非圆形域喷头调节器的内部流场研究及性能测试

论文摘要

随着世界性水资源的日趋紧张，采用包括喷微灌在内的节水灌溉技术已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。一种新型喷灌技术——非圆形域喷洒灌溉技术，利用变量喷洒可控域精确灌溉喷头组合进行喷灌，从根本上解决现有圆形喷洒域喷头从几何学上不利于组合的问题。本文围绕非圆形域喷洒灌溉技术关键技术的实施进行了较为全面深入的研究，并引入了流动数值模拟技术，分析了流道结构与能量损失等的关系，从而为设计出高效率、低能耗的射程调节机构提供理论依据。非圆形域均匀灌溉喷头是根据被灌溉地块或区域形状变化的要求进行喷洒的一种精确灌溉喷头。本文总结了国内外非圆形域均匀灌溉喷头研究进展及实现方法，指出了国内研究和应用中存在的主要问题。通过理论分析，研究了非圆形喷洒域均匀灌溉喷头的实现。在总结国内外现有实现方法的基础上，给出了非圆形域实现机构的一般组成。并以正方形和正六边形喷洒域为例，研究了非圆形喷洒域均匀灌溉喷头工作时射程的变化规律以及射程、流量、转速应服从的关系。非圆形域喷头的工作方程表明，喷头的流量与射程平方和转速的乘积成正比。在分析与总结国内外流体流动模拟研究的基础上，探讨开展非圆形域喷头调节器内部水流运动数值模拟的意义。本文以调节器内部三维湍流流场为研究对象，采用数学分析和数值模拟方法对湍流管内流场结构进行研究。利用三维雷诺时均Navier-Stokes方程和Realizable k- e两方程湍流模型，以商用软件FLUENT作为研究平台，对进出水流道中的流态进行了数值计算与分析，获得了整个流域内的速度、压力等的分布云图。在前人研究的基础上，设计了喷头实现非圆形域灌溉的关键部件—非圆形域喷头调节器，并采用水流运动的局部阻力理论对其结构参数进行了分析，确定试验样品结构。研究建立了变量喷洒可控域精确灌溉喷头性能评价指标体系，对加装了调节器试件喷头的水力性能参数，如工作压力、流量、射程、喷洒水分布特性等进行了测试评价，实验结果表明，除了满足普通摇臂式喷头的灌水质量性能要求，非圆形域喷头也能满足非圆形域喷洒的一些特殊性能要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 节水灌溉的意义
• 1.1.2 喷灌技术与喷头
• 1.2 非圆形域喷灌技术
• 1.2.1 圆形喷洒域喷灌技术存在的问题
• 1.2.2 非圆形域喷灌技术的提出
• 1.3 国内外非圆形域喷头的形式
• 1.3.1 国外现有实现形式
• 1.3.2 国内现有实现形式
• 1.3.3 国内外现有实现形式的评价
• 1.4 计算流体力学与流体流动数值模拟
• 1.4.1 计算流体力学技术简述
• 1.4.2 流体流动数值模拟
• 1.4.3 FLUENT软件概述
• 1.5 本文研究工作
• 1.5.1 本文的主要工作
• 1.5.2 课题的创新之处
• 1.5.3 论文的框架
• 2 非圆形域喷灌技术的实现研究
• 2.1 实现非圆形喷洒域的理论研究
• 2.1.1 正方形喷洒域理论射程方程
• 2.1.2 正六边形喷洒域理论射程方程
• 2.2 实现变量施水均匀灌溉的理论研究
• 2.2.1 变量施水工作方程
• 2.2.2 正方形喷洒域理论流量方程
• 2.3 非圆形域喷洒灌溉技术的实现途径
• 2.3.1 旋转式喷头射程公式
• 2.3.2 非圆形域喷洒的实现方式
• 2.4 非圆形域喷头调节器的设计
• 2.4.1 非圆形域喷头调节器结构设计
• 2.4.2 非圆形域喷头洒调节器结构参数计算
• 3 三维湍流模型及其数值解法
• 3.1 湍流的数学描述
• 3.1.1 湍流及其特性
• 3.1.2 湍流的控制方程
• 3.2 三维湍流数值模拟及相应湍流模型
• 3.2.1 三维湍流数值模拟方法概述
• 3.2.2 大涡模拟方法
• 3.2.3 统计平均法
• 3.2.4 Reynolds平均法
• 3.3 基于有限体积法的控制方程离散
• 3.3.1 有限体积法概述
• 3.3.2 各种空间离散格式的性能对比
• 3.3.3 瞬态问题的时间离散格式
• 3.4 湍流数值解法
• 3.4.1 耦合式解法
• 3.4.2 分离式解法
• 4 计算建模
• 4.1 调节器内结构分析
• 4.1.1 调节器的结构
• 4.1.2 影响流动的结构性因素
• 4.2 解析假定
• 4.3 流道中流体流动的数学描述
• 4.4 调节器内部流场模型
• 4.4.1 计算区域网格划分
• 4.4.2 设置模型
• 4.4.3 交界面处理方法
• 4.4.3 边界条件的确定
• 5 基于FLUENT的流场分析
• 5.1 过水截面最小时内部流场的可视化
• 5.2 过水截面最大时内部流场的可视化
• 5.3 瞬时压力变化
• 6 喷洒试验及性能评价
• 6.1 性能评价参数
• 6.1.1 灌水质量的性能指标
• 6.1.2 非圆形域喷洒的性能指标
• 6.2 试验布置方法及注意事项
• 6.2.1 试验目的
• 6.2.2 测试系统及测试设备
• 6.2.3 试验方法
• 6.2.4 实验步骤
• 6.2.5 注意事项
• 6.3 试验结果分析
• 6.3.1 水量分布曲线
• 6.3.2 射程曲线
• 6.3.3 水量分布图
• 6.3.4 喷洒性能评价
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 参考文献
• 附录
• 致谢