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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。
三角环流滴灌灌水器抗堵塞特性研究
陶凯
【期刊名称】《江苏水利》
【年(卷),期】2018(000)009
【摘要】堵塞已成为滴灌技术的行业难题,是影响滴灌技术发展的关键问题之一.针对这一问题,构建了一种三角环流滴灌灌水器,并开展了基于CFD的水力及抗堵塞特性模拟分析.CFD分析表明,灌溉水中的颗粒粒径与浓度对灌水器流量影响不明显,对灌水器流道内的颗粒浓度分布影响显著,灌溉水中的颗粒粒径越大、浓度越高,灌水器流道内累积的颗粒浓度越大.当灌溉水中颗粒粒径为0.05 mm时,灌水器流道内的最大浓度只有1.582％,而且流道内泥沙颗粒的累积效应不显著,说明三角环流滴灌灌水器具有较好的抗堵塞能力.
【总页数】4页(P26-29)
【作者】陶凯
【作者单位】句容市水利农机局,江苏镇江 212400
【正文语种】中文
【中图分类】S275.5
【相关文献】
1.三角形迷宫流道滴灌灌水器结构参数及水力特性研究 [J], 郭霖;白丹;程鹏;周文
2.地下滴灌灌水器堵塞特性田间评估 [J], 李久生;陈磊;栗岩峰
3.射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响 [J], 王新坤; 靳彬彬;
樊二东; 姚吉成; 张晨曦; 王轩; 薛子龙
4.含沙水滴灌条件下灌水器抗堵塞试验研究 [J], 姜珊;范兴科;叶成恒
5.再生水滴灌条件下灌水器抗堵塞试验研究 [J], 杨胜敏;李贵兵
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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。
滴灌灌水器迷宫流道结构数值模拟与优化设计的开题报告一、选题背景随着全球水资源的日益紧缺，滴灌灌溉系统作为一种节水、节能、环保的水稳定灌溉技术，受到越来越多农业生产者的青睐。
而作为滴灌灌溉系统的核心部件——滴灌灌水器，其结构特殊，具有很强的设计难度。
为了提高滴灌灌溉系统的节水效率和节能效益，本课题通过对滴灌灌水器内部流道结构的数值模拟和优化设计，探讨如何改进滴灌灌水器的结构和性能，提高其灌溉效率和经济性。
二、研究内容本课题将围绕滴灌灌水器的内部结构进行研究，主要包括以下内容：1. 滴灌灌水器流道结构建模：根据滴灌灌水器的实际结构，采用计算流体动力学（CFD）方法，对滴灌灌水器内部流道进行三维建模。
2. 流场数值模拟：利用CFD软件，对滴灌灌水器内部流场进行数值模拟，包括流速、流量、压力等参数的分析与计算，揭示滴灌灌水器内部流场的分布、特点及影响因素。
3. 灌溉模拟分析：将模拟得到的流场参数和实验数据相结合，进行滴灌灌水器的灌溉模拟分析，研究滴灌灌水器的灌溉效率、稳定性和经济性等指标。
4. 优化设计方案：根据上述分析结果，对滴灌灌水器的结构进行优化设计，提出改进方案，包括流道形状、孔径分布、排放口位置等方面的优化。
5. 结果分析与验证：对设计的优化方案进行实验验证，进行效果分析和评价，为进一步完善滴灌灌溉系统提供科学依据。
三、研究意义本课题的主要意义在于：1. 提升滴灌灌溉技术的水稳定性和水效率，减少土壤水分蒸发和渗漏损失，保证作物的水分营养供应，提高作物产量和品质。
2. 鉴别滴灌灌水器内部流体运动特性，揭示其内部流道结构与灌溉效率之间的关系，进一步优化滴灌灌水器结构，提高滴灌灌溉系统的持续稳定性和经济性。
3. 贯彻践行“绿色农业”的科学发展理念，推广可持续发展的滴灌灌溉技术，减少对自然环境的破坏，为实现生态文明做出贡献。
四、研究方法本课题将采用计算流体力学（CFD）方法，通过数值模拟和实验验证相结合的方式，研究滴灌灌水器内部流动特性和灌溉效率，建立滴灌灌溉系统的数值模型和实验模型，优化其结构，提高节水灌溉技术的效率和经济性。
