论文题目: 滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 农业水土工程
作者: 李云开
导师: 杨培岭,任树梅,李光永
关键词: 分形流道,滴头,粒子图像测速,计算流体动力学
文献来源: 中国农业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 滴头是滴灌系统最关键的部件之一,我国设计主要是以引进和仿制为主,国内还没有一种具有自主知识产权而水力性能和抗堵塞性能俱佳的滴头,究其原因主要是缺乏流道设计理论指导。本文就是利用分形几何理论构造滴头流道,并将数字式粒子图像测速技术（DPIV）、平面激光诱导技术（PLIF）、计算流体动力学（CFD）理论应用于流道研发中,形成了滴头分形流道设计理论和平台,主要的研究内容与成果包括: 建立了基于CAD-CFD联合运用、滴头平面模型的滴头分形流道技术开发平台,提出了基于AutoCAD技术和读数显微镜联合应用的滴头流道几何参数测试方法。 基于分形几何构造复杂分形体的能力以及紊流本质的分形特征,创造性地利用Koch、Minkowski曲线为中心线或边界线构建了能够满足滴头制造的分形流道,实现了滴头流道的全紊流设计。经通径分析发现分形流道流量系数主要与流道横截面面积、流道长度有关;流道几何参数对流态指数影响微小,可以忽略不计,流态指数主要与流道结构形式有关。经量纲分析和圆管紊流理论分析表明流道内部流动的雷诺数Re对流道摩阻系数λ影响很小,可以忽略不计;λ随RDf/Ln的增加而线性增加,对于滴头流道这种连续扰动引起的水头损失符合线性叠加规律。 探索性的利用显微镜物镜改装CCD相机构建了滴头流道流场的DPIV测试系统,并合作研发了DPIV示踪的荧光粒子,实现了DPIV技术与PLIF技术的结合,成功解决了流道内流动PIV测试中的图像分辨率与拍摄区域间的矛盾问题以及图像噪声干扰,国内外首次在滴头流道流动研究中实现了全场无扰测试。测试结果表明:在1.0-15.0m压力范围内分形流道与迷宫式流道内部流动为紊流,并未呈现出流态转捩行为,其主要是由于滴头流道边界复杂,更有利于水流从层流向紊流的转变;两种分形流道都存在一定的流动滞止区。 借助所构建的DPIV系统以及CFD方法对迷宫式流道内部断面平均流速以及高速区与二次流动区的大小和分布等进行研究,表明CFD数值模拟方法在滴头流道这种临界尺度流体流动研究中是适用的,并能够较为准确的预报滴头的流量-压力关系。 CFD数值模拟结果表明分形流道的紊流强度比迷宫流道的紊流强度要高,构建分形流道是同时提高水力性能和抗堵塞性能的有效途径之一。借助CFD数值试验研究提出了基于流道内部流速分布的常规滴灌和微重力滴灌用滴头分形流道优化设计方法,并建立了面向不同流量需求的滴头分形流道成型设计模式。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
1.2 国内外滴头流道设计理论研究进展
1.3 国内外微尺度流体流动研究进展
1.4 分形几何理论基本原理与滴头分形流道设想
1.5 本文的研究内容与思路
第二章 滴头分形流道设计开发技术平台建设
2.1 国内外滴头开发的技术过程
2.2 基于CAD-CFD联合运用的流体机械研发思路
2.3 滴头分形流道设计开发技术平台构建
2.4 滴头分形流道开发技术平台关键技术内容
2.5 小结
第三章 滴头分形流道设计的理论与技术研究基础
3.1 材料与方法
3.2 迷宫式流道滴头水力特性分析
3.3 迷宫式流道内部流态特性分析
3.4 圆柱型迷宫式流道滴头平面模型水力特性
3.5 小结
第四章 滴头分形流道结构CAD设计及其水力性能研究
4.1 滴头分形流道CAD结构设计
4.2 分形流道滴头的水力性能
4.3 分形流道结构参数对水力性能的影响
4.4 小结
第五章 滴头分形流道消能机理的圆管紊流理论分析
5.1 国内外滴头流道水力学特性研究进展
5.2 基于圆管紊流理论的分形流道消能分析
5.3 分形流道消能摩阻系数的量纲分析
5.4 分形流道摩阻系数的变化规律
5.5 小结
第六章 滴头分形流道内部流体流动的DPIV试验研究
6.1 PIV技术背景与测试原理
6.2 滴头流道内部流场测试的DPIV系统构建
6.3 分形流道内部流体流动流速分布
6.4 小结
第七章 滴头分形流道内部流体流动的CFD数值模拟
7.1 滴头流道内部流体流动的数学描述与模型求解
7.2 圆柱型滴头迷宫式流道内部流体流动的CFD数值模拟
7.3 滴头分形流道内部流体流动的CFD数值模拟
7.4 小结
第八章 滴头分形流道边界的优化设计与成型
8.1 分形流道优化设计数值试验处理
8.2 分形流道优化设计处理的网格划分
8.3 不同圆弧半径优化对分形流道水力性能的影响
8.4 不同圆弧半径优化对分形流道抗堵塞性能的影响
8.5 面向不同流量需求的滴头分形流道成型设计
8.6 小结
第九章 结论与建议
9.1 结论
9.2 进一步研究的建议
参考文献
致谢
附图
作者简介
发布时间: 2005-07-18
参考文献
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