三角绕流滴灌灌水器结构设计和优化

以三角绕流滴灌灌水器结构的流道单元为研究对象,利用Pro/E软件完成灌水器造型设计,结合计算流体动力学软件Fluent 6.3模拟分析流道的水力性能,研究此类灌水器的湍流特性,揭示其内部湍流流动机理,并对流道结构进行优化。根据分析结果,通过改变外部大三角的形状与内部小三角的形状和位置,对流道单元进行结构优化,得出一种流态指数小于0.5,流道内速度分布均匀,流量在滴灌允许范围内,抗堵性能优良的三角绕流灌水器结构。     

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。     

改进的滴灌双向流道结构参数对水力性能影响

为了在现有滴灌管(带)生产设备加工成型,改进了滴灌双向流道结构.针对这一新型流道,探索分析流道结构参数对其水力性能的影响.以流道4个关键结构参数为因素,基于正交试验设计方法,设计16组方案并制作流道样件,进行水力性能试验.采用极差分析和方差分析研究各结构参数对水力性能的影响效应.利用多元线性回归,建立流态指数和流量系数与4个结构参数的回归模型.结果表明,流道过水宽度,对流态指数的影响最显著,分水件与边壁距离的影响最小;分水件与边壁距离对流量系数的影响最大.回归模型效果显著,且准确度较高,可用于流道流态指数、流量系数的预测,研究结果可为新型双向流道的参数化设计及其结构优化,提供一定的理论指导.     

大流量压力补偿式灌水器水力性能

为了研发一种适用于经济林灌溉的大流量压力补偿式灌水器,利用Pro/E软件完成了灌水器的三维造型,并利用激光快速成型制作出了灌水器样件,通过正交试验研究了灌水器垫片厚度、垫片硬度和基座下腔高度等补偿区结构参数对灌水器补偿区内的流态指数和额定流量(压力补偿区内的平均流量)的影响顺序及影响显著性.结果表明,下腔高度对起调压力及额定流量影响显著、垫片硬度和厚度对起调压力及额定流量影响不显著;垫片厚度对灌水器流态指数影响显著,下腔高度和垫片硬度对流态指数影响不显著;结构参数最优组合为:垫片厚度为1.3 mm,垫片硬度为50°,下腔高度为4 mm;补偿区结构参数为此组合时,灌水器补偿区间为50~400 kPa,流态指数为0.055 1,额定流量为13.10 L/h.该研究结果可为大流量压力补偿式灌水器的开发提供一定的科学依据.     

新型分段插杆式灌水器结构设计及 水力特性研究

传统的灌水器过流截面积一般在1 mm~2以下,极易造成流道结构堵塞。以插杆式灌水器为基本研究对象,采用大截面积迷宫流道结构尺寸,并创造性的设置了螺旋分流道,采用正交试验的方法仿真分析了螺旋分流道的关键特征结构尺寸对灌水器水力特性的影响。研究结果表明,螺旋分流道的加入,增强了灌水器内部水流的紊动效应,实现了大截面积迷宫流道内水流流态由层流向紊流的转变;提出了灌水器水力特性参数与螺旋分流道关键结构参数之间的关系式,指出螺旋分流道圆弧半径R对流量系数k和流态指数x影响最大,为灌水器水力特性的优化提供了参考。     

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.     

圆柱型迷宫式流道滴灌灌水器平面模型试验研究

在流道内的流体流动研究中引入PIV等先进的图像全场测速技术,关键是解决塑料灌水器模型本身的圆柱型以及不透明问题。以AutoCAD技术和读数显微镜相结合的方法测量灌水器迷宫式流道几何参数,探索性地借助不锈钢电火花线切割技术构建了圆柱型灌水器的平面模型,结果表明:平面模型与塑料原型的流态指数非常接近,利用电火花线切割技术可行;流量系数差异较大,应该选择粗糙度合适的平面模型上下表面材料;灌水器流道内部流动可以忽略材料极性引力的影响,流道深度对灌水器出流的影响主要是流量系数,而对于流态指数影响极小。     

双迷宫流道左侧内齿参数对其水力性能的影响

为探究双迷宫流道灌水器内部结构变化对其水力性能的影响,以其竖向流道左侧不同单内齿位置及内齿高度组合为靶向,基于CFD软件建立灌水器水力性能数值模拟模型,计算了9种进口压力下,15种单内齿位置与高度组合的水力性能指标,并通过与同结构的物理试验进行验证,结果表明:无论单内齿位置如何变化,灌水器的流态指数总是随单内齿高度的增加呈先增大后减小趋势,流量系数随单内齿高度的增加呈递减趋势;对于相同的单内齿高度,灌水器流态指数随单内齿在竖向流道的位置由高到低呈先增后减的趋势,而流量系数随单内齿位置变化的影响较小;当单内齿位置在竖向流道左下侧,且内齿高度为0.5 mm时,灌水器流态指数最小,水力性能好。     

改进型双向流流道滴灌灌水器参数设计研究

为研究改进型双向流流道滴灌灌水器水力性能及其与结构参数之间的关系,利用正交试验设计法,取灌水器的6个结构参数作为因素,形成25组方案,在0.05～0.25 MPa 5个不同压力下,进行水力性能测试。结果表明,25组方案流态指数为0.401～0.498,0.10 MPa时的最小流量为1.50 L/h,其水力性能良好,且流量相对较小。极差分析结果显示,挡水件与流道上壁间夹角α对流态指数影响最大,且呈正相关;利用回归分析,建立6个结构参数与流态指数间的回归模型,结果显示其相关性良好;试验验证表明,该回归模型能较准确地预测流态指数,实现了改进型双向流流道参数化设计,并对其结构优化具有一定的理论参考。     

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。     

齿间角对迷宫灌水器水力特性影响的数值模拟

为了探究迷宫流道齿间角对灌水器水力性能的影响,应用CFD流场和速度场的数值分析方法,研究齿间角度分别为50°,60°,70°和80°时正齿型和斜齿型迷宫灌水器的流场和速度场随齿间角的变化规律.研究结果表明:相比于RNG k-ε模型和SST模型,标准k-ε模型的计算结果与试验结果更加接近;正齿型和斜齿型迷宫灌水器通道内主要存在2处低速回流区,即齿型的左上侧低速回流区和右下侧低速回流区;相比于正齿型迷宫灌水器,斜齿型迷宫灌水器左上侧的低速区域较多,而右下侧的低速区域较少;随着齿间角度不断增加,灌水器内的流量不断增大,斜齿型迷宫灌水器内的流量增加受齿间角度的影响更为明显;正齿型迷宫灌水器的流量系数较大,但流态指数较小, 齿间角度为70°的正齿型迷宫灌水器的流态指数在所有灌水器中最小,其水力性能最好.     

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.     

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。     

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.     

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。