滴灌灌水器水力特性及抗堵塞研究

论文摘要

迷宫流道结构灌水器的抗堵塞性能与水力性能主要受流道结构参数与固体颗粒特性的影响。本文以齿形流道、梯形流道为主要研究对象,以流道转角、流道高,流道宽、偏差量及梯形流道上底宽为主要结构参数,首先应用CFD单相流数值模拟技术对不同结构参数灌水器流道水力性能进行模拟,分析了不同结构参数对流态指数和流量系数的影响,其次,应用CFD两相流（含沙量为1%）数值模拟技术分析了结构参数对含沙量分布规律和抗堵塞性能的影响,然后,应用PIV可视化测试方法测试了固体颗粒在流道内运行轨迹及速度,分析了影响固体颗粒运动特性及流道内流体流态的基本因素,最后,对上述流道结构形式通过模具加工及滴灌带试制,进行了标准化测试（GB/T 17187-1997农业灌溉设备滴头技术规范和试验方法与ISO标准ISO /TC23 /SC18 /WG5N4短周期堵塞测试程序）,测试结果验证了CFD模拟结果,并提出了迷宫结构流道灌水器的抗堵塞设计方法。通过上述研究,本文取得了以下主要结论:1、梯形流道上底宽对流量系数和流态指数影响显著,且与流态指数和流量系数呈正相关关系;流道转角对流态指数的影响显著,且与流态指数和流量系数呈负相关关系。其它参数如偏差量、流道高、流道宽等对流量系数和流态指数的影响不显著,流道宽、偏移量与流态指数呈负相关关系,流道高与流态指数呈正相关关系;流道宽、偏移量、流道高与流量呈正相关。2、流道内最大含沙量的数值随结构参数的变化而变化,当最大含沙量增加时,增加了灌水器被堵塞的几率,降低了正常灌水天数。CFD模拟结果与样品试验结果具有较高的一致性,说明CFD固液两相流数值分析灌水器抗堵塞性能是可行的。在流道结构参数中,流道转角对灌水器的水力性能和抗堵塞性能有显著影响,当转角为60°时,灌水器流态指数相对较小,而抗堵塞能力相对较强,建议迷宫流道灌水器设计时宜采用60°转角。3、按照流道内较小含沙量等值线修改流道结构,消除部分含沙量较高的迎水面、背水面等流道拐角部位,并对修改的流道进行标准化,比较流道尺寸和水力性能,选择最优流道作为新的流道结构,能大幅下降流道内部的含沙量,增加灌水器有效灌水天数,提高了灌水器的抗堵塞性能,而且与修改前的流道相比,其水力性能也有所改善,此方法对提高灌水器抗堵塞性能提供了新的思路。4、对比分析不同直径和不同密度的固体颗粒运动轨迹线、速度线和路程的CFD模拟和PIV观测结果,表明CFD模拟和PIV观测流道内的颗粒运动规律比较接近,PIV观测颗粒运动时更加靠近水流的主流区因而可以获得较长时间的高速,但无法观测到整个流道的固体颗粒运行轨迹,而CFD却能对整个流道进行模拟。因此,对于流道内的颗粒运动分析应当结合两者的特点。通过PIV观测可知随着流道转角、流道宽增加,颗粒运动越紊乱,颗粒在流道内的运动时间、平均速度和路程越长;而偏差量对颗粒运动的影响与转角的影响接近,只是当偏差量较大时,颗粒可直接从两齿尖直接通过,而很少进入漩涡区,而颗粒一旦进入漩涡区,则其运动时间将大大加长,平均运动速度下降;流道高对颗粒运动的影响不明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外灌水器水力性能和抗堵塞性能研究进展
• 1.2.1 灌水器流道发展现状
• 1.2.2 灌水器流量-压力关系
• 1.2.3 流道内部流体运动机理
• 1.2.4 灌水器抗堵塞性能的研究进展
• 1.3 微尺度水力学研究进展
• 1.3.1 试验方法
• 1.3.2 数值模拟
• 1.3.3 流体流动试验研究进展
• 1.4 存在的问题
• 第二章 研究内容及研究方法
• 2.1 研究内容
• 2.2 研究方法与技术路线
• 2.2.1 研究方法
• 2.2.2 试验软件、设备
• 2.2.3 实验方案
• 2.2.4 技术路线
• 第三章 灌水器水力性能的数值模拟及验证
• 3.1 灌水器流道结构参数与水力性能影响的显著性分析
• 3.1.1 结构参数的选择及数学模型的确定
• 3.1.2 结果与分析
• 3.2 流道转角对水力性能的影响
• 3.2.1 参数与试验模型
• 3.2.2 结果与分析
• 3.3 偏差量对水力性能的影响
• 3.3.1 结构参数与数学模型
• 3.3.2 结果与分析
• 3.4 梯形流道正交试验
• 3.4.1 结构参数与数学模型
• 3.4.2 结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 灌水器抗堵塞性能的数值模拟及验证
• 4.1 沙粒特征参数选择
• 4.1.1 沙粒特征参数及几何模型
• 4.1.2 结果分析
• 4.2 齿形流道转角对含沙量的影响及抗堵性试验
• 4.2.1 结构参数的选择及数学模型的确定
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 齿形流道偏差量对含沙量的影响及抗堵塞试验
• 4.3.1 结构参数的选择及数学模型的确定
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 梯形流道抗堵正交试验
• 4.4.1 结构参数的选择及数学模型的确定
• 4.4.2 结果分析
• 4.5 流道抗堵性能优化及实验验证
• 4.5.1 结构参数的选择及数学模型的确定
• 4.5.2 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 流道内粒子运动模拟及验证
• 5.1 迷宫流道固体颗粒运动的CFD 模拟和PIV 试验
• 5.1.1 结构参数的选择及数学模型的确定
• 5.1.2 结果分析
• 5.2 迷宫流道固体颗粒运动的PIV 试验
• 5.2.1 结构参数的选择及设备
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 灌水器结构参数对固体颗粒运动的影响
• 5.3.1 固体颗粒直径及设备
• 5.3.2 流道转角对固体颗粒运动的影响
• 5.3.3 不同流道宽对固体颗粒运动的影响
• 5.3.4 不同齿高对固体颗粒运动的影响
• 5.3.5 偏差量对固体颗粒运动的影响
• 5.4 不同结构形式下PIV 观测的颗粒运动规律
• 5.4.1 固体颗粒直径及设备
• 5.4.2 平直流道颗粒运动规律
• 5.4.3 齿形、半圆形及正弦形流道颗粒运动规律
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论与创新点
• 6.1.1 主要结论
• 6.1.2 创新点
• 6.2 问题及建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介