CN101021881A - 一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法 - Google Patents

一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及灌溉领域，提供一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法。步骤如下：(1)建立灌水器流道的结构模型，对模型进行网格划分和设定计算区域的边界条件；(2)应用CFD求解器对滴头流道模型进行数值计算；(3)计算得到流速场、涡量分布参数，确定滴头流道内的低流速区域位置、压能耗散的决定因素；(4)修整流道结构边界，改变齿型结构，通过对齿尖处射流偏转的流动分析，减少齿尖处及背水面对流道边界的冲刷，强化流场中的漩涡结构；(5)反复几次数值计算，对比优化前、后的流道内的流场参数，以确定灌水器的抗堵塞能力，测定灌水器的流量－压力关系，以保证灌水器的水力性能。本发明的方法适用于各种类型的滴灌灌水器。

Description

一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法
技术领域
本发明涉及农业节水灌溉技术领域，具体涉及到一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法。
背景技术
灌水器(滴头)是滴灌系统的关键部件之一，其工作原理是使有压水流通过其内部的狭长流道或微孔充分消能，以稳定、均匀的低流量滴入土壤。灌水器性能的优劣对整个滴灌系统灌水的均匀性、节水性、系统寿命影响很大。流道堵塞是灌水器经常发生的现象，也一直是抑制滴灌发展的瓶颈，有研究表明，即便综合利用各种物理化学方法进行处理，灌水器流道堵塞仍无法消除。这与灌水器流道内的水流流动特性是影响堵塞的主要因素是有直接关系的。目前罕有关于滴灌灌水器流道设计有实际指导意义的研究公开发表。
目前针对滴头流道抗堵塞结构的研究，主要集中于其内部流动的分析，其中计算流体力学(CFD)方法以其本身的适用性、灵活性及在降低设计成本、缩短开发周期方面的优势，在滴头结构优化设计方面得到了较为广泛的应用。许多学者采用该方法分析了灌水器流道中存在的流动滞止区结构，对漩涡区进行修正，修整后流道主流区域加大，消除了漩涡区及低流速区；此外，也有学者通过固液两相模拟的方法消除流道内的颗粒易聚集的区域，修整后的流场水流平顺，无明显漩涡区域，该方法对控制流道内的颗粒沉积有一定的积极效果。但是以上的优化方式均对滴头水力性能的维持上考虑甚少，需要增加流道长度以弥补稳定消能方面的不足，这一点既不经济也不符合目前滴灌设备的发展趋势。
发明内容
考虑到国内在灌水器流道设计理论上的空白，本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法，该方法所设计的滴灌灌水器能够加强水流对流道壁面的冲刷，防治杂质沉积以及微生物的滋生，同时使得灌水器仍然具备较好的消能效果，水力性能良好。
本发明所提供的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，设计思路如下：
利用CFD(计算流体力学)技术的可视化优势，确定滴头流道内的低流速区域位置、压能耗散的决定因素以及流道边界结构对堵塞问题的影响。分析了流道齿尖处射流偏转的流动状况，并以此为依据修整流道边界，加强了水流对流道边界的冲刷，通过优化前后的流速场、涡量分布等参数的结果分析，确定灌水器的抗堵塞能力的提高，同时优化后的流道结构强化了原有的流场中的漩涡结构，增加了流动混掺，有效的消减了压能，降低了滴头的流态指数，保证了水力性能。
本发明所提供的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，步骤如下：
(1)建立灌水器流道的结构模型，对模型进行网格划分和设定计算区域的边界条件；
(2)应用CFD求解器对灌水器流道模型进行数值计算；
(3)计算得到流速场、涡量分布等参数，确定灌水器流道内的低流速区域位置、压能耗散的决定因素以及流道边界结构对堵塞问题的影响；
(4)修整流道结构边界，改变齿型结构以改善低流速区域的流动状态，通过对齿尖处射流偏转的流动分析，减少齿尖处及背水面的流道尺寸，以加强水流对流道边界的冲刷效果，同时强化了流场中的漩涡结构，增加了流动混掺，有效的消减了压能；
(5)反复进行几次数值计算，得到理想的流道结构，对比优化前后的流道内的流场参数，以确定灌水器的抗堵塞能力的提高，测定灌水器的流量-压力关系，以保证灌水器的水力性能。
