产品选择方法,并开展了黄河水原位加速测试试验.结果表明:黄河水滴灌条件下不同类型灌水器产品的生命周期、投入成本和碳足迹差异较大,以1 a使用期的毛管不冲洗处理组为例...     

滴头性能综合测试平台构建及其在水力特性研究中的应用

在对国内外滴头性能测试系统进行深入分析的基础上，构建了面向滴头性能研究的综合测试平台，并利用该系统对目前中国农业灌溉领域最为典型的8种迷宫式流道滴头水力性能进行了研究，结果表明：测试系统完全符合滴头流量-压力测试要求；升压、降压两种工作方式对滴头出流的有一定影响，但未达到显著水平；经典的流量-压力关系模型完全适合于1.5～15.0 m压力区间；从水力学角度来看，8种滴头能够满足微重力滴灌滴头的要求；滴头流量偏差系数在整个压力区间范围内都在一定数值附近，制造偏差是属于滴头本身的特性，并不随滴头进口压力的变化而变化，用流量偏差系数完全可以反映这种特性。     

滴头堵塞程度分级和评价及堵塞风险预测方法

为了准确监测滴头的堵塞状态,预测滴头堵塞程度的发展变化趋势。该研究基于模糊综合评价法,以相对流量变化量、灌水均匀度变化量为评价指标,用熵权法和三角形隶属度函数计算各评价指标权重和隶属度,建立了滴头堵塞综合评价指标（Evaluation Index,EI）,利用灰色GM(1,1)预测模型预测滴头堵塞程度随灌水时间的变化情况。结果表明：滴头堵塞是一个随灌水时间增加而波动渐进的过程,滴头堵塞过程可分为波动平稳阶段和快速发展阶段2个过程,不同滴头的堵塞过程具有一致性规律,不同灌水时间的EI值间具有很好的相关性,可以根据前期试验数据预测滴头后期堵塞程度的变化趋势;提出了基于EI的滴头堵塞程度5级分级标准和方法,建立了基于5次测试灌水数据的滴头堵塞风险灰色GM(1,1)预测方法,可以预测不同滴头未来不同灌水时间后的滴头堵塞状态,对7种滴头堵塞程度的预测结果准确率为85.7%。该方法为滴头抗堵塞能力评价以及滴灌工程抗堵塞预防措施的配置提供了理论依据。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。     

滴头性能综合测试平台构建及其在水力特性研究中的应用

在对国内外滴头性能测试系统进行深入分析的基础上,构建了面向滴头性能研究的综合测试平台,并利用该系统对目前中国农业灌溉领域最为典型的8种迷宫式流道滴头水力性能进行了研究,结果表明测试系统完全符合滴头流量-压力测试要求;升压、降压两种工作方式对滴头出流的有一定影响,但未达到显著水平;经典的流量-压力关系模型完全适合于1.5～15.0 m压力区间;从水力学角度来看,8种滴头能够满足微重力滴灌滴头的要求;滴头流量偏差系数在整个压力区间范围内都在一定数值附近,制造偏差是属于滴头本身的特性,并不随滴头进口压力的变化而变化,用流量偏差系数完全可以反映这种特性.