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。     

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。     

一体化压力补偿式热塑性弹性材质滴头设计与试验

为克服硅胶片类压力补偿式滴头“回收难”的问题,设计开发了一种含热塑性弹性体的全塑料材质的一体化压力补偿式滴头。基于压力补偿式滴头流量补偿原理及计算流体力学数值计算方法,对一体化滴头关键结构参数齿尖角、流道宽度、流道深度、流道单元个数开展正交设计试验,通过Ansys15.0软件对滴头迷宫流道结构进行确定,以参数组合齿尖角34°,流道宽度0.4 mm,流道深度0.4 mm,流道单元数12个,进行滴头试制并对其补偿性能及抗堵塞性能进行测试。结果表明：该一体化压力补偿滴头流态指数为0.07,起调压力为35 kPa,补偿区间为35～300 kPa,属于恒流灌水器－压力补偿滴头范畴;与国内滴头相比,设计滴头的水力性能更优;在低压堵塞试验中,一体化压力补偿式滴头具有更好的抗堵塞性能,当泥沙浓度为1.0 g/L,灌水15次后,一体化压力补偿滴头与另外两种普通迷宫流道滴头的相对流量分别下降至93.1%、54.2%、81.8%,一体化压力补偿滴头的抗堵塞性能明显优于普通迷宫流道滴头。该滴头研发周期短、成本低、便于回收利用,是传统滴头的良好替代品。该研究可为一体化压力补偿式滴头结构设计、相关产品研发提供参考。     

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。     

工作压力对滴灌管迷宫流道灌水器水力性能的影响

降低滴灌系统灌水器工作压力有望成为减少滴灌系统能耗以及运行费用的一种有效途径,但目前低压灌水器还十分少见。基于此,选取了国内应用较为广泛的5种典型迷宫流道灌水器,分析了不同工作压力区间对灌水器水力性能及消能特征的影响。结果表明：5种灌水器在低压条件下运行对于灌水器流量系数Kd和流态指数x具有一定影响,但对于流态指数x的影响未达显著水平。同一流道类型的灌水器流量系数Kd与无量纲数A/L2呈显著的线性相关关系,不同流道类型之间差异显著。5种灌水器流道内流态为紊流,未发生流态转捩行为,采用常规管道流态转捩雷诺数2200去判断流道内流态是不合适的。     

滴灌双向流流道灌水器水力特性分析

滴灌双向流流道是一种新型滴灌灌水器流道。为了研究流道结构参数对水力特性的影响,分别以流态指数和流量系数为评价指标,取流道的9个主要结构参数为因素,采用均匀试验设计的方法,安排了12组试验方案。根据试验结果,应用多元回归计算方法,分别建立了流态指数和流量系数与9个结构参数之间的量化关系式,其相关系数分别为0.999和0.998,同时还用另外一组结构参数的试验方案验证了建立的量化关系式。T检验结果显示,9个主要结构参数对流态指数的影响均较显著,而V字形挡水件的张角α对其影响最大;出口宽度a、八字形分水件张角β对流量系数的影响较显著,而出口宽度a对其影响最大,为双向流流道的设计提供了参考。初步研究表明双向流流道的流态指数在0.40~0.47之间,其水力性能优良,结构简单,有一定应用前景。     

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。     

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.     

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。     

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。     

不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞特征

为确定硬水滴灌条件下影响灌水器堵塞的主要特征参数,研究6种灌水器在硬水滴灌条件下的平均相对流量和堵塞率的变化规律,通过有序回归方法分析影响灌水器堵塞的特征参数,灌水结束后解剖并观察灌水器内的堵塞情况。结果表明:硬水滴灌条件下6种灌水器的平均相对流量均发生了不同程度的下降,其中灌水器E1和E6因具有较大的过流截面尺寸而表现出了较好的抗堵塞性能;SPSS回归分析显示,显著影响灌水器的抗堵塞性能(P0.01)的特征参数为灌水器内过流截面宽W和深H中的最小者min(W,H),且灌水器发生堵塞所需要的时间与min(W,H)成正相关关系;解剖灌水器发现,堵塞主要发生在灌水器内具有min(W,H)的截面处。建议硬水滴灌时选择内部过流截面尺寸较大的灌水器,且灌水器内部应避免易引发固体颗粒沉积附着的截面形状和过流结构。     