科技成果——祛根防负吸抗堵塞地下滴灌灌水器技术技术开发单位甘肃大禹节水集团股份有限公司适用范围我国灌溉农业地区，尤其是西北半干旱、干旱地区农业高效节水农田成果简介（1）在灌水器中适当加入生物抑制剂，生物抑制剂与高分子材料在加工过程发生反应所产生的可抑制霉菌繁殖的助剂，可有效提高灌水器的在荫湿环境下防止霉菌繁殖聚集、腐蚀老化而引起堵塞的性能。
（2）采用窄缝出水口技术，有效防止泥沙微粒吸入流道。
（3）采用圆弧状紊流流道技术，能有效提高流道的自清洁能力。
工艺流程在灌水器中加入适量的氟乐灵，在灌水器工作时，氟乐灵将按一定速率以蒸汽形式释放出来，与灌水器周围的土壤混合，起到限制根系向灌水器附近生长的作用，以此起到防负吸抗堵塞的效果。
当土壤中氟乐灵蒸汽压高于灌水器中的蒸汽压时，氟乐灵就停止释放。
同时，灌水器结构上采用窄缝出水形式，流道设计有圆弧状紊流流道，水流中的泥沙微粒在光滑的圆弧流道中随水运行，被带出流道，且圆弧状流道的倾斜度较大，水流形成的低速区较小，促使水中微粒随水流出，提高了流道的自清洁能力。
关键技术在灌水器中加入适量的氟乐灵，在灌水器工作时，将按一定速率以蒸汽形式释放出来，与灌水器周围的土壤混合，起到限制根系向灌水器附近生长的作用。
当土壤中氟乐灵蒸汽压高于灌水器中的蒸汽压时，就停止释放。
在灌水器中适当加入生物抑制剂，生物抑制剂与高分子材料在加工过程发生反应所产生的可抑制霉菌繁殖的助剂，可有效提高灌水器的在荫湿环境下霉菌繁殖聚集、腐蚀老化而引起堵塞的性能。
采用窄缝出水口技术，有效防止泥沙微粒吸入流道。
采用圆弧状紊流流道技术，水流中的泥沙微粒在光滑的圆弧流道中随水运行，被带出流道，且圆弧状流道的倾斜度较大，水流形成的低速区较小，促使水中微粒随水流出，有效提高流道的自清洁能力。
应用情况已在我国甘肃、宁夏、陕西等西北省市推广应用面积达10万余亩。
典型案例（一）项目概况甘肃省张掖市甘州区地下滴灌工程位于甘州区党寨镇汪家堡村，工程控制面积246亩。
滴灌双向流道灌水器抗堵性能及结构参数优化研究滴灌双向流道灌水器水力性能优良,采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,开展双向流道灌水器抗堵性能及结构参数优化研究,对提高其整体性能及研发具有重要意义。
主要研究成果如下:(1)提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,其可综合反映灌水器水力性能和抗堵性能的动态变化过程,揭示了泥沙沉积效应是导致滴灌灌水器水力性能降低的主要成因。
(2)双向流道沉积泥沙电子显微镜扫描分析表明,流道前段泥沙沉积严重,中段次之,后段较少;流道前段和中段沉积泥沙主要为细小粒径泥沙颗粒填充于大粒径泥沙颗粒之间由于絮凝、黏结而形成的团聚结构,后段沉积泥沙主要为细小粒径泥沙颗粒絮凝而形成的絮团结构;由前到后,沉积泥沙中粒径>0.03 mm的颗粒质量分数呈现逐渐减小趋势,粒径<0.005 mm的颗粒质量分数呈现先减小后增大趋势;粒径<0.03 mm的泥沙颗粒的絮凝作用是双向流道灌水器堵塞的主要成因。
(3)基于支持向量机理论,构建了滴灌双向流道灌水器泥沙颗粒通过率与工作压力、流道结构参数及欧拉—拉格朗日颗粒随机轨道模型中壁面反弹系数、泥沙颗粒等效粒径之间的量化关系;以泥沙颗粒通过率与相对流量的相关性最大为优化目标,建立了壁面反弹系数和泥沙颗粒等效粒径的参数识别优化模型,提出了以试验为依据的滴灌双向流道灌水器液固两相流数值模拟方法。
(4)数值模拟研究表明,双向流道中水流流速梯度越大,湍动能越高,则水流对泥沙颗粒扰动作用越强,有利于提高灌水器抗堵性能;这一现象在流道内正、反向两股水流相互作用的对冲混掺区域表现尤为突出,这正是双向流道灌水器的抗堵性能优于迷宫式流道灌水器的主要原因,试验结果也证明了这一点;漩涡区虽存在较大的流速梯度,但整体流速及湍动能均较低,泥沙颗粒极易沉积,导致灌水器堵塞概率较大;泥沙颗粒在流道内发生多次旋转的部位为沉积发生的主要部位;泥沙颗粒在流道水平方向运动行程越短,灌水器抗堵性能越好。
