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第21卷第6期2005年6月农业工程学报T r ansactions of the CSA E V ol.21 N o.6June 2005滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究魏正英1,赵万华1,唐一平1,卢秉恒1,张鸣远2(1.西安交通大学先进制造技术研究所,西安710049; 2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安710049)摘 要:为从结构设计上解决灌水器的堵塞问题,针对滴灌灌水器的各种微小迷宫流道形式,应用计算流体力学(CF D )数值模拟可视化地揭示了迷宫流道内部流动场的情况,并通过流体力学相似实验,用激光多普勒测速仪(L DV )测量了流道中的速度流场,验证了流态模拟计算的正确性。
在此基础上,分析了迷宫流道的堵塞机理,针对流道中存在的流动滞止区结构,提出迷宫流道主航道抗堵优化设计方法,使优化后流道中不存在流动滞止区,提高迷宫型灌水器的抗堵性能,并通过了实验验证。
关键词:滴灌灌水器;迷宫流道;堵塞;数值模拟;主航道抗堵设计中图分类号:S 275.4;T K 124 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2005)06-0001-07魏正英,赵万华,唐一平,等.滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究[J].农业工程学报,2005,21(6):1-7.Wei Z heng ying ,Zhao W anhua ,T a ng Y iping ,et al .A nti -clo gg ing design m et hod fo r the laby rinth channels o f drip ir rigat ion emit ters[J].T ransactio ns o f the CSAE ,2005,21(6):1-7.(in Chinese w it h Eng lish abstr act)收稿日期:2004-07-30 修订日期:2005-04-01基金项目:国家“863”重大专项(2002AA2Z4081);国家自然基金(50275119);“863”项目(2001AA242101)作者简介:魏正英(1967-),女,博士,副教授,主要研究方向为节水设备的快速开发技术。
2012年5月农机化研究第5期迷宫型滴灌灌水器的流速模拟研究张琴。
，王建平6(塔里木大学a．水利与建筑工程学院；b．机械电气化工程学院。
新疆阿拉尔843300)摘要：利用nuent软件对矩形迷宫型滴灌灌水器流道内流体的流速进行了模拟研究，通过对模型进行求解，得到了流场内的流体的流速变化。
结果表明：灌水器流道的主流区集中在流道的轴线处，低速区位于流道近壁面和拐角处，接近为0，流体并没有充满整个流道，水流流态主要为紊流，每个单元之间速度分布变化不大；在流道断面面积相同、单元数相同时，矩形迷宫型灌水器内流速与压力呈正相关关系。
关键词：迷宫型；灌水器；流速；模拟研究中图分类号：S275．6文献标识码：A文章编号：1003—188×(2012)05．o∞1_040引言目前，在国际上研究和推广使用的节水灌溉技术中，有前景而且较为成功的技术有喷灌、滴灌和微灌等。
其中，滴灌因其省水省肥、灌溉均匀度高和增产高效等优点而得到迅猛的发展。
我国20世纪70年代引入了滴灌技术，90年代开始高速发展，在市场上得到大量的推广。
其中，滴灌技术在新疆的发展尤为迅速，截止2009年，新疆高效节水总面积达到133．3万hm2，其中新增高效节水灌溉面积25．33万hm2。
灌水器(滴头)是滴灌系统的核心部件，占滴灌系统成本的25％一35％。
在滴灌系统的运行过程中，滴头内部的流道结构和流动状态对滴头的水力性能和抗堵塞性能影响很大。
由于滴灌灌水器结构复杂，尺寸微小，采用常规的量测方法很难揭示其内部的水流变化，因此需要对滴灌灌水器流道进行软件模拟研究。
采用数值模拟方法对滴灌灌水器结构进行研究已经是较为成熟的研究方法了，目前使用较多的为计算流体力学C F D软件。
魏正英等通过模拟可视化揭示了迷宫流道内部流动场的情况；李云开，刘世荣等在对所选取的3种代表性锯齿形迷宫式滴头进行测定的基础上，利用C FD软件对消能机理做出了研究，表明光滑圆管紊流理论不足以解释锯齿形迷宫流道的消能机理，在中高压区滴头流道内部流动为紊流，在低压区可能存在从层流到紊流或者光滑紊流到全紊流的流态转换行为；张俊，魏公际等利用C F D软件对迷宫流道内流场进行液固两相数值模拟，得出每个单元流道不同部位的液体流速相差很大，在圆弧顶部和右下侧均出现不同大小的漩涡，沿流动方向漩涡呈扩大趋势，小颗粒的跟随性比大颗粒的跟随性好，但更易受紊流脉动的影响，部分颗粒会在涡团中心处沉淀下来，导致流道堵塞；王文娥等对3种不同流道结构的迷宫滴头进行了模拟研究，得到了滴头流道内部的压力和流速分布，预测了滴头压力流量关系。