具有排气功能的毛管末端自动冲洗阀设计与结构优化

该研究创制一种具备自动排气功能（Auto-Exhaust function, AE）的毛管末端自动冲洗阀,以提高冲洗时长和冲洗水量。选取延时流道齿长和齿宽、上腔体容积和冲洗阀进口压力共4个因素,采用L18（37）正交试验设计18种规格的AE冲洗阀,并设置4种无排气装置（Non-Exhaust function, NE）的冲洗阀为对照,探究排气装置提升冲洗阀水力性能的作用机理和AE冲洗阀性能参数对试验因素的响应规律。结果表明,当进口压力为0.06～0.14 MPa时,AE冲洗阀的冲洗时长、冲洗水量和冲洗流速分别为18.2～67.7 s、3 904～12 367 mL和0.88～1.40 m/s。冲洗时长和水量与流道齿长、齿宽和上腔体容积均为正相关关系,与进口压力为负相关关系,冲洗流速只与进口压力有关,为正相关关系。流道齿长、齿宽和上腔体容积对冲洗时长和水量影响显著,进口压力对冲洗时长和流速影响显著（P<0.05）。AE冲洗阀能自动排出上腔体中的空气,增加蓄水容积,使其冲洗时长和水量分别比NE冲洗阀提高83.5%与75.4%以上。综合考虑延时流道抗堵塞性能、冲洗时长和水量等因素,推荐AE冲洗阀流道齿长、齿宽、上腔体容积和进口压力分别为1.2 mm、2.2 mm、19.1 mL和0.06 MPa,其冲洗时长和水量分别是NE冲洗阀的2.8和2.7倍,是进口冲洗阀的7.4和7.0倍,为67.7 s、12 194 mL。研究结果可为具有排气功能的毛管末端自动冲洗阀的研发提供依据。     

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。     

间接地下滴灌土壤湿润体特征参数

该文将恒定水头钻孔积水入渗求解土壤饱和导水率的稳态原理用于定量化求解间接地下滴灌技术中与任意导水装置尺寸相匹配的滴头流量,并以计算的技术参数为基础,研究了间接地下滴灌水分运移过程中的土壤湿润体特征参数。研究结果表明,用于描述恒定水头钻孔积水入渗法求解土壤饱和导水率的稳态模型能够较好地设计与不同类型土壤和导水装置尺寸相匹配的适宜滴头流量。间接地下滴灌灌水过程中,从零开始逐渐增大并趋于稳定的积水深度加速了水分在垂直方向的运移,缩小了横向湿润距离和垂向湿润距离之间的差异,但变化的积水深度对湿润锋在垂直方向向上和向下的运移速率影响不大,使湿润体形状表现为扁率不断减小的椭球体,且椭球体对称轴分布在靠近导水装置底部的位置。湿润锋最大湿润距离和湿润体体积是灌水时间的函数,湿润体内平均体积含水率增量与灌水时间关系不大,保持为一定值。湿润体体积和湿润体内平均体积含水率增量不仅与土壤类型有关,还与导水装置参数和滴头流量的不同组合有关。     

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。     

广西赤红壤甘蔗田间滴灌带合理布设参数确定

赤红壤是广西蔗区主要土壤类型之一,为探讨赤红壤蔗区滴灌条件下土壤水分运动规律,该文在试验基础上,利用HYDRUS-3D建立了双点源土壤水分运动数学模型,通过对照试验和模拟情况表明,HYDRUS-3D能较好地模拟试验土样的湿润锋运移规律和土壤含水率变化规律。在此基础上,利用HYDRUS-3D建模分析滴头间距、滴头流量对滴灌灌水均匀性的影响,结果表明:滴头间距对滴灌灌水均匀性影响较大,当滴头流量为1.38 L/h时,30、40、50 cm 3种滴头间距的滴灌带中,仅滴头间距30 cm的滴灌带满足试验土样灌水均匀性的要求;滴头流量对滴灌灌水均匀性也有一定影响,采用较大滴头能提高滴灌的灌水均匀性,但会增加单位灌溉面积设计供水能力,进而增加工程造价。综合考虑灌水均匀度、工程造价、工程运行管理模式以及糖料蔗不同生育期的用水需求,确定广西赤红壤蔗区滴灌带合理的滴头流量为1.38 L/h、滴头间距为30 cm、糖料蔗生育初期的适宜灌水时间为3.5 h,糖料蔗生育旺盛期适宜灌水时间为6.5 h。该结果可为广西赤红壤蔗区滴灌系统田间滴灌带合理设计提供参考。     

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。