微灌鱼雷网式过滤器全流场数值模拟

为了充分了解鱼雷网式过滤器内部流场分布规律,该文应用雷诺时均（Reynolds- Averaged Navier-Stokes,RANS）方程及RNG k-ε湍流模型,对过滤器内部全流场进行全流场数值模拟。结果表明：鱼雷部件和出水口边界条件对该过滤器的速度流场和压力场分布规律影响很大,鱼雷部件的影响是尤为突出;滤网及其内、外侧的水流流速沿X轴的变化规律分流速迅速增加、流速迅速减小和流速缓慢减小3个阶段;滤网内外压力分布有很大的的差异,滤网内侧压力沿X轴分布从迅速增加到缓慢减小、最后趋于稳定。而滤网外侧压力分布沿X轴的变化很大,特别是在出水口处压力迅速减少,压力沿X轴的波动幅度较大。滤网内侧压力比外侧的大,两者的压力差沿X轴越来越小,最大压力差为23 kPa左右,最小压力差为0.5 kPa。研究结果认为整个滤网堵塞不均匀,滤网堵塞呈现从尾部开始向出水口方向发展的趋势,对后续滤网的冲洗排污产生重要影响。该文建议在设定最佳排污压差时需要慎重考虑。     

大田滴灌自清洗网式过滤器水头损失试验

自清洗网式过滤器是目前国内外大田滴灌应用最广泛过滤器之一,其水头损失是评价过滤器性能的关键参数。该文通过对自清洗网式过滤器清水和浑水水头损失的试验研究,重点分析了80和120目滤网对应的清水和浑水水头损失变化规律。在清水试验中,得出了2种滤网目数对应过滤流量与水头损失变化关系式;在浑水试验中,分别研究了流量一定(220m3/h)和含沙量一定(0.190g/L)条件下水头损失随过滤时间变化规律,重点研究了这2种条件下浑水水头损失的计算方法,并对2种情况下水头损失进行了计算,对各种组合条件下浑水水头损失计算公式进行了拟合,分别得到流量一定条件下10种不同含沙量和含沙量一定条件下5种不同流量的水头损失计算公式。结果表明:各公式拟合精度较高,决定系数均大于0.95,可以用于浑水水头损失计算,研究结果可为实际工程中自清洗网式过滤器水头损失的计算提供参考。     

不同网孔与筒体模型对Y型网式过滤器性能的影响

Y型网式过滤器广泛运用于微灌系统,其良好的水力性能是保证微灌系统稳定运行的关键,为了分析其水力性能,该研究采用数值模拟和物理试验相结合的方法,分析了网式过滤器在3种滤网网孔（正方形、圆形、菱形）以及3种筒体弧线角度（0°、15°、30°）下,过滤器内压降系数、滤芯网面流量分布、内部流场、压力分布等水力特性的变化。结果表明：物理试验与数值模拟之间的水头损失系数平均差异为9%,表明了数值模拟的可靠性,其中圆形网孔过滤器水头损失系数最大,正方形次之,菱形最小;滤网网孔形状对过滤器网面过流量分布的影响较大,正方形网孔过滤器的中速过流量区域占比最高达到了47.5%,圆形次之,菱形最小仅为26.5%。过滤器的水头损失随着筒体弧线角度的增加而逐渐减小,35°的压降系数较0°的减小了73.15%,网面流量的分布也随着角度的增加变得更为均匀,其中35°的中速过流量区域面积较0°增大了71.48%,水力性能明显提高;此外随着筒体弧线角度的增加,出口侧中上段滤网处的内外压差明显减小。因此在实际微灌系统中,选择网孔为正方形、筒体弧线角度30°的过滤器,其内部流场缓和、网面流量分布均匀,提高了过滤器的水力性能和使用寿命。该研究成果可为网式过滤器结构优化提供设计方案与理论依据。     

基于阿基米德螺旋转轮的自清洗泵前过滤器设计与试验

为提高泵前过滤器自清洗性能,解决过滤系统频繁中断问题,该研究将阿基米德螺旋转轮应用于泵前过滤器自清洗过程,通过数值仿真与物理试验,结合相关性分析和线性回归分析,探究叶片螺距、叶片角度、叶片数量对阿基米德螺旋转轮转速的影响规律。结果表明：转轮转速随螺距的增加逐渐下降,且降低幅度逐渐上升,随叶片角度和叶片数量的增加转轮转速的提升较小且提升幅度不断减小,对转轮转速影响程度由大到小为螺距、叶片角度和叶片数量。通过TOPSIS法（technique for order preference by similarity to an ideal solution）综合评价得到最佳结构参数组合为：螺距133 mm,叶片角度90°,叶片数量1。优化后水驱式自清洗泵前过滤器开展自清洗试验,结果显示流量经过最初下降阶段后稳定在294.9～296.6 m³/h区间,流量降幅仅为1.13%～1.70%,利用水力驱动阿基米德螺旋转轮带动自清洗装置的滤网清洗效果良好。研究结果可为水驱式自清洗泵前过滤器的结构设计和优化提供参考。     

