迷宫流道转角对灌水器抗堵塞性能的影

以转角分别为45.0°、60.0°、67.5°和75.0°的齿形流道灌水器为研究对象,应用CFD流场速度数值分析、PIV颗粒运动轨迹线和速度观测对比以及浑水抗堵塞测试相结合的方法,研究了转角对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响.结果表明转角与流量系数及流态指数均呈负相关关系,而灌水器的抗堵塞能力随着转角的增加呈下降趋势.综合分析转角对水力性能和抗堵塞性能的影响,提出迷宫流道结构灌水器的合理转角为60.0°.     

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。     

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。     

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。     

星形微管灌水器水力性能试验研究

设计了一种发散式星形微管灌水器,并对其进行了自由出流水力性能试验研究。结果表明:在测试压力范围内,星形微管灌水器流态指数为0.59~0.65,流量偏差系数均在0.09以内,灌水器制造偏差与压力变化无关。通过灌水器流态指数、制造偏差系数对总流量偏差系数的影响的分析表明:在进行水力设计时,选用流态指数大但制造偏差小的灌水器可以满足滴灌均匀度要求,设计的星形微管灌水器具有较高推广价值。     

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.     

几种微灌灌水器均匀度试验研究

对国产的2种压力补偿式滴头、3种稳流器、1种内镶式滴灌管和1种发丝滴头进行了水力性能测试,分析灌水器不同工作压力区间内的流态指数,并以制造偏差和流态指数为主要影响因素,对灌水器进行了水力性能评价。结果表明:压力补偿式灌水器存在最优压力区间,在此区间内灌水器流态指数较小、水力特征曲线平滑;非压力补偿式灌水器在整个压力区间内流态指数稳定、水力特征曲线稳定连续;供试的5种压力补偿式灌水器制造偏差系数较大,为0.14~0.30,而2种非补偿式灌水器制造偏差系数较小(0.02左右)。通过灌水器流态指数、制造偏差系数对综合流量偏差系数的影响的分析表明:灌水器制造偏差对系统灌水均匀度的影响很大,在进行微灌工程水力设计时,应给予高度重视。     

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．     

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.     

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.     

小位差比率射流元件内部流场PIV试验

采用PIV测试技术对小位差比率射流元件内部附壁射流流动进行了测量,得到了射流元件附壁流动速度场分布以及附壁点位置的准确数据,从而为数值模拟研究提供参照和判断。分别研究了流量、位差比率、补气孔距离、盖板尺寸对射流元件附壁流场的影响,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明:一定范围内,流量和工作压力对附壁点位置基本无影响;小位差比率下附壁点距离比随位差比率增大而增大,得到了小位差比率下附壁点距离比与位差比率之间的关系式;附壁点距离随补气孔开孔位置变化先减小后增大;位差比率和盖板尺寸对射流元件附壁效果影响较大。     

弹簧板式明渠测流装置的水力特性

为提高灌区精准量水技术,设计了一种基于弹簧形变量与渠道过水断面瞬时流量之间关系的明渠测流装置.该装置的模型试验在矩形渠道中,选定流量范围为20~85 m³/h,共在14个流量工况下进行.结合理论分析及数值模拟对该装置的流量公式、测流精度、水头损失等量测特性进行分析.研究结果表明:渠道过水断面瞬时流量Q同形变量d与参数C₁之和呈5/6次方关系,在量测板板宽为30,40,50,60 mm时Q与d+C₁的5/6次方的线性相关性良好;拟合得到弹簧板式测流装置的流量公式,公式计算流量和试验时的实测流量相吻合,最大相对误差为4.56%,其中板宽40 mm时的最大相对误差为1.43%;量测板上游水位的模拟值和实测值最大相对误差为4.54%,模拟结果与实测结果吻合;量测板产生的水头损失随着板宽的增加而增加,在板宽小于40 mm时,水头损失占比总水头均小于10%.研究成果为弹簧板式测流装置在灌区的应用提供了理论依据.     