矩形迷宫式滴灌灌水器的模拟研究．．张琴，叶含春，管瑶(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔843300)摘要：利用Fl uent软件对滴灌灌水器流道内流体流动进行了数值模拟，得到了流道压力图、流速矢量图。
根据流道内流线变化对灌水器流道结构进行了优化设计，采用了圆弧形流道结构。
通过优化前、后的速度矢量图可知：优化后的滴头流道涡旋区和低速滞止区基本消除，虽然在流道拐弯处的小部分区域内流体流动速度仍有些偏高，但是从流道整体来看，优化后的流道内主流速度分布比较均匀，且流体充满整个流道，大大提高了灌水器的抗堵塞性能。
关键词：灌水器；流速；数值模拟中图分类号：s277．9+5文献标识码：A文章编号：1003-188X(2012)01-0190-05 0引言1材料与方法我国是一个农业大国，按2009年的统计，总用水量为5965．2亿m3，农业用水量为3723．1亿m3，占总用水量的62％。
因此，节约农业用水对缓解我国水资源供需矛盾将起到很大作用。
在节水灌溉技术中，滴灌因其省水省肥、灌溉均匀度高和增产高效等优点而得到迅猛的发展。
其中，滴灌技术在新疆的发展尤为迅速。
截止2009年，新疆高效节水总面积达到133．3万hm2，其中2009年新增高效节水灌溉面积25．33万．hm2。
在滴灌系统中，滴灌灌水器为核心部件，被称之为滴灌系统的心脏，在整个滴灌系统中用量较大，其费用往往占整个系统投资的25％～30％左右。
灌水器质量的好坏直接影响到整个系统，灌水器流道结构对其水力性能和抗堵塞性能有着非常重要的影响。
由于灌水器的结构极其微小，采用传统的量测方式不能清楚地显示其流道内部结构以及水流在流道中的流速变化，这对于研究滴灌灌水器流道内部的水流流动状态极为困难。
采用C FD软件模拟技术，已成为现代滴头设计手段中重要的组成部分。
本文旨在利用C F D数值模拟方法对滴灌灌水器内部水流流动特性进行研究，以降低灌水器堵塞；通过优化迷宫流道结构，使灌水器既有较好的水力性能又有较强的抗堵塞能力。
第27卷第1期2009年1月排 灌 机 械Drainage and Irriga ti on Machine ryVol .27No .1Jan .2009单翼迷宫灌水器进口流场数值模拟与结构优化王新坤,李亚飞(江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013)摘 要:针对单翼迷宫式滴灌灌水器工程应用中,大多数堵塞都发生在灌水器进口及其邻近区域的问题,对单翼迷宫式滴灌灌水器进口结构特性和水力性能进行分析,并对内部流场的计算流体进行动力学(CF D )数值模拟研究,发现目前广泛使用的单翼迷宫式滴灌灌水器的进口在实现灌水器多进口安全保障、过滤、抗堵塞等功能方面的设计存在不足之处.应用C AD -CF D 技术改进单翼迷宫式滴灌灌水器进口的结构,优化其水力性能.改进后的灌水器5个进口流量基本相同,流速分布也较为均匀.不存在超低流速区,能有效减少灌水器进口的沉积和堵塞,提高灌水器的抗堵塞能力,实现了多进口的安全保障功能.关键词:滴灌灌水器进口;水力性能;数值模拟;结构优化;计算流体动力学 中图分类号:S275.6 文献标志码:A 文章编号:1005-6254(2009)01-0060-04Num er i ca l ca lcul a tion and str uctura l optim i za ti onfor i n let flow f i eld of si ngle w i n g l abyr i n th dr ip i r r iga ti on em itterW ang X inkun,L i Y a f ei(Technical and Research Cen t er of Fluid M ach i nery Engineering,J iangsu U niversity,Zhenjiang,J i angs u 212013,Ch i na )Abstra ct:Thr ough the survey about the c l og f or using e m itters,it is f ound that cl og happens in the inletsand their neighboring r egions .F r om the investigati on about the structure cha r acte ristic,the hydraulic per 2for m