摘要
本研究得到国家自然科学基金（编号：10000000）资助。
关键词中的*表示非汉语主题词。
I
论文题目：迷宫型滴灌灌水器结构设计与快速开发技术研究
学科（专业）：机械工程
申请人：魏正英
指导教师：卢秉恒教授
摘要
滴灌系统中的关键部件是末端的灌水器，其结构设计参数直接影响到灌水器的性能及整个滴灌系统的工作。
……因此开展微流道流动分析研究，提供滴灌灌水器设计依据，对形成自主开发能力，解决我国干旱农业和水资源短缺问题有重要意义。
本文针对以上问题进行研究，取得的主要成果如下：
1. 本文针对滴灌灌水器的各种微小迷宫流道中的流动情况，首次采用计算流体力学数值分析和可视化方法对迷宫流道内的流动特性进行了研究，揭示了流道内水压力、流量、流阻以及流场的变化和分布规律，充分揭示了迷宫流道的消能规律和内部流动场的情况，并通过流体力学相似实验，用激光多普勒测速仪（LDV）测量了流道中的速度流场，验证了其流动模拟计算的正确性，从而打破了灌水器流道内流动情况的“黑匣子”。
……本文在揭示了流道内部微观水力特性和内部流场的基础上，按照流道内部流场的状况，提出了基于流动特性的迷宫流道抗堵设计方法，针对流道中存在的流动滞止区结构进行优化，消除了灌水器迷宫流道内的速度死区，避免了灌溉水中固体颗粒的沉积，从结构设计上解决了灌水器使用时容易堵塞这一技术难题。
……
关键词：滴灌；灌水器；快速成形制造；水力学；迷宫型流道*
论文类型：应用研究。
迷宫滴头流道结构形式和尺寸对水力及抗堵塞性能
的影响的开题报告
1. 研究背景
城市排水系统是城市建设与运行中不可或缺的组成部分。
迷宫滴头
流道作为城市排水系统中的重要设备，在雨水收集和处理中具有重要作用。
迷宫滴头流道具有结构简单、安装方便、维护成本低等优点。
然而，流道的尺寸和结构形式对其水力性能和抗堵塞性能产生重要影响，因此
有必要对迷宫滴头流道结构形式和尺寸对水力及抗堵塞性能的影响进行
研究。
2. 研究目的
本研究旨在通过实验和数值模拟研究迷宫滴头流道结构形式和尺寸
对水力及抗堵塞性能的影响，为设计和优化迷宫滴头流道提供依据和参考。
3. 研究方案
3.1 实验设计
选取不同结构形式和尺寸的迷宫滴头流道进行实验，记录流量、水
头和液面高度等数据，分析结构形式和尺寸对水力性能的影响。
3.2 数值模拟
使用计算流体力学（CFD）软件对迷宫滴头流道进行流场模拟，分
析结构形式和尺寸对水力性能和抗堵塞性能的影响。
4. 预期结果
通过实验和数值模拟，研究出迷宫滴头流道结构形式和尺寸对水力
性能和抗堵塞性能的影响规律，为迷宫滴头流道的设计和优化提供理论
基础和实验支持。
5. 研究意义
迷宫滴头流道在城市排水系统中具有重要作用，研究其水力性能和抗堵塞性能的影响规律，对于提高城市排水系统的运行效率和减少环境污染具有重要意义。
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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。
西安 西安交通大学先进制造技术研究所,710049。
Email:w eizh eng ying8@0 引 言灌水器堵塞问题一直是滴灌系统难以解决的瓶颈问题,虽然综合利用各种物理化学方法进行处理,但灌水器仍存在不同程度的堵塞[1,2]。
迷宫灌水器内部流动状态对整个灌水器性能有很大的影响,而其流道形状复杂,制造和测量难度都较大,现有的研究多倾向于宏观水力学特性的研究,对于灌水器迷宫流道内部流动场的微观化分析研究较少。
王尚锦等[3,4]分析了圆弧迷宫式灌水器流道内的流动特性,层流时流道内存在较多涡旋,认为灌水器的抗堵塞主要依赖于旋涡运动。