网式过滤器水头损失动态变化规律

网式过滤器是微灌系统的关键部件之一,对过滤杂质,减缓滴头堵塞起到重要作用,但过滤器水头损失往往随拦截杂质的增多而增大,导致滤网破损或系统被迫停机。为明晰过滤器水头损失变化规律,该研究采用文献数据归纳分析和试验相结合的方法,对7种网式过滤器水头损失数据开展聚类分析;以Y型网式过滤器为例,测试不同流量、泥沙浓度和沙粒级配对过滤器水头损失的影响,以减少水头损失激增、提高拦沙效果为主要目标开展综合评价,优选过滤器适宜的运行工况。结果表明：1）不同类型网式过滤器水头损失随时间变化可分为平稳增加阶段和突然增加阶段,突然增加阶段的水头损失增长速率更大,堵塞均匀度均大于1。2）相同流量和浓度下,以>100~125 μm泥沙为主的Ⅲ级配和以>125~150 μm泥沙为主Ⅳ级配含沙水较以>54~75 μm泥沙为主Ⅰ级配和以>100~125 μm泥沙为主Ⅱ级配含沙水更容易产生水头损失激增。相同流量下,高浓度工况更容易出现水头损失激增;相同浓度下,流量为3.5 m³/h时最容易使过滤器水头损失激增。3）CRITIC-TOPSIS 综合评价结果表明排名前3的分别是流量2.5 m³/h、泥沙浓度60 mg/L工况下Ⅲ、Ⅳ和Ⅱ级配含沙水,综合得分指数分别为0.726、0.712和0.711;低泥沙浓度、大颗粒级配和高泥沙浓度、小颗粒级配在流量2.5 m³/h时综合性能好,高泥沙浓度、大颗粒级配在流量4.5 m³/h综合性能好,低泥沙浓度、小颗粒级配在3种流量下综合性能差异不大。研究可为减少过滤器水头损失和增加运行时长提供参考。     

微灌石英砂过滤器反冲洗数值模拟验证与流场分析

微灌石英砂滤层的反冲洗,是实现滤料再生的有效途径,为了对反冲洗过程流场进行分析,并确定合理的反冲洗速度。该文建立了石英砂过滤器几何模型并进行了网格划分,采用Eulerian模型作为石英砂滤层反冲洗数值模拟模型,分别对石英砂当量粒径为1.06、1.2和1.5 mm的3种滤层的反冲洗过程进行了瞬态模拟,并将滤层整体压降和整体密度的模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,整体压降的最大模拟误差为7.03%,整体密度的最大模拟误差为1.93%,说明数值模拟准确可信。在此基础上,分析了石英砂滤层反冲洗过程压降的波动规律、压降均值和压降标准偏差随反冲洗速度的变化趋势;并分析了滤层密度的分布规律、密度均值和密度标准偏差随反冲洗速度的变化趋势。根据压降波动的稳定性,结合滤层密度分布的稳定性,确定了石英砂滤层反冲洗强度的合理范围,3种滤层分别为0.0149~0.0212、0.0146~0.0218和0.0191~0.0261 m/s。该研究为石英砂滤层反冲洗过程的机理研究提供了参考,为砂过滤器反冲洗性能参数的确定提供了依据。     

螺旋流起旋器内部流场水力特性数值模拟与验证

为了有效解决低压平直管道在田间长距离调水中泥沙淤积问题,该文设计了一种螺旋流起旋装置:螺旋流起旋器。与传统的起旋装置相比,螺旋流起旋器的导叶被固定在与管道保持同心状态的料筒外壁面。该文基于RNG k-ε湍流模型,采用Fluent 12.0对不同导叶长度条件下螺旋流起旋器内部流场水力特性进行了非定常数值模拟,并将模拟值与试验值对比分析,结果表明:螺旋流起旋器内部流场模拟值与试验值基本吻合,且流速场和压力场的最大相对误差分别不超过6.4%和1.3%,进一步表明采用Fluent数值模拟求解螺旋流起旋器内部流场是可行的;随着导叶长度的增加,螺旋流起旋器下游流场的轴向流速的影响区域将逐渐减小,而径向流速、周向流速及涡量的影响区域将逐渐增大;螺旋流起旋器能耗损失与起旋效率均随着导叶长度的增加呈现出增大的变化趋势;螺旋流起旋器内部流场涡量主要分布于料筒近壁面、导叶近壁面及螺旋流起旋器的下游流场。该研究不仅为螺旋流起旋器的设计与优化提供了参考依据,同时还为进一步完善管道螺旋流长距离输固理论提供了坚实的理论基础。     