ance analysis and nume rical si m ulati on of the internal fl ow field for the inlet of single wing labyrinth dri p irrigati on em itter,which a r e extensively used now,we conclude that the r e are disadvantage s in the design of the e m itter multi 2inlets saf e ty control,filtrati on,anti 2c l ogging func tions and so on .C AD is used to modify the structure and size .CF D is used to op ti m ize hydraulic perf or m ances of single w ing labyrinth dri p irrigati on e m itters .It is found tha t there is a si m ila r flow rate a mong the five inlets,and well 2pr opor 2ti oned fl ow velocity distributi on in the inlets .A s a r esult,the r e is no ultr a 2l ow vel ocity r egion,the sedi 2m ent of the inle ts r egion is reduced,the anti 2cl ogging ability of the em itter is i mpr oved,and the safe 2guard function of the m ulti 2inlets is realized .Key words:inle t of drip irrigation e m itter ;hydraulic pe r f or mance;num erical ca lculation;structural op 2ti m iza tion;C F D 收稿日期6基金项目江苏省自然科学基金资助项目(B K 6);国家“63”计划项目(6);江苏大学校基金资助项目(DG )作者简介王新坤(66—),男,陕西临潼人,博士,高级工程师(xj x @6),主要从事节水灌溉理论与新技术的研究李亚飞(—),男,湖北天门人,硕士研究生(y @63),主要从事节水灌溉理论与新技术的研究 滴灌作为一种高效节水灌溉技术,具有灌水均匀、高效节水节肥、增产增收、便于管理等优点,被各国广泛应用.灌水器是滴灌技术的核心部件,其成本占滴灌系统造价的25%～35%.灌水器流道结构、:2008-0-17:2008248200AA 10021108J 002:19w k .1982li .尺寸等因素决定了其出流稳定性、抗堵能力等水力性能,水力性能的优劣对滴灌系统的造价、能耗、灌水质量及使用寿命等具有决定性的作用.国外关于滴灌灌水器流道设计方面具有实际指导意义的研究论文极少见[1,2].国内采用常规水力学试验,通过统计回归分析,对迷宫式灌水器的压力-流量关系、滴水均匀性、抗堵塞性能及流道结构对水力性能的影响进行了试验研究[3,4];同时应用CF D 数值模拟[5,6]、微流体粒子图像测速(M icr o -P I V )[7]及激光多普勒测速(LDV )[8]等技术,开展迷宫主流道内部流动机理、消能机理的理论分析及微观可视化测试研究,在灌水器流道构建、内部流场分析、设计理论等方面取得了诸多成果.但上述研究大都是针对灌水器主流道进行研究,没有关于灌水器进口部分水力性能的研究,缺乏对灌水器进口水力设计及结构合理性评价的理论研究.单翼迷宫式灌水器是大田膜下滴灌系统中主要滴灌灌水器之一.如图1所示,对单翼迷宫滴灌灌水器工程应用中的堵塞情况调查显示,大多数堵塞都发生在灌水器进口及其邻近区域.本研究对单翼迷宫滴灌灌水器进口流场进行数值模拟及结构优化研究,对于改进灌水器进口结构,增强灌水器抗堵塞能力,提高滴灌工程灌水质量及使用寿命等具有重要的意义.图1 单翼迷宫滴灌灌水器进口堵塞状况示意图F ig .1 Schema tic diagra m state of clog for inlet of singlew i ng l abyrinth dri p irrigati on em itters1 灌水器进口流道结构及水力性能1.1 单翼迷宫式滴灌灌水器进口流道结构如图2所示,目前工程中所用的单翼迷宫式滴灌灌水器的进口由5个进口单元组成,各进口单元采用近似于串联的方式进行连接,汇总到一个出口后与主流道相连接. 