所述步骤(1)构建滴灌灌水器分形式流道的结构模型，采用AutoCAD软件实现流道的几何建模，流道尺寸，采用CFD前处理软件GAMBIT对整个模型进行网格划分，网格采用0.1mm的六面体网格，并对边界处设置网格加密，入口和出口处以压力为边界条件。
所述步骤(2)应用FLUENT软件对流道内水流运动进行模拟，选用的湍流模型为标准k-ε模型，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力项采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。
所述步骤(3)基于CFD技术模拟计算的结果，得到流速分布、涡量分布等参数，在速度分布的局部图(图3)中的流道边界直角背水面(C、D区域)中存在明显的漩涡回流，这些漩涡与主流相互混掺构成灌水器消能的主要因素，而在平齿的背水面(A、B区域)附近流速很低，且无明显回流现象，为堵塞发生的隐患区域。而湍流中涡旋的存在，一方面达到了流道消能的目的，另一方面涡旋的运动不断冲刷流道壁面起到了清洗的作用。通过涡量分布图，可以得到在A、B区存在明显的低涡量区，不利于流道形成“自清洗”功能，应予以修整。
所述步骤(4)针对消除堵塞的隐患区域，对流道结构进行优化：(1)将齿型由平齿变为尖齿，以减少水流经过平齿时形成的旋涡脱落，较尖的齿型也加剧了流束的收缩，使得背水面形成一定的压力差，有利于回流的形成，从而改变了堵塞隐患区域的流动形式，使其作用类似于漩涡区；(2)减少齿尖处及背水面的流道宽度，使齿尖处射流尽量充满流道，减少低速区域形成的空间，也使漩涡区空间减小，增强边壁回流流速，同时也使得流道迎水面最厚部位相对前移，增加了C、D两区的流道阻力，涡量增强；(3)在流道边界的连接处形成一定的钝角，加大水流对边界的冲洗范围。
所述步骤(5)根据优化后的灌水器在不同压力条件下流量的测定，得到流量-压力关系。
所述入口和出口处以压力为边界条件，入口条件设为压力入口，采用滴灌灌水器的额定压力100kPa，出口条件设为压力出口压力0kPa，其余位置以速度为边界条件，设初试速度为0。
所述(2)减少齿尖处及背水面的流道宽度，优化后宽度为0.7mm。
所述(1)为使所采用的滴头流道中的主流可以较好的冲刷到顶部流道，在固定齿底宽度的情况下，尖齿的角度可以设定在14°-27°之间，考虑到灌水器堵塞的敏感尺寸以及整个流场计算的结果，20°条件下流场漩涡明显，为较佳结构。
本发明的设计方法适用于各种类型的滴灌灌水器进行抗堵塞流道设计，优化后的流道抗堵塞性能有了大幅度提高。由于齿尖处射流偏转及收缩所造成的背水面主流与边壁之间的低流速区域通过结构优化改变其流动状态，变为可以消减压能的回流，同时对回流区域的流道尺寸进行修减，增强回流对边壁处的冲刷效果，抑制杂质沉积和微生物滋生，减少流道的堵塞隐患，使流道长时间运行不会发生堵塞。本方法在一定程度上达到了灌水器的水力性能与抗堵塞性能的和谐发展。
发明的有益效果：
目前，灌水器流道模具加工成本昂贵、周期长，试验测试的方法来优化流道形式既不经济也不合理的，本发明采用射流理论分析，配合CFD方法的可视化优势对于降低设计成本、缩短开发周期以及提高自主开发能力等方面都起到了十分重要的作用。本发明中提及的设计方法对于完善灌水器流道设计理论，弥补国内在灌水器设计理论上的不足有着显著的意义。有广阔市场前景。
结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明采用的分形式流道(优化前)结构平面图；
图2是本发明采用的分形式流道(优化后)结构平面图；
图3是本发明流道(优化前)速度矢量图(局部)；
图4是本发明流道(优化前)中涡量分布图(局部)；
图5是本发明流道(优化后)的流量-压力关系；
图6是本发明流道(优化后)的速度矢量图(局部)；
图7是本发明流道(优化后)的涡量分布图(局部)。
具体实施方式
下面参考附图，对本发明的典型具体实施例作详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明方法采用数值模拟的方法对流道结构进行修整，下面以滴灌灌水器分形式流道为例，具体说明其流道结构优化的设计步骤：
1、构建滴灌灌水器分形式流道的结构模型，对模型进行网格划分和设定计算区域的边界条件；
图1是本发明采用的分形式流道(优化前)结构平面图，如图1所示，采用Auto CAD软件实现流道的几何建模，流道尺寸如图所示。采用CFD前处理软件GAMBIT对整个模型进行网格划分，网格采用0.1mm的六面体网格，并对边界处设置网格加密。入口和出口处以压力为边界条件，入口条件设为压力入口，采用滴灌灌水器的额定压力(100kPa)，出口条件设为压力出口(0kPa)。其余位置以速度为边界条件，设初试速度为0。图中数字(0.4，0.9，1.3，2.2)为灌水器流道原型的结构尺寸(单位为mm)。
