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。     

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。     

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。     

新型微压侧翼迷宫滴灌带设计方法研究

利用计算流体动力学(CFD)技术对设计的一种新型微压滴灌带的水力特性进行了数值模拟,得到了灌水器内部的压力和流速分布,预测了压力流量关系。研究结果表明:该滴灌带灌水器的流量系数为0.4858,说明流道内为全紊流状态,有利于灌水器的消能,并可提高其抗堵塞性;灌水器进口及出口的压力变化很小,流道内沿水流前进方向压力均匀下降,流道单元相同时,压力变化幅度相同;流道内的流速可分为流道齿尖附近的主流区及齿脚附近的旋流区二个区,每二个单元之间的速度分布基本一致。采用CFD技术进行微压滴灌带结构设计是一种新方法,可快速准确地获得灌水器的水力特性,为其结构设计提供理论指导,同时大大缩短了研制周期,降低开发成本。     

农田滴灌装置输送管流场稳定性和结构优化设计

滴灌装置是现代农业机械自动化灌溉的重要装置之一,可有效提高水资源的利用率及灌溉的效率。为了提高滴灌装置流场的稳定性,提出了一种基于CFD数值仿真计算的灌水器水管结构优化方法,并利用GAMBIT软件建立了输送管的仿真模型,通过FLUENT软件的数值模拟计算,得到了不同滴灌装置输送管结构参数下的流场分布特性。仿真结果表明:仿真和实验结果的偏差在10%以内,结果较为可靠,在压力和排齿尖参量一定的情况下,输送管的流量随着齿尖角度的增大而增大,齿尖角度越小,流量越均匀和平缓;在压力和排齿尖角度一定的情况下,随着齿尖参量的增大,流量有降低的趋势。因此,建议齿尖角宜选择在60°左右,齿尖参差量宜选择为0.2 5左右。     

迷宫流道偏差量对灌水器水力性能及抗堵塞性能的影响

以齿尖偏差量分别为-0.25、0、0.25和0.50 mm的齿形流道结构形式的灌水器为研究对象,应用CFD单相流流场速度数值分析、CFD两相流沙粒浓度分布数值分析、试验样品清水和浑水测试相结合的方法,研究了偏差量对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响.结果表明:偏差量与流态指数呈正相关关系,与流量系数呈负相关关系,而随着偏差量的增加灌水器的抗堵塞能力也在下降,综合分析偏差量对水力性能和抗堵塞性能的影响,认为在满足流态指数的要求下应尽量减小偏差量以提高抗堵塞能力.     

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。     

不同冲洗措施下迷宫流道灌水器泥沙运行分布机理研究

评估了3种冲洗流速（0.25、0.50、0.75m/s）和5种冲洗频率（2d冲洗1次、4d冲洗1次、7d冲洗1次、10d冲洗1次和无冲洗对照组）对内嵌式齿形迷宫流道灌水器抗堵塞性能的影响,利用激光粒度仪对水源泥沙、滴头排出泥沙、滴头内滞留泥沙进行级配对比和粒径分析,并对不同冲洗处理下灌水器的相对流量和灌水均匀度进行拟合。结果表明：冲洗处理对齿形迷宫流道灌水器抗堵塞性能有显著影响,12种冲洗处理提高了内嵌式齿形迷宫流道灌水器的输沙能力,使滴头使用年限平均提高了39.58%;在冲洗作用下,泥沙凝聚沉降的机会降低,流道内小颗粒泥沙及时排出,没有形成体积较大的团聚体,滴头堵塞形成缓慢,灌水均匀度和流量系数下降缓慢;冲洗处理能有效减少毛管内泥沙堆积,降低大颗粒泥沙进入迷宫流道的机率,从而提高了齿形迷宫流道灌水器的抗堵塞性能。     