半湿润区苹果树冠层降雨截留模型应用研究

基于苹果树冠层截留的观测数据,研究了苹果树的冠层截留特征。结果表明,①果树冠层截留量、穿透雨量、树干茎流量均与降雨量有着明显的相关性。冠层截留量与降雨量之间呈对数关系;穿透流量、树干茎流量与降雨量之间分别呈线性关系。林外降雨大于1mm时产生穿透雨,大于1.5mm时产生树干茎流。果树冠层平均截留率为18%,冠层饱和截留量为7.5mm。②通过29场降雨试验,获得了适合京郊苹果树的冠层截留模型,并对该模型与常见冠层截留模型的模拟结果进行了对比分析。     

全射流喷头内部附壁点距离的计算

阐述了全射流喷头中水射流附壁点的距离是喷头射流元件设计的关键尺寸．基于Bourque理论,采用控制面模型,计算了全射流喷头内射流附壁点的距离,并与试验结果和相关文献进行对比,发现在射流扩散系数取9时,计算值与试验值接近．讨论了影响附壁点距离的各种因素,包括位差、壁面倾角、射流流量、射流扩散系数等．研究发现,可通过增大偏移率,增大壁面倾角来增大射流元件中附壁点距离,其中以改变壁面倾角最为显著,流量的改变几乎不影响附壁距离．研究结果对于改进全射流喷头射流元件的设计具有指导意义．     

光固化果蔬采摘气动软体抓手设计与试验

针对目前软体抓手的制造方式(如软体平板印刷、失蜡铸造等)存在成型工艺复杂、粘结不牢靠、接缝处易撕裂等问题，设计了一种光固化成型软体采摘抓手一体式结构，通过正、负压驱动，可实现果蔬的自适应抓取。首先，基于Yeoh模型，研究了软体驱动器弯曲变形运动中的非线性力学特性，得出腔体内部压强与驱动器弯曲角度之间的非线性关系模型。然后，通过Abaqus有限元软件分析软体驱动器的弯曲特性，得到各主要结构参数对弯曲角度的影响规律，并结合正交试验法得到最佳的结构参数组合：软体驱动器的腔体壁厚为1.6 mm、腔体个数7、腔体间隙3 mm、底层厚度3 mm。最后，根据最佳的结构参数组合制造软体采摘抓手样机，并将其安装在试验平台上进行果蔬抓取试验，验证了光固化一体成型软体采摘抓手的实用性。     

弹性片特性对压力补偿滴头水力性能的影响

为了探明弹性片性能与滴头水力性能之间的关系,提高建立压力补偿滴头设计方法,采用滴头样品进行水力性能测试,研究了弹性片硬度和厚度对迷宫流道结构滴头流量系数、流态指数、起调压力、补偿区间的影响.结果表明:弹性片硬度和厚度对滴头流量影响具有统计学意义(P≤0.01),且硬度对滴头流量的影响程度大于厚度;弹性片硬度和厚度均与流量系数、起调压力、补偿区间呈正相关关系,与流态指数呈负相关关系;存在适宜的弹性片特性范围,使不同结构压力补偿滴头拥有较小的起调压力、最小的流态指数和最大补偿区间.该试验滴头在弹性片硬度为60 HA、厚度为1.2 mm时,流态指数最小,其值为0.078.建立了弹性片特征参数与滴头流量、流态指数、起调压力和补偿区间的数学关系,可为压力补偿滴头的快速开发提供一定的理论依据.     