M .R .Soler 等[5]分析了在巴塞罗纳(西班牙)的某一地区,由于地形的原因形成空气流动在此滞止,使其附近工业区的污染空气在此聚集,造成这一地区严重的空气污染;N. A.Bog danov [6]分析了由于环境因素使加里宁格勒海湾(波兰)的某些区域形成流动滞止区域,在此形成高度的化学污染和底部沉积。
因此,在采用计算流体力学(CFD )对迷宫灌水器流道内流动状态进行数值模拟计算的基础上,笔者认为灌水器的堵塞是由于其小流道中存在流动滞止区,水中微小颗粒会在此沉积滞留并引起微生物滋长而形成的,应针对流道中存在的流动滞止区进行优化,以提高灌水器的抗堵能力。
1 灌水器迷宫流道流态分析原理1.1 灌水器迷宫流道设计模型选择实际使用中典型的国产灌水器(陕西秦川节水、和平公司)的迷宫流道进行研究,其设计如图1,流道进口截面面积1m m ×1mm ,其中圆弧迷宫型灌水器的设计流量为4L /h ,梯形迷宫灌水器的设计流量为2L /h 。
图1 灌水器迷宫流道设计图Fig .1 D raw ing of laby r inth channels fo r emitter s1.2 小流道流体力学分析原理灌水器流道尺寸一般在0.3～2.0m m 之间,其中的流体为连续流体,这符合N -S 方程,在此假设流道1中的水为定常流动的常温不可压缩流体[7-9]。
流道中流体的控制方程为层流: u x + v y + wz=0式中 u ,v ,w ——分别表示流体在x ,y ,z 方向的速度分量。
紊流: u ′x + v ′y + w ′z =0方程: u x + vy +wz=0 t + u k x k =x k [( + t ) x k ]+c 1 k t u i x j ( u i x j+ u i x i )-c 2 2kk 方程: k t + u j k x j = x j [( + t k ) k x j ]+ tu ix j( u i x j + u i x i)- 式中 ——分子粘性; t ——紊流粘性系数。
k - 方程中的3个系数(c ,c 1,c 2)和3个常数( k , z , T )为经验常数,其值如表1。
表1 k - 模型中的系数T able 1 Co efficients of k - mo delc c 1c 2 k z T 0.091.441.921.01.30.9～1.01.3 流体流动状态的判别雷诺数R e 通常用来判别流动状态:R e =DeV v =De v qA式中 q ——灌水器的流量,L/h;A ——灌水器流道横截面面积,mm 2;De ——当量直径,mm ,因灌水器流道横截面为矩形,当量直径De 为水力半径R 的4倍,De=4R =4a b 2(a +b )=2a b(a +b ),a ,b ——流道横截面长和宽,m m,A =a b ,此处a =b =1m m;v ——流体的运动粘性系数,20℃时水的运动粘性系数v = 1.003×10-6m 2/s [10]。
灌水器常用流量为2～4L/h,其雷诺数Re =554～1108,流道中的流体应为层流;而对于大流量灌水器其流量为8～10L/h,雷诺数Re =2488～2769.5,流道中的流体应为紊流。
本文应用基于CFD 的流体分析软件FLUENT 对灌水器迷宫小流道进行流动特性的数值模拟分析。
由于迷宫流道是由方管和弯管组成,在模拟分析迷宫流道之前,为检验用FLUENT 软件对灌水器小流道CFD 模拟计算结果的准确性,首先对与灌水器流道尺度相当的小圆直管、方管和弯管进行模拟计算,结果与流体力学理论计算结果和参考文献[11,12]进行比较,误差基本上在0.5%～0.8%之间,弯管的计算误差最大的只有3.2%,误差很小,说明应用FLUENT 进行灌水器迷宫流道流态分析是适用的[13]。
2 圆弧迷宫流道内流体流态及结构堵塞机理分析 针对迷宫流道结构(图1),分别假设在层流和紊流流态下分析迷宫流道内的流动场。
q =4L /h 时,Re =1108<2100(层流);q =10L /h 时,R e =2769.5>2100(紊流)。
2.1 圆弧迷宫流道流态分析模型的构建根据迷宫流道设计图1a 的流道形状及水流路径的特征,截取两排圆弧迷宫流道作为数值计算模型如图2所示。