单翼迷宫式滴灌灌水器进口水力特性分析灌水器流道进口是滴灌系统毛管与灌水器主流道的连接部,一般都有多个进水口,以保证当个别进口被堵塞后,还有其他灌水器进口能够正常运行.灌水器流道进口应设置滤网,当不具备设置滤网的条件时,进口尺寸宜小于主流道尺寸,起到过滤水中杂质的功能,减少主流道堵塞的几率.由图2可知,5个单翼迷宫式滴灌灌水器进口的尺寸与主流道尺寸接近,难以起到良好的过滤作用.由于5个进口端的工作压力均为毛管内的水压力,而5个进口端至主流道所流经的路径长度却相差较大,将导致水流阻力的较大差异,那么通过5个进口的流量也会出现较大差异,过流量小的进口流速较小,携带杂质的能力也相对较弱,容易造成堵塞.而且5个进口为串联连接结构,当某个进口被堵塞后,其上游所有进口都将失去作用,使得多进口的设计意图无法实现.图2 单翼迷宫滴灌灌水器进口结构示意图F ig .2 Inle t structure of single wi ng labyrinth dri pirr i ga ti on em itter2 灌水器进口流场数值模拟传统的水力学试验只能获得灌水器的整体水力学特性,难以对灌水器各个部分的水力特性进行研究,近年来兴起的CF D 数值模拟方法为滴灌灌水器内部流动机理的研究提供了便捷的手段[9-13].尽管目前CF D 数值模拟还难以达到灌水器微细流道精确计算及量化分析的程度,但对于反映流道内部流动规律及压力-流量关系趋势是完全可以满足要求的.因此本研究应用CF D 数值模拟分析单翼迷宫滴灌灌水器进口流道内流场的流量、流速分布规律,对其水力特性做进一步研究.应用商用CF D 软件Fluent 的RN G k -ε模型对单翼迷宫滴灌灌水器进口流场进行三维数值模拟,在计算区域内,采用六面体网格单元进行CFD 仿真计算.离散方法采用有限体积法,利用G A MB I T 划分网格,网格单元长度为0.15mm.滴头流道进口设为压力进口,设定压力为100kPa;流道出口设置压力出口,设定压力为模拟计算得到的灌水器进口至进口5的流量百分比分别为3%,%,3%,6%和%,流速分布见图316第1期 王新坤等:单翼迷宫灌水器进口流场数值模拟与结构优化1.20.17.1019.404.91.00.97.图3 进口流速分布图Fig .3 Distributi on of fl o w veloc ity in inle ts由此可知,进口1的流量占到了总流量的73.10%,进口1,进口2合计为总流量的92.50%,进口5的过流量还不到1.00%,各进口流量的分布严重失衡.图3显示了进口的流速分布状况,进口流速从进口1至进口5呈现大幅度下降的趋势,与流量分布相似,进口1,进口2占据主导地位,而其他3个进口的流速非常小,易发生沉积堵塞,灌水器进口CF D 数值模拟与水力特性分析结果及实际应用基本相符.3 灌水器进口结构改进与优化对单翼迷宫滴灌灌水器进口的改进是通过改变进口结构与设计尺寸,达到优化进口水力性能、提高灌水器抗堵塞性能的目标,同时灌水器的压力-流量关系应保持不变.将原串联连接改为并联结构方式,各进口的尺寸要小于主流道尺寸,通过CF D 数值模拟预测进口水力性能,调整各个进口尺寸,使各进口至主流道的水流阻力相同,保证各进口通过的流量相同.为便于与原结构进行对照,采用与原灌水器相同的进口数目,以图4所示的结构形式,采用CA D -CFD 进行性能预测、改进与优化.优化后进口1至进口5的流量百分比分别为19.90%,19.90%,20.28%,19.90%和20.02%,流速分布见图5.图4 改进后进口结构示意图F i g .4 Struc ture of i mprov ed inle t由此可知,改进后的灌水器5个进口流量基本相同,流速分布也较为均匀,表明每个进口获得了均等的过流机会,即使个别进口发生堵塞,不会阻碍其他进口水流的通过.不存在超低流速区,能有效减少灌水器进口的沉积和堵塞,提高灌水器的抗堵塞能力,说明改进后的进口结构和水力性能都得到了优化.图5 改进后进口流速分布图F i g .5 D istributi ng of flo w vel ocit y in i mprov ed inlet4 结 论根据单翼迷宫式滴灌灌水器实际应用调查结果和进口结构特性,对进口结构水力性能、抗堵塞能力及设计合理性等进行了分析,应用CF D 数值模拟方法,对分析结果进行了验证.1)目前单翼迷宫式滴灌灌水器5个进口的尺寸与主流道尺寸接近,难以起到良好的过滤作用;5个进口到达主流道所遇到的水流阻力差异较大,通过的流量差异较大,存在低流速区,容易造成堵塞;进口的串联连接结构,无法实现多进口的安全保障功能.2)将C AD 和CF D 技术有机结合,可建立灌水器的CA D -CF D 结构改进与优化设计的系统方法.以提高灌水器性能指标为目标,采用CA D 技术修正过流部件结构及尺寸,用CF D 技术分析其内部的流动状态,预测灌水器性能,判断设计的合理性,通过优化相关的几何参数,保证灌水器具有良好的综合性能.