迷宫流道齿转角与齿间距对滴头性能的影响

以齿形迷宫流道为研究对象,齿转角和齿间距分别设置4个水平,采用两因素四水平全面试验方法设计,根据流体动力学两相流理论,利用Fluent 63软件对设计滴头进行了液固两相流数值模拟,分析了齿转角和齿间距对滴头水力性能和抗堵塞性能的影响．结果表明:齿转角、齿间距与流量系数均呈正相关关系,流量系数随齿转角和齿间距的增大而增大;齿转角对流态指数的影响较为复杂,以120°为转捩角呈2种变化趋势,当齿转角大于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先减小后增大的趋势;当小于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先增大后减小的趋势．提出以颗粒浓度的某个范围分析灌水器的抗堵塞性能的方法,流道内悬浮颗粒最高浓度的高低与高浓度区域所占比例并不完全一致,但最高浓度越高,则颗粒聚集的机会越大,发生局部沉淀的可能性就越大,高浓度区域所占面积也相对较大,滴头越易发生堵塞．     

基于CFD三维数值模拟的新型蠕动式滴灌灌水器水力性能研究

灌水器是滴灌系统中的核心部件。滴灌技术在农业节水灌溉系统中发挥着举足轻重的作用。针对传统滴灌灌水器流道易堵塞,结构较复杂,流量不稳定等缺点,提出一种新型蠕动式滴灌灌水器。该灌水器以转轮为核心部件,水流推动转轮间歇挤压具有较好弹性的软管,达到定时定量输水的目的。基于CFD三维数值模拟技术,对该滴灌器内部流道结构进行模拟,得到流量-压力关系式。蠕动滴灌器提高了滴头流道的抗堵性能,具有"自清洗"功能;装置结构简单,便于使用和安装。     

滴灌灌水器多类型流道的微压水力性能研究

微压条件下灌水器的水力性能相对于常压时会发生不同程度的变化。通过试验研究了八种灌水器在微压条件下的流态特征、出水均匀度及抗堵塞性能。结果表明,非压力补偿式滴灌产品在微压和常压下的流量变化率没有明显波动,清水下出水均匀性良好,而抗堵塞性能较差;压力补偿式滴头因为在微压下存在启动水压而影响了工作状态,当超过启动水压后其出水均匀性与常压时没有明显变化,抗堵塞性能良好,但是流量随压力增大而增大,没有起到压力补偿作用。     

Y型网式过滤器多目标优化正交试验

为了提高Y型网式过滤器水力性能和抗堵塞性能,以出口与筒体间夹角、入口缩小比、导流片高度和导流片圆心角为试验因素,采用CFD-DEM耦合和物理试验相结合的方法对过滤器内部的过滤过程进行探究。通过系列数值模拟正交试验结果的极差分析探索各因素对水头损失、中速过流量区域面积占比、颗粒分布相对标准偏差及拦截率4个指标影响的敏感度,结果表明：中、高速过流量区域均集中在出口侧,当出口与筒体间夹角越小时,出口截面积与其呈正相关,且对应中速过流区面积越大,水力性能越好。颗粒集中通过区域与中速过流量区域相对应,入口缩小比的增大使颗粒分布越均匀,抗堵塞性能越好。结构优化参数组合为：出口与筒体间夹角35°、入口缩小比22/26、导流片高度10mm、导流片圆心角90°,其中夹角对综合指标影响最为显著,是结构设计的关键参数。与改进前相比,水头损失减小了36.6%,相对标准偏差减小了43.26%,拦截率提高了3.93个百分点,中速过流量区域面积占比增加了15.77个百分点,表明了优化方案的有效性。研究结果可为网式过滤器的优化设计提供参考。     

地下滴灌抗负压堵塞的试验研究

通过室内试验,研究地下滴灌滴头负压堵塞与滴头出水口形式、滴头流量间的关系,发现滴头出水口形式对滴头抗堵塞性能影响显著。在窄缝、舌片、圆孔3种出水口形式中,窄缝式抗负压堵塞性能最好,但相同出水口形式时,小流量(小流道)滴头对抗负压堵塞有一定的优势。     

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.     

涌泉根灌灌水器抗堵性能试验研究

为了研究大流道涌泉根灌灌水器的水力性能及抗堵性能,在微灌产品测试平台上对其进行了水力性能和短周期抗堵测试,并与常规迷宫流道灌水器进行比较。结果表明,涌泉根灌灌水器流态指数为0.517,制造偏差为3.5%,属优等产品;在含沙水条件下,其出水均匀性高于95%;经强制加沙试验验证,涌泉根灌灌水器与常规迷宫流道灌水器相比,具有较强的抗堵塞能力,并且该灌水器流量大,适合旱地经济林灌溉。     

