迷宫型灌水器滴头数值模拟及快速原型制造

论文摘要

滴灌是当代兴起的农业高效用水的一项新理论、新技术，对世界范围内的农业现代化起到了有力的推动作用，在滴灌关键部件——灌水器滴头的开发中，传统的研发周期长，而且由于灌水器上的迷宫型流道尺寸微小，不便于实验测量；存在于迷宫流道中流动状态的涡旋区和速度滞止区等，由于没有成熟的理论指导迷宫型流道的设计，这些都制约着灌水器滴头的自主研制。本文将小流道中流态的计算流体力学(CFD)数值模拟分析、快速原型制造技术(RP&M)应用于迷宫型灌水器的开发中，为实现灌水器滴头的快速研制开拓了一条新路。针对灌水器滴头的各种微小迷宫流道中的流动情况，应用基于计算流体力学(CFD)的专业化软件FLUENT进行各种迷宫流道的流态分析，得到可视化的压力和速度分布图，充分揭示了迷宫流道内部的流场及压力场的情况，解决了灌水器流道内流态不可见的问题，为高性能灌水器滴头的研制提供理论依据和指导。为了从迷宫流道的结构设计上解决灌水器的堵塞问题，本文首先对圆直管、方直管和90°弯管进行了模拟计算，从而验证了FLUENT软件对微小流道的数值模拟的可行性，然后分别对传统的梯形和圆弧形迷宫流道进行了数值模拟计算，揭示了迷宫流道内部流场及压力场的分布情况，在此基础上分析了迷宫流道的堵塞机理，针对流道中存在的涡旋区和流动滞止区，以滴头流道内流场的三维数值模拟结果为基础，以减少非主流流动区域面积和避免出现涡旋区和流动滞止区为基本准则，对梯形和圆弧形迷宫滴头流道的结构形状进行改造和优化设计，优化后的流道有效地消除流道中的涡旋区和流动滞止区，使得流道内速度分布趋于均匀并减少了低速流动区域，使细小杂质可被水携带出滴头流道，消除杂质沉积的流体动力学条件，从而提高了迷宫型灌水器滴头的抗堵性能。本文最后应用Pro/Engineer和RP技术进行迷宫型灌水器滴头的设计和制造。不仅能实现新产品的快速开发，并能实现产品原型设计和生产制造的系统集成。而且激光快速成型系统具有快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件功能，从而可对滴灌灌水器设计进行快速评价、修改及功能试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 课题提出的背景及意义
• 1.1.1 课题提出的背景
• 1.1.2 课题提出的意义
• 1.2 滴灌技术
• 1.2.1 滴灌系统
• 1.2.2 滴灌技术发展的状况
• 1.3 滴灌技术存在的问题
• 1.3.1 灌水器堵塞机理和处理方法
• 1.3.2 灌水器流道结构堵塞机理及国内外研究现状
• 1.4 研究方法
• 1.4.1 计算流体动力学基础知识
• 1.4.2 Flueni简介
• 1.4.3 有限体积法简介
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 数学模型的建立及数值计算方法
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 层流时流道中流体的控制方程
• 2.1.2 紊流时流道中流体的控制方程
• 2.2 流道内的水头损失
• 2.2.1 沿程损失
• 2.2.2 局部损失
• 2.2.3 流量与压力的关系
• 2.3 SIMPLE算法
• 2.4 网格划分
• 2.4.1 壁面函数
• 2.4.2 两层模型的壁面函数
• 2.5 边界条件
• 2.6 残差及收敛准则
• 2.7 本章小节
• 第三章 数学模型的验证计算
• 3.1 圆直管流道流动特性分析
• 3.1.1 层流计算
• 3.1.2 紊流计算
• 3.2 方直管道和方弯管道内的流态分析
• 3.2.1 方直管道内的流态分析计算
• 3.2.2 方弯管道内的流态分析计算
• 3.2.2.1 层流模拟计算
• 3.2.2.2 紊流模拟计算
• 3.3 本章小节
• 第四章 流道内流动特性的数值模拟及优化
• 4.1 梯形流道的模拟分析
• 4.1.1 梯形迷宫流道流体分析模型的建立
• 4.1.2 梯形迷宫流道内的流态模拟分析
• 4.1.3 结果分析
• 4.1.4 堵塞机理分析
• 4.2 圆弧形流道的模拟分析
• 4.2.1 圆弧形迷宫流道流体分析模型的建立
• 4.2.2 圆弧形迷宫流道内的流态模拟分析
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 迷宫型滴头流道优化及模拟计算
• 4.3.1 迷宫型流道的结构优化方案分析
• 4.3.2 迷宫流道的优化设计方案一
• 4.3.3 优化后流道的数值模拟计算
• 4.3.4 结果分析
• 4.3.5 主体单元段压降分析
• 4.3.5.1 层流时流道内的压降
• 4.3.5.2 紊流时流道内的压降
• 4.3.5.3 流道内的压降结果分析
• 4.4 迷宫流道的优化设计方案二
• 4.4.1 优化设计方法
• 4.4.2 优化后流道的模拟计算
• 4.4.3 优化结果分析
• 4.5 本章小节
• 第五章 迷宫型滴头的模型设计与制作
• 5.1 Pro/Engineer与RP技术
• 5.1.1 Pro/Engineer技术
• 5.1.2 RP技术
• 5.2 迷宫型灌水器 CAD结构分析
• 5.3 迷宫型灌水器三维模型设计
• 5.3.1 滴头三维设计的原则
• 5.3.2 滴头的 Pro/ENGINEER软件三堆建模
• 5.4 利用快速原型制造技术制作灌水器原型
• 5.5 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录（攻读学位其间发表论文目录）