通过对单翼迷宫式滴灌灌水器进口的改进与优化,说明该方法具有较好的有效性和实用性,可以降低灌水器结构改进和优化设计的费用,缩短研制周期.参考文献(R efer ences)[1] M adramoot oo C A,Kha tri K C,R igby M.Hydraulicpe rfor m ance s of five different trickle irriga ti on em itters[J ].Canadian Agricultura l Engineering,1988,30(1):1-4.[] Y G,N L f y y f []2f I D ,,326 排 灌 机 械 第27卷2ild iri m A girali o glu .i n ear s o lu tion o r h d rau licana l sis o tap e red m i c ro -ir riga ti o n la tera ls J .J our na l o rri g a tion an d ra i n age Eng ineering 200410(1):78-87.[3] 张新燕,陈 凤,李华莹.单翼迷宫贴壁式滴灌带水力性能初步试验研究[J].干旱地区农业研究,2004,22(4):225-228.Zhang Xinyan,Chen Feng,Li Huaying.T he Re searchof the hy draulic properties in dri p irri ga tion t ape re sistingbl ockag e[J].Agricultura l Res ea rch in the Arid A reas,2004,22(4):225-228.(in Chine se)[4] 王建东,李光永,邱象玉,等.流道结构形式对滴头水力性能影响的试验研究[J].农业工程学报,2005,21(增刊):100-103.Wang J iandong,Li Guang yong,Qiu Xiangyu,e t al.Effects of fl o w passage for m s on hydraulic pe rfor m ance ofe m itte rs[J].T ransactions of the Chinese Soci ety of Agri2cultura l E ngineering,2005,21(s1):100-103.(inChine s e)[5] 李永欣,李光永,邱象玉,等.迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟[J].农业工程学报,2005,21(3):12-16.Li Y ongxi n,L i Guangyong,Qiu Xiangyu,e t a l.Mode2ling of hydraulic cha racte ristics t hrough labyrinth em itterin drip irrigati on using co mputa ti onal fluid dyna m ic s[J].Trans a ctions of the Chines e Society of Agricult ura lEngineering,2005,21(3):12-16.(in Chine s e)[6] 闫大壮,杨培岭,任树梅.滴头流道中颗粒物质运移动态分析与CFD模拟[J].农业机械学报,2007,38(6):71-74.Y an Dazhuang,Yang Peiling,R en Shumei.Study ondynam ic analysis of partic le movement in dri p em itterba s ed on CFD[J].Transa ctions of the Chinese Societyfor Agricultura l M achi nery,2007,38(6):71-74.(inChine s e)[7] 李云开.滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟[D].北京:中国农业大学水利与土木工程学院,2005.[8] 魏正英,赵万华,唐一平,等.滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究[J].农业工程学报,2005,21(6):1-7.W ei Zhengying,ZhaoW anhua,Tang Yi p ing,e t a l.An2ti-c l oggi ng de sign m ethod for t he labyrinth channe ls ofdri p irrigati on e m itters[J].T ransactions of the ChineseSociety of Agricultura l Engineering,2005,21(6):1-7.