不同工作压力下穿孔形灌水器内的旋涡作用分析

为探究穿孔形流道内的旋涡对灌水器的抗堵塞与消能性能的影响,基于试验验证的数值模拟方法,对4种工作压力下流道中的流场分布、旋涡区的几何特征、涡旋强度及压力分布进行了分析,同时分析了该灌水器内不同粒径泥沙颗粒的运动情况.结果表明:旋涡区可对流道边壁进行持续冲刷清洗并减缓颗粒在流道内部的聚积,旋涡区可发挥抗堵塞作用;旋涡区内不同流速的流层间、旋涡区与主流区间、旋涡区与流道边壁间的摩擦作用都会消耗能量,旋涡区可发挥消能作用;旋涡区可在不同压力下形态稳定.以上分析表明,旋涡区在不同压力下稳定存在,并可提高滴灌灌水器的抗堵塞与消能性能,为灌水器的抗堵塞及水力性能优化提供参考.     

齿型迷宫流道灌水器水力性能数值模拟研究

【目的】定量探究流道结构参数与灌水器水力性能之间的互馈关系。【方法】研究齿角度(a)、齿底距(b)、齿高度(c)和流道深度(d)4个关键因素,选用L18(37)正交试验设计方案,通过室内测试与数值模拟,定量分析了流道结构参数对其水力性能的影响。【结果】采用四面体含边界层网格或混合多面体网格的模拟精度最高,采用标准k-ε计算模型,流量偏差率可控制在6.00%的误差范围内,可推荐作为齿型流道结构灌水器数值模拟时的参考设置模式;按显著性水平α=0.1检验,流道深度和齿高度对流态指数存在显著影响;此外,研究构建了流态指数与齿型灌水器关键结构参数之间的定量多元线性回归方程为;X=4.67×10-4a-0.005 4b-0.016 1c+0.041 7d+0.442 2,流量系数的回归方程为:K=0.211 1a+2.822 4b+1.796 5c+8.247 8d-11.584 9。【结论】齿型流道结构滴头的网格划分宜采用四面体含边界层网格或混合多面体网格型式,且流态指数和流量系数与齿型灌水器关键结构参数之间的关系可以通过多元线性回归方程表示。     

滴灌灌水器流道设计理论研究若干问题的综述

灌水器是滴灌系统最关键的部件之一,其结构与水力性能的优劣对滴灌系统的灌水均匀性、抗堵塞能力以及寿命影响很大。在简要论述国内外滴灌灌水器流道发展现状的基础上,从灌水器流量压力关系、流道内流体流动机理、流道堵塞与防治三个方面详细阐述了灌水器流道设计理论的研究进展,最后提出了滴灌灌水器流道的发展趋势以及国内在灌水器流道设计理论研究中急需解决的问题。     

波动水压滴灌系统设计与实验分析

针对恒压条件下灌溉系统容易堵塞和在堵塞条件下灌水器均匀度低的弊端,基于可编程控制器PLC和变频器控制技术,提出了一种波动水压灌溉系统。采用正交实验设计方法,取基准水压、波动周期和波幅3个波动参数为因素,设计灌水器在波动水压条件下的水力性能实验。实验结果表明,在正弦波动模式下,基准水压和波幅对灌水器平均流量和抗堵塞性能影响较大,合理的基准水压和波幅组合可以提高灌水器在堵塞条件下的平均流量和抗堵塞性能;而振动周期对灌水器均匀度的影响最为显著;通过对实验数据的线性回归,建立了基于波动参数的平均流量计算表达式,为波动水压滴灌实际应用提供了设计依据。     

弧型迷宫流道灌水器颗粒运移状态分析

弧形迷宫灌水器的消能方式主要为沿程水头损失,弧齿形迷宫灌水器主要为局部水头损失;弧形迷宫流道抗堵塞性能优于弧齿形,但其水力性能较差;颗粒在流道中发生旋转的临界速度约为0.5 m/s,当小于此速度时,颗粒易在漩涡处发生旋转,当大于此速度时,颗粒容易逸出漩涡进入主流道。因此,在设计弧齿形迷宫流道时,借助AutoCAD建模和计算流体动力学CFD数值模拟以及低成本PIV试件观测,减少流道内颗粒速度在0.5 m/s以下速度场的分布,以提高灌水器的抗堵塞性能。