滴灌灌水器迷宫流道结构对泥沙运动的影响

采用基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日固液多相湍流模型,选用夹角、上底宽、齿高、齿尖参差量、流道宽等五因素四水平组成16个迷宫流道模型,进行水沙运动CFD-DEM耦合数值模拟,分析沙粒群通过率、速度下降百分数、沙粒群运动和分布规律。结果表明:沙粒群通过率能有效描述迷宫流道的抗堵塞性能,沙粒群通过率与沙粒速度下降百分数呈负相关,沙粒群整体速度下降是影响迷宫流道内沙粒通过率的核心因素;沙粒速度的变化取决于流道内水流运动特性,而夹角、流道宽是影响水流特性的主要流道结构参数,其中夹角具有显著性影响;较优结构中可使沙粒始终受曳力牵引,大部分沙粒运行于主流区中,保持较高的运动速度,速度下降较小,动能损失少,通过率高,减少了被堵塞的机率;该方法统计了沙粒群运动及分布规律,从微观角度分析迷宫流道内沙粒运动,将有效提高迷宫流道结构设计效率。     

Numerical and experimental investigations on internal flow characteristic in the impact sprinkler

An integral 3D numerical model based on the structural characteristics of the impact sprinkler was constructed to simulate the relationship between flow rates and inlet pressures as well as the flow field distribution by computational fluid dynamics (CFD). A commonly used PY₁40 sprinkler in China with three different flow straighteners in lengths of 80, 140 mm and 200 mm respectively and without flow straightener was investigated under inlet pressures ranging from 300 kPa to 500 kPa numerically and experimentally. The simulation results obtained revealed that the predicted relationship of flow rates and inlet pressures was in good agreement with the measurements. Fixing a proper flow straightener can effectively improve the turbulent flow state inside the sprinkler and lead to a more uniform velocity at the nozzle outlet. The sprinkler with a flow straightener resulted in a larger pressure loss within the internal flow than the sprinkler without flow straightener. A longer flow straightener caused a smaller turbulent kinetic energy at the nozzle outlet, which indicated that the length of flow straightener had no significant effect on the flow rate. As well, it was found that reversed flow happened near the nozzle outlet with a diffused angle of 90° could be observed clearly. The decrease of the diffused angle from 90° to 60° can supply a larger flow rate, which was verified by an experiment.     

甘蔗收获机喂入分流系统的设计与试验

甘蔗收获机普遍使用的双圆盘切割台系统在收获过程中存在明显"居中堵塞现象"。为了合理利用收获机物流通道空间,使喂入的甘蔗流主动分流居中并行且均匀输出,设计了一种新型的甘蔗收获机喂入分流系统,通过三维设计软件Pro/E建立了甘蔗喂入分流机构虚拟样机模型,并导入多体动力学仿真软件ADAMS,在不同的分流转速、分流辊上的橡胶管按不同的角度安装及选择不同的橡胶管与甘蔗的摩擦因数进行了虚拟仿真试验并在仿真的基础上进行了物理样机实验。仿真与样机实验表明:当此机构分流辊机构转速为300r/min、分流辊上偏置胶管的偏置角度为30°,且偏置胶管与甘蔗间的静摩擦因数f0=0.3 5、动摩擦因数f1=0.2 5时,在保证甘蔗进给速度的前提下,可以使甘蔗流分布较为理想。     

芦苇收割机拨齿机构仿真设计

拨齿及传动装置是芦苇收割机中的关键部件。如何进行有效收割是芦苇收获的关键问题,而有效收割的关键是拨齿轨迹规划。通过对芦苇收割机的拨齿及运动机构进行研究,选择有急回特性的曲柄连杆机构来实现拨齿的弧形运动轨迹。依据收割需求,依据理论关系式计算出机构曲柄长度250 mm、摇杆长度330 mm、连杆长度690 mm和机架长度650 mm。然后,确定曲柄连杆机构驱动装置,考虑左右拨齿的曲柄转向相反、转速相同,且两曲柄始终保持180°角度差的联动要求,确定以相同尺寸链轮的链传动和相同尺寸齿轮的一级齿轮传动相互配合来实现该联动,根据需求,确定链和齿轮的关键尺寸。依据曲柄连杆、拨齿,以及链轮和齿轮尺寸,用Pro/E软件进行各零件绘制并进行装配,从而对设计机构进行运动仿真。通过参数调整,实现拨齿在连杆上的位置偏置75°时,有不错的收获效果,验证了设计的拨齿机构运动轨迹满足设计要求。该设计和仿真思路可对相关收获机的设计有一定的参考价值。