涌泉根灌灌水器设计与性能研究

论文摘要

灌水器性能是影响微灌系统成本与灌水均匀度的重要因素之一,也是评价灌水器质量的一个重要指标。本文突破常规迷宫流道尺寸的限制,设计了超大齿形迷宫流道和螺旋齿形迷宫流道,应用计算流体力学数值模拟分析软件Fluent6.2,对不同结构参数的灌水器进行了模拟计算,在不同压力条件下,对不同截面面积、截面形状的流道水力特性进行了分析,利用快速成形技术和钢模具先后加工了RP试件和塑料材料产品,并进行了灌水器水力性能与抗堵塞性能的验证试验。通过上述研究,取得了以下主要结论:(1)针对经济林节水灌溉的特点和要求,打破常规迷宫式流道的尺寸限制,设计出水力性能优良的超大尺寸螺旋迷宫流道,并应用该流道发明了两种涌泉根灌灌水器。发明的灌水器专门为经济林地下灌溉使用,可显著提高灌水器的抗堵塞性能,并极大的延长产品的使用的时间。(2)灌水器截面结构参数(截面积和形状)的改变对灌水器流量系数影响大,对流态指数影响较小。对流量系数k影响最大的流道断面因素依次是水力半径、截面面积、宽深比和湿周,对流态指数x影响最大的流道断面因素依次是水力半径、宽深比、截面面积和湿周。设计大流量的流道,可以通过放大断面积尺寸实现,但要注意结合考虑断面形状,使流态指数尽量小。(3)流道的消能作用与流道内部的速度分布规律有着密不可分的关系。超大迷宫流道横断面中心的流速最高,越向截面边界流速越低;螺旋迷宫流道横断面上,流速分布并非中心最高、向四周减速的均匀分布,而是靠近流道外侧壁的中点处有最高流速,然后呈U型向内侧和周围递减。随着横截面面积减小,低速部分占整个流道截面积增加,两种流道均符合这一规律。螺旋流道在主流区之外,出现与主流相对称的漩涡,以及由于离心力的作用,高速区冲刷流道外侧壁,均引起流道内部水流能量的消耗。(4)设计的螺旋迷宫流道和超大迷宫流道的流态指数分别为0.4984和0.5201,都属于紊流流道;额定工作压力下(10m)的流量符合设计要求;灌水器制造流量偏差为3.7%,属于优秀等级;经强制加沙试验验证了涌泉根灌灌水器具有较强的抗堵塞能力,以及超大迷宫流道设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 灌水器发展现状
• 1.2.2 灌水器性能评价标准
• 1.2.3 灌水器性能研究方法
• 1.2.4 灌水器结构参数对性能的影响
• 1.3 存在问题
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法与技术路线
• 第二章 涌泉根灌灌水器设计
• 2.1 灌水器性能综合评价
• 2.2 涌泉根灌灌水器结构设计
• 2.2.1 设计要求
• 2.2.2 结构设计
• 2.3 涌泉根灌灌水器流道设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 灌水器性能数值模拟
• 3.1 CFD 模拟研究方法
• 3.1.1 CFD 基本控制方程
• 3.1.2 湍流模型
• 3.1.3 网格划分与边界条件确定
• 3.2 模拟结果与分析
• 3.2.1 流道断面形状对水力性能的影响
• 3.2.2 螺旋流道对水力性能的影响
• 3.2.3 内部流动特性分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 灌水器性能试验研究
• 4.1 试验平台与测试方法
• 4.1.1 水力性能试验平台
• 4.1.2 试验方法与步骤
• 4.1.3 试验用灌水器
• 4.2 清水条件下水力性能试验
• 4.2.1 涌泉根灌灌水器样品水力性能
• 4.2.2 滴灌常用灌水器水力性能
• 4.2.3 灌水器性能综合评价
• 4.3 含沙水对水力性能的影响
• 4.4 抗堵塞性能试验
• 4.4.1 试验用灌水器
• 4.4.2 强制加沙试验方案
• 4.4.3 结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 需进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介