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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

迷宫流道转角对灌水器水力性能的影

为研究齿形、梯形以及矩形流道转角变化对水力性能的影响,采用Fluent软件对不同形状下不同转角的流道进行了数值模拟.研究结果表明:当其他条件相同时,转角的变化与流量系数、流态指数呈负相关,其变化对梯形流道灌水器的流量系数影响最大,最多下降了19.03%,齿形流道次之,下降了10.14%,矩形流道是梯形流道转角角度增加的延伸,具有相同的水力性能变化规律;随着角度的增加,梯形流道总的局部水头损失系数最多增加了32.5%,而齿形流道总的局部水头损失系数最多增加了23.4%,变化都很明显;压力较高时,摩阻系数基本保持不变,流体为紊流状态.     

单齿型矩形迷宫灌水器水力性能的数值分析

以矩形流道灌水器以及加齿后矩形流道模型为研究对象,借助CFD流体分析软件FLUENT对不同尺寸的流道模型进行压力流量模拟分析,将分析后的结果以流道内最小过流断面为控制因素,进一步利用TECPLOT软件分析灌水器内速度流场的变化。结果表明,单齿型矩形流道迷宫灌水器的水力性能优于矩形流道迷宫灌水器;在同一种尺寸的矩形流道内加齿,随着齿高的增加,流量系数和流态指数均减小;当流道内加齿处的过流断面比保持一致时,流道的流量系数随尺寸的增加而增大;并且流道尺寸越大,加齿后流态指数降低程度越大,越有利于提高灌水器的灌水质量;相比于矩形流道灌水器,单齿型矩形流道具有较好的消能效率,为进一步研制高水力性能的灌水器提供一定的理论基础。     

滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究

在对迷宫流道结构特征参数提取的基础上,应用快速成形制造技术制作一体化灌水器实验原型,进行了灌水器水力性能实验.应用多元线性回归拟合出了压力-流量关系式和回归曲线图,提出以梯形单元为主特征的流量与结构特征参数关系公式,通过实验验证了其可行性和准确性,建立了此种流道流量-压力-结构之间的关系,进一步分析了流道制造偏差对灌水器流量的影响,为迷宫型灌水器参数化结构设计和制造中的精度控制提供了理论依据.     

单翼迷宫灌水器进口流场数值模拟与结构优化

针对单翼迷宫式滴灌灌水器工程应用中,大多数堵塞都发生在灌水器进口及其邻近区域的问题,对单翼迷宫式滴灌灌水器进口结构特性和水力性能进行分析,并对内部流场的计算流体进行动力学（CFD）数值模拟研究,发现目前广泛使用的单翼迷宫式滴灌灌水器的进口在实现灌水器多进口安全保障、过滤、抗堵塞等功能方面的设计存在不足之处.应用CAD-CFD技术改进单翼迷宫式滴灌灌水器进口的结构,优化其水力性能.改进后的灌水器5个进口流量基本相同,流速分布也较为均匀.不存在超低流速区,能有效减少灌水器进口的沉积和堵塞,提高灌水器的抗堵塞能力,实现了多进口的安全保障功能.     

迷宫型滴灌灌水器的流速模拟研究

利用Fluent软件对矩形迷宫型滴灌灌水器流道内流体的流速进行了模拟研究,通过对模型进行求解,得到了流场内的流体的流速变化。结果表明:灌水器流道的主流区集中在流道的轴线处,低速区位于流道近壁面和拐角处,接近为0,流体并没有充满整个流道,水流流态主要为紊流,每个单元之间速度分布变化不大;在流道断面面积相同、单元数相同时,矩形迷宫型灌水器内流速与压力呈正相关关系。     

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。     

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。     

滴灌三角形迷宫滴头水力性能稳健性分析

由于滴灌滴头流道曲折复杂,各种结构参数都不同程度地影响着滴头水力性能,滴头水力性能分析时,很难建立显式的解析模型.为此提出基于移动最小二乘响应曲面法建立滴头水力性能可靠性指标对应结构影响参数的灵敏度分析模型.结果表明,滴头流道流量系数的可靠度对流道长度和流道宽度的均值灵敏性较强,对流道转角的均值灵敏性较差;滴头流道流态指数的可靠度对流道宽度和流道转角的均值灵敏性较强,对流道长度的均值灵敏性较差;基本变量标准差的增加会降低滴头流道流量系数和流态指数的可靠度.基于移动最小二乘响应曲面滴头水力性能可靠性灵敏度分析结果与通常的定性分析结果一致,验证了本方法的有效性.     

齿形迷宫流道不同结构参数下灌水器抗堵塞性能研究

以齿形迷宫流道灌水器为研究对象,通过计算流体力学(CFD)数值模拟、PIV观测和样品测试相结合的方法,研究了齿形结构的不同齿底距、齿高下颗粒运动轨迹与流道内部速度场分布的关系,并初步探索了流道结构参数与灌水器抗堵塞性能的关系。结果表明:当流道内固体粒子运动速度小于0.5 m/s时,易在齿底处旋转,而大于此速度时,则易进入主流区被水流带出流道;齿形迷宫流道齿底距与抗堵塞性能呈正相关,齿高与抗堵塞性呈负相关;流道设计时,单纯增大齿底距或者减小齿高,可以有效降低粒子在流道中发生旋转的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。     

地埋式内镶贴片滴灌灌水器水力性能模拟研究

[目的]探究地埋式内镶贴片滴灌灌水器的水力性能。[方法]对具有M型双肩过滤出口的地埋式内镶贴片滴灌灌水器进行了不同工作压力条件下的流量测试试验,并采用RNGk-ε湍流模型分别对平面简化流道、实际微弯流道、实际微弯流道+进口、实际微弯流道+M型双肩过滤出口以及实际微弯流道+上述进出口的5种情况进行了相应工作压力下的三维数值模拟。[结果]三维全流道数值模拟流量与实测流量相近,其最大误差为8.87%。无控制的出口结构,水流在出水孔中心处形成旋涡,采用M型双肩过滤机构的出口会在主流两侧产生2个旋流,出水孔中心处无旋涡。[结论]地埋式内镶贴片滴灌灌水器流道模型的微弯对贴片灌水器水力性能有一定的影响。滴灌灌水器采用M型双肩过滤机构的出口有利出流且提高了抗堵塞性能。     

齿型迷宫灌水器抗堵塞性能分析与结构优化模拟

【目的】揭示齿型迷宫流道灌水器物理堵塞的内在流动特性成因,同步优化提出高抗堵型齿型灌水器流道结构。【方法】基于CFD数值模拟技术中的Workbench数值计算平台,对5种不同齿型流道结构(含改进后流道结构)的灌水器进行水砂两相流数值模拟计算,分析了不同齿型结构水流流速、流道内湍动能、湍动能耗散率分布规律及物理颗粒运动轨迹等。【结果】提出了齿型流道结构优化改进方案,优化后的流道结构增加了灌水器内低速区域面积和低速区域湍动能值,区间湍动能范围同比最高提升了52%～200%,同时提高了物理颗粒的运移速率,减少了颗粒运移路程和滞留时间,提升了齿型迷宫灌水器的抗堵塞性能。【结论】齿型流道灌水器的抗堵塞性能与流道内低速区的流体速度及流道内湍动能大小分布密切相关,流速和湍动能较大的区域不易造成堵塞;湍动能最大值均出现在主流区,并且在齿尖迎水区达到最大;湍流动能耗散率分布与湍动能分布具有十分相似的规律,湍动能耗散最严重的区域分布在齿尖处,齿尖结构对灌水器的消能效果起关键性作用。