为清楚起见,图3为轴向和进口面网格划分图。
图2 圆弧迷宫流道数值计算模型Fig .2 N umerical computation model of ar c labyr inth channel图3 迷宫流道网格划分图Fig .3 Gr id plo t of labyr inth channel结合模型实际情况,进出口面为方形,采用矩形网格划分如图3a 。
轴向迷宫流道因为弯曲变化剧烈,圆弧拐角处采用扇形网格划分,直线段采用矩形网格。
在截面形状变化较大的区域,将网格划分得密集一些,在进出口段和两排迷宫的连接段因为形状简单,将网格划分得稀疏一些,同时采用加密边界层网格划分,如图3b 所示。
模拟计算进口条件q =4L/h 时,进口平均速度V = 1.11m /s,用层流模型(Laminar )模拟计算;q =10L/h 时,进口平均速度V =2.778m/s,用紊流模型(K -epsilon)模拟计算。
出口条件为表压等于零。
2.2 圆弧迷宫流道流体的流态和防堵结构分析通过模拟计算,层流和紊流时流道中的速度矢量图如图4和图5所示。
由图4、图5可以看出,偏离速度主流区的弯角处(A 区、B 区)都有一定的涡旋区存在(紊流时有所减小),流道出口处上侧(C 区)尤为明显。
根据流体力学以及流体动力学的基本理论可知,此旋涡区对于消能具有积极作用,然而,定量的分析旋涡区的形成可以看到,在旋涡区的中心水流的速度近似为零,形成流动滞止区,这样的特点对保持流道始终通畅具有明显的不利。
因为灌水器在实际使用时,其内部流2农业工程学报2005年 动并不是单一的流体-水,而是含过滤不掉的固体颗粒和使用中水肥往往同步供给使肥料固体不能完全溶解,以及盐类的结晶造成水中含有固体颗粒。
当这些颗粒运动到这些旋涡区极易在此处沉积下来,这就是造成堵塞的根本原因。
图4 圆弧迷宫流道层流速度矢量图F ig .4 V elo city v ector gr aph of laminar flo w o f ar c labyr inthchannel图5 圆弧迷宫流道内紊流速度矢量图Fig .5 V elocity vecto rg ra ph o f turbulent flow of a rc laby rinth channel2.3 圆弧迷宫流道流态相似实验分析为检验迷宫流道流态模拟计算与实际情况的相符性,需通过实验进行检验。
因迷宫小流道尺寸微小不便观察测试,在此应用水力相似(雷诺)原理[10],采用尺寸放大的模型模拟微小流道内的流动。
考虑到现有的激光多普勒设备和实验件的加工可行性,截取两排迷宫流道按照其设计尺寸(图1a)同一比例放大15倍在有机玻璃实体上加工出迷宫流道,为使起始段流体充分发展,将起始段加长为流道截面尺寸的40倍(图6a ),在其上覆盖薄层有机玻璃板并进行密封形成图6b 中的实验件。
在相似实验中雷诺数应与流体分析相等即Re m =R e p =1108,经计算相似实验管路中平均速度应为V m =0.072m /s,因此调整实验流量为q m =57.71L /h ,使水压波动小于2%,在室温20℃环境中,用测量分辨率为0.1m m 的激光多普勒测速仪LDV (Laser Do ppler Velocim eter )实际测量迷宫流道内的流速分布。
图6b为相似实验台。
图6 迷宫流道相似实验F ig .6 Similitude char acteristic ex per iment o f laby rint h channel3 第6期魏正英等:滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究 在此选取一个完整的迷宫流道单元(图6a 中截面Ⅰ—Ⅱ之间)测量其中的速度场,如图6a 上的Ⅰ—Ⅷ截面为流道单元的测量位置,图7为截面Ⅲ上沿流道深度方向等间隔的截线(a ～g )上测量出的速度分布图,将其合成为截面Ⅲ上的速度分布图8。