2、应用CFD求解器对滴头流道模型进行数值计算；
灌水器流道内部流体流动可视为典型的粘性不可压缩流动，满足连续方程和动量方程。应用FLUENT软件对流道内水流运动进行模拟，选用的湍流模型为标准k-ε模型，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力项采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。
3、计算得到流速场、涡量分布等参数，确定灌水器流道内的低流速区域位置、压能耗散的决定因素以及流道边界结构对堵塞问题的影响。
基于CFD技术模拟计算的结果，得到流速分布(图3)、涡量分布(图4)等参数，图中左边数值表示该颜色矢量所代表的流速值单位分别为m/s、l/s。
图3是本发明流道(优化前)速度矢量图(局部)；
由图3可以看出，流场中清晰的分为主流区(图中颜色较深部分，E区域)和边壁处(图中颜色较浅部分，A、B、C、D区域)的二次流动区。主流区流速较高，不易发生堵塞；但当主流绕过齿尖时，在惯性的作用下形成了射流，流束也随之呈明显的收缩和偏转，使得主流在进入下一单元流道空腔时偏转到的一侧的壁面，而与另一侧的壁面之间形成一定面积的低流速区，此区域边壁处流速在0-0.15m/s之间，冲刷效果很差，为灌水器流道堵塞的隐患区域，应予以消除或者改变此处的流动形式，如图中的A、B区域；此外，边界处的C、D两区呈现明显的回流，流道空间内被一个强烈的漩涡充满，漩涡与主流不断发生混掺，消减能量，与齿尖消能共同构成流道消能的主要因素，虽然漩涡中心处为明显的低流速区域，但是漩涡回流对边界的冲刷效果可以避免悬浮颗粒沉积，加强回流效果对于抑制堵塞有积极效果，优化设计中应予以保留甚至强化。
涡量是表示测量面各个位置涡的强弱的物理量，正是这些涡旋的存在，一方面达到了流道消能的目的，另一方面涡旋的运动不断冲刷流道壁面也起到了清洗作用，图4中可以看出，在迎水面齿尖处涡量一直保持较高，量级达到5×104，而在堵塞隐患区(A、B区)存在明显的低涡量区，不利于流道形成“自清洗”功能，应予以修整，虽然漩涡区(C、D区)在中心为低涡量区，但边界处涡量在量级上与一部分主流区相当，对堵塞影响不大。
4、流道的优化设计与分析
根据以上的分析可知，提高的滴头流道的抗堵塞性能，应尽量消除壁面处的低流速区域，同时要求兼顾流道的良好水力效果：漩涡区予以保留并予加强，使得压能得以进一步消减，并尽可能的提高边界回流速度；消除射流形成的低流速区域或者改变该处的流动形式，提高对边壁冲刷效果。
针对消除堵塞的隐患区域，对流道结构进行优化：图2中，(1)将齿型由平齿变为尖齿，减少水流经过平齿时形成的旋涡脱落，较尖的齿型也加剧了流束的收缩，使得背水面形成一定的压力差，有利于回流的形成，从而改变了堵塞隐患区域的流动形式，使其作用类似于漩涡区，为使采用滴头流道中的主流可以较好的冲刷到顶部流道，在固定齿底宽度的情况下，尖齿的角度可以设定在14°-27°之间，考虑到灌水器堵塞的敏感尺寸以及整个流场计算的结果，20°条件下流场漩涡明显，为较佳结构；(2)减少齿尖处及背水面的流道宽度(优化后宽度为0.7mm)，使齿尖处射流尽量充满流道，减少低速区域形成的空间，也使漩涡区空间减小，增强边壁回流流速，同时也使得流道迎水面最厚部位(齿尖位置)相对前移，增加了C、D(参见图3)两区的流道阻力，涡量增强；(3)在流道边界的连接处形成一定的钝角，加大水流对边界的冲洗范围。图中数字(0.7，1，1.3，1.4，1.8)为优化后的灌水器流道模型的结构尺寸(单位为mm)。
5、优化后流道的性能分析
图5为优化后的灌水器的流量-压力关系图，由图中可以看出，优化前与优化后相比，优化后的灌水器流态指数较低，消能效果良好，在不用提高流道长度的条件下既可以保证灌水器的水力性能，节约了制造成本。
图6可以看出流道边界的流速有所提高，绝大部分区域达到0.5m/s以上，其冲刷效果可以保证颗粒物质难以沉积于边壁，同时对微生物的生长积累也起到抑制作用。优化后的流道中的低速区域(A、B区)变为漩涡区，每个流道单元中都形成3个明显的回流漩涡(A、C、D区)，堵塞隐患区(A、B区)基本消除，达到了提高抗堵塞性能的要求。
图7中流场整体涡量有大幅提高，对于边界处，C、D区涡量平均有了提高10％左右的提高，而A、B区的涡量则平均提高了100％，优化后灌水器的抗堵塞性能明显提高，基本上实现了“自清洗”功能，同时也说明了采用的优化方法的正确性和可靠性。
虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内。

Claims (9)

1、一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其步骤如下：
(1)建立灌水器流道的结构模型，对模型进行网格划分和设定计算区域的边界条件；
(2)应用CFD求解器对灌水器流道模型进行数值计算；
(3)计算得到流速场、涡量分布参数，确定灌水器流道内的低流速区域位置、压能耗散的决定因素以及流道边界结构对堵塞问题的影响；
(4)修整流道结构边界，改变齿型结构以改善低流速区域的流动状态，通过对齿尖处射流偏转的流动分析，减少齿尖处及背水面的流道尺寸，以加强水流对流道边界的冲刷效果，同时强化了流场中的漩涡结构，增加了流动混掺，有效的消减了压能；
(5)反复进行几次数值计算，得到理想的流道结构，对比优化前、后的流道内的流场参数，以确定灌水器的抗堵塞能力的提高，测定灌水器的流量-压力关系，以保证灌水器的水力性能。
2、根据权利要求1所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述步骤(1)构建滴灌灌水器分形式流道的结构模型，采用AutoCAD软件实现流道的几何建模，流道尺寸，采用CFD前处理软件GAMBIT对整个模型进行网格划分，网格采用0.1mm的六面体网格，并对边界处设置网格加密，入口和出口处以压力为边界条件。
3、根据权利要求1所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述步骤(2)应用FLUENT软件对流道内水流运动进行模拟，选用的湍流模型为标准k-ε模型，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力项采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。
4、根据权利要求1所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述步骤(3)基于CFD技术模拟计算的结果，得到流速分布、涡量分布参数，在速度分布的局部图中的流道边界直角背水面C、D区域中存在明显的漩涡回流，这些漩涡与主流相互混掺构成灌水器消能的主要因素，而在平齿的背水面A、B区域附近流速很低，且无明显回流现象，为堵塞发生的隐患区域，而湍流中涡旋的存在，一方面达到了流道消能的目的，另一方面涡旋的运动不断冲刷流道壁面起到了清洗的作用，通过涡量分布图，可以得到在A、B区存在明显的低涡量区，不利于流道形成“自清洗”功能，应予以修整。
5、根据权利要求1所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述步骤(4)针对消除堵塞的隐患区域，对流道结构进行优化：(1)将齿型由平齿变为尖齿，减少水流经过平齿时形成的旋涡脱落，较尖的齿型也加剧了流束的收缩，使得背水面形成一定的压力差，有利于回流的形成，从而改变了堵塞隐患区域的流动形式，使其作用类似于漩涡区；(2)减少齿尖处及背水面的流道宽度，使齿尖处射流尽量充满流道，减少低速区域形成的空间，也使漩涡区空间减小，增强边壁回流流速，同时也使得流道迎水面最厚部位相对前移，增加了C、D两区的流道阻力，涡量增强；(3)在流道边界的连接处形成一定的钝角，加大水流对边界的冲洗范围。
6、根据权利要求1所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述步骤(5)根据优化后的灌水器在不同压力条件下流量的测定，得到流量-压力关系。
7、根据权利要求2所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述入口和出口处以压力为边界条件，入口条件设为压力入口，采用滴灌灌水器的额定压力100kPa，出口条件设为压力出口压力0kPa，其余位置以速度为边界条件，设初始速度为0。
8、根据权利要求5所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述(2)减少齿尖处及背水面的流道宽度，优化后宽度为0.7mm。
9、根据权利要求5所述的抗堵塞滴灌灌水器设计方法，其特征在于，所述(1)为使所采用的滴头流道中的主流可以较好的冲刷到顶部流道，在固定齿底宽度的情况下，尖齿的角度可以设定在14°-27°之间，考虑到灌水器堵塞的敏感尺寸以及整个流场计算的结果，20°条件下流场漩涡明显，为较佳结构。
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