多点源滴灌条件下土壤水分运动的数值模拟

为了摸清多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,为密植作物滴灌系统的合理设计提供依据,本文根据非饱和土壤水动力学理论和多点源滴灌条件下土壤水分运动特征,建立了多点源滴灌条件下土壤水分运动数学模型,利用商业化软件Hydrus对模型进行了求解。模拟结果与实测情况对照表明,模拟的入渗过程与实测的入渗过程基本吻合,均遵循点源入渗、湿润区交汇和最终形成湿润带的演变规律;模拟的交汇时间和入渗深度与实测的相比,偏差均在10%以内;在湿润锋交汇前,湿润区内部土壤含水率模拟值与实测值的差异较小,吻合较好,在湿润锋交汇后,湿润区上部土壤含水率的模拟值要比实测值小一些。总体而言,模拟结果还是能比较真实地反映多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,可为滴灌系统的合理设计及运行提供一定的理论依据。     

润滑油分离机内部流场数值模拟与分离效率分析

用数值方法研究碟式分离机内部流场是优化其设计的重要手段。针对润滑油碟式分离机,采用VOF多相流模型并结合RNG k-ε湍流模型和离散相模型对其内部油水固分离过程和分离效率进行了数值模拟。模拟结果表明,碟片间隙中流场基本为层流,在中性孔和碟片外缘为湍流区;入口速度对油水分离结果影响不大,而对固体颗粒的分离会产生较大的影响;固体颗粒计算分离效率和实测分离效率最大相对误差为1.5%,额定处理量为700 L/h时,入口速度为2.5 m/s,此时分离效率为97.2%,满足设计要求。研究结果表明,该文提出的三相流分析方法是可行的,对碟式分离机的结构优化设计具有重要的指导意义,同时也减少了所需的试验时间和费用。     

网式过滤器拦截率计算及其影响因素分析

为了使网式过滤器在工程应用中既保持滤网良好渗透率又提高滤网拦截率,该研究通过试验,分析了5种不同入口压强(0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 MPa)、7种滤网孔径(125、150、180、210、250、300和350μm)及其与砂粒中值粒径的关系对过滤器拦截率的影响.结果表明:当滤网孔径与砂粒中值粒径...     

流量对河水滴灌重力沉沙过滤池内流速分布的影响

为研究流量对河水滴灌重力沉沙过滤池流速分布规律的影响,该文对5种不同流量下的水沙两相流流场进行了数值模拟。通过对不同流量下流速沿程分布规律、流速沿水深方向分布规律及水沙分离效率的对比与分析,可知河水滴灌重力沉沙过滤池的适宜流量范围为0.05~0.2 m3/s,进水流量越小,流速变化幅度也就越小,越有利于泥沙沉降,水沙分离效率不小于72.5%。不同流量下沉淀池中流速沿程变化规律可分成3个阶段:流速迅速增加阶段、流速缓慢减小阶段和流速迅速减小阶段。清水池中流速方向与沉淀池的相反,流速沿程减小。受进水口、出水口和固体边界,以及侧向溢流堰的影响,不同流量下河水滴灌重力沉沙过滤池中的流速沿水深方向分布规律有差别。当流量为0.05和0.1 m3/s时,远离进水口、出水口及侧向溢流堰的位置,流速沿水深方向的分布规律包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定3个阶段,而清水池则只包括流速迅速增加和流速恒定阶段。研究可对大首部的应用提供参考。     

基于Fluent软件的滴灌双向流流道灌水器水力性能数值模拟

开展滴灌双向流流道数值模拟研究,对提高灌水器研发效率,降低研发成本,分析流道消能机理具有重要意义。通过Fluent软件计算的数值模拟结果和试验数据的对比,重点研究了网格划分和湍流模型选取对模拟精度的影响,以及流道的消能机理。结果表明:当网格划分为0.2 mm,分别采用Realizable k-ε模型与标准k-ω模型模拟时,模拟值与实测值的相关系数均高于0.998,数值模拟精度和计算效率较高;且流道的进口压力越大,反向水流与正向水流的比值越大,流态指数越小,水力性能越好,特别是在灌水器压力低于0.10 MPa区间,流态指数低于迷宫式流道;从流道的速度矢量图可以明显的看出正向水流与反向水流的分布与混掺过程;分析流道压力分布图,发现流道内压力在正、反向水流混掺后大幅度下降,进一步验证了双向流流道的消能机理与消能效果。     

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一,基于土壤水、热运动基本方程,结合地表滴灌水分运动特点,建立了地表滴灌水、热运移数学模型,利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解,并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。结果表明, 所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果;当土壤、气象以及灌水资料等可知时,利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律,模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外,数值模拟值和实测结果都显示,地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。