(in Chinese)[9] N ilss on H,Davids on L.Va lida tions of CFD aga inst de2t a iled vel ocity and p re ssure mea s ure m ents in wate r tur2bine runne r flo w[J].Interna tiona l Journa l for N umeri2cal Methods i n F luids,2003,41:863-879.[10] Palau S G,Arviza V J,B ralts V F.Hydraulic fl o w be2havi our t hrough an in-line em itter labyrint h using CFDt echni que s[C].ASAE/CSAE Annua l Int erna tiona l Mee2ting.O ttawa:[s.n.],2004.[11] Palau S G,G onzález A P,Arviza V J.Nume rica l mo2de ling of cavit a ting fl o ws for si m p l e g eo m etrie s usingFLUE NT V6.1[J].Spa ni sh Journa l of Agricult u ra l Re2sea rch,2007,5(4):460-469.[12] 石祥钟,于佐东,肖英奎.水力机械CAD-CF D系统设计方法[J].农业与技术,2005,25(3):142-144.Shi Xiangzhong,Yu Zu odong,Xiao Yingkui.The CAD-CFD syste m design m ethod for hydr o-machine[J].Agriculture&Technology,2005,25(3):142-144.(in Chinese)[13] 任 涛,闫永强,梁武科.CFD技术在离心泵优化设计中的应用[J].排灌机械,2007,25(1):26-28.Ren Tao,Yan Yong qiang,L iang Wuke.App lica ti on ofCFD t o op ti m iza ti on desi gn for centrifugal pu mp[J].D ra inage a nd Irriga tion M achinery,2007,25(1):26-28.(in Chine s e)(责任编辑 赵 鸥)36第1期 王新坤等:单翼迷宫灌水器进口流场数值模拟与结构优化。
2012年2月农机化研究第2期迷宫型灌水器流道结构与水力性能的模拟研究张琴，叶含春，王立洪(新疆塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔843300)摘要：为研究迷宫流道结构对灌水器水力性能的影响，利用有限元分析软件Fem l ab建立了不同流道断面面积和流道单元数模型，通过模拟得出灌水器流量压力关系和灌水器流速分布。
分析表明：应用数值模拟的方法可以直观地反映灌水器内部水流运动规律；采用统计回归分析，灌水器的流量系数与断面面积呈正相关关系，与流道长度呈负相关关系；灌水器的流态指数变化不大；当流道长度和压力相同时，流量与流道断面面积呈正相关关系；当流道断面面积和压力相同时，流量随单元数的增加而逐渐减小，呈负相关关系。
结果表明，采用有限元方法可以揭示迷宫型灌水器流道结构与水力性能之间的关系，对灌水器流道的结构没计具有一定的指导意义。
关键词：迷宫型；灌水器；流道结构；水力性能；数值模拟中图分类号：8275．6文献标识码：A文章编号：1003—188X(2012)02—0059～040引言滴灌是通过安装在毛管上的滴头或滴灌带等灌水器使水流成水滴状滴人作物根区土壤内的灌水形式。
它集灌溉和施肥于一体，具有显著的省水增产效果，是加速实现干旱缺水的山地丘陵区水利化和发展城郊设施农业工程的一个有效途径。
滴灌灌水器为核心部件，在整个滴灌系统中用量较大，其费用往往占整个系统投资的25％～30％左右。
灌水器流道最小孔径在0．3—1．0m m之间，流量在0．6—1．2L／h范围内…。
由于其几何尺寸极其微小，所以传统的量测方式不能清楚地显示其流道内部流速场，这对于研究滴灌灌水器流道内部的水流流动状态极为困难。
国内外许多学者都对滴灌灌水器流道进行了数值模拟，在灌水器的微小流道理论建立过程中起到了重要的作用。
喻黎明对齿形、梯形和矩形流道研究认为：流量和流态指数的极差与方差分析的结论显示出上底宽和转角对流态指数具有显著影响旧1。
