CN101667218B

CN101667218B - 削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法

Info

Publication number: CN101667218B
Application number: CN2009101807695A
Authority: CN
Inventors: 喻黎明; 吴普特; 吴文勇; 刘洪禄
Original assignee: BEIJING INST OF WATER CONSERVANCY SCIENCE
Current assignee: BEIJING INST OF WATER CONSERVANCY SCIENCE
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: CN101667218A

Abstract

本发明公开了一种削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，包括：构建滴灌灌水器内部流道的几何结构模型，确定所述流道的入口和出口处边界条件；根据所述边界条件，采用计算流体力学CFD固液两相流模型对流道模型进行数值模拟；提取所述流道一半位置上带有悬浮颗粒含量百分比的截面，按照最小悬浮颗粒浓度曲线修改所述流道模型；重复上述步骤，筛选出最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度的流道形状。本发明首次将滴灌灌水器的水力性能、抗堵塞性能及流道加工综合考虑，能够形成较优的流道结构形式。

Description

削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法

技术领域

本发明涉及一种农业滴灌技术，具体说，涉及一种削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法。

背景技术

滴灌灌水器在滴灌系统中是最重要的部件之一，滴灌灌水器被称之为滴灌系统的心脏，其作用是使有压水流过其内部的狭长流道结构或微孔充分消能，以水流稳定、均匀地滴入土壤。其水力性能和抗堵塞性能是滴灌系统投资、运行成本和运行年限的决定因素，其中滴灌灌水器质量的好坏直接影响到整个滴灌系统的运行可靠性、成本和使用年限。对于滴灌灌水器的堵塞问题，一直是国内外学者研究的重点，也是自始至终困扰研究人员和应用者的一个难题。据有关报道，即使在水质良好的条件下，采用较为完善的过滤措施，滴灌系统仍存在有大约1/3的物理堵塞。

中国专利申请200710063794.6公开了一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法，包括以下步骤，(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，减少齿尖处和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-压力参数，以保证灌水器的水力性能。

中国专利申请03134229.9公开了一种基于流态的微灌灌水器抗堵流道的优化设计方法，包括：构建灌水器迷宫型流道流态分析模型；网格划分和边界条件设定；迷宫型流道流体的流动模拟；迷宫型流道防堵结构分析及优化。通过对灌灌水器流道进行流动特性分析和数值模拟计算，分析流道中流体存在的流动滞止区即“死区”，去除流道中存在的“死区”。

目前针对滴灌灌水器流道抗堵塞的研究主要利用计算流体力学(CFD)对滴灌灌水器内部水流流动进行分析，该方法具有成本低、灵活性强和缩短设计周期等优点。许多学者采用该方法分析滴灌灌水器的流道内水流运动规律，削除水流产生的制止区、漩涡区和低流速区。另外，也有学者通过固液两相流模拟的方法消除滴灌灌水器的流道内颗粒易集聚的区域，但仍是以水流的流线和整个流场水流的流动情况出发对流道进行修改，该方法能改善抗堵塞能力但改变了灌水器原有的水力性能，需要增加流道长度来弥补消能方面的不足。

发明内容

本发明公开了一种削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，能够获取最佳的流道结构形式。

技术方案方案如下：

一种削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，包括：

步骤一：构建滴灌灌水器内部流道的几何结构模型，确定所述流道的入口和出口处边界条件；

步骤二：根据所述边界条件，采用计算流体力学CFD固液两相流模型对流道模型进行数值模拟；

步骤三：提取所述流道深度一半位置上带有悬浮颗粒含量百分比的截面，按照最小悬浮颗粒浓度曲线修改所述流道模型；

步骤四：循环并多次重复上述步骤一至三，筛选出最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度的流道形状。

进一步，上述灌水器抗堵塞设计方法在实施完步骤一至四之后还包括：

步骤五：采用算术平均法统计流道修改尺寸，将所述流道统一成标准尺寸，并将所述标准尺寸的流道按照设定的倍数放大或者缩小；

步骤六：对每种流道结构进行水力性能模拟，并比较水力性能参数中的流态指数和流道宽度，取最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度，并且流态指数较小、流道宽度较大的流道形式作为最终的流道。

进一步，所述设定的倍数包括：0.8倍、1.0倍、1.2倍、1.4倍或者1.6倍。

进一步，以所述流道的入口和出口处压力，及入口悬浮颗粒浓度为边界条件。

进一步，采用AUTOCAD软件来构建滴灌灌水器内部流道的几何结构模型，流道的横截面为矩形，并采用CFD前处理软件GAMBIT对整个模型进行网格划分，网格采用六面体结构网格，并对边界处设置网格加密。

进一步，应用CFD流场计算分析软件FLUENT软件对流道内的固液两相流运动进行模拟，选用欧拉多相流模型，湍流模型为Realizable，壁面处理函数为Non-Equilibrium Wall Functions；设置重力条件，计算方法采用定常的耦合隐式算法，采用先一阶后二阶迎风格式。

本发明技术方案带来的技术效果包括：

1、现有技术中，仅从单一水流特性推测悬浮颗粒的运动规律及分析滴灌灌水器的抗堵塞性能，而本发明首次采用固液两相流进行模拟，此方法更加相符实际情况。

2、从CFD计算结果中提出含悬浮颗粒的截面，本发明首次按照最小悬浮颗粒曲线修改流道，并获得最佳的流道结构形式。

3、本发明技术方案首次将滴灌灌水器水力性能、抗堵塞性能及流道加工综合考虑，能够形成较优的流道结构形式。

附图说明

图1是本发明中流道结构优化前的沿轴向的纵剖面示意图；

图2是本发明中流道结构优化前的沿轴向的悬浮颗粒浓度分布平面图；

图3是本发明中流道沿轴向的悬浮颗粒浓度(多次流道修改后，统一尺寸标准前)分布平面图；

图4是本发明中流道沿轴向的悬浮颗粒浓度(统一尺寸标准后)分布平面图；

图5是本发明中流道结构优化后并沿轴向的纵剖面示意图；

图6是本发明中流道结构优化后的沿轴向的悬浮颗粒浓度分布平面图。

具体实施方式

本发明技术方案通过固液两相流进行模拟，并且对滴灌灌水器的水力性能、抗堵塞性能及流道加工进行综合考虑，进而选择出最优的流道结构形式。

本发明中，为了增强了水流对流道边界的冲刷，强化涡旋结构，增强混掺，抗堵塞滴灌灌水器的设计方法包括如下步骤：

步骤一：构建滴灌灌水器内部流道的几何结构模型，并确定滴灌灌水器流道的入口和出口处的边界条件。

本优选实施例中，采用AUTOCAD软件来构建滴灌灌水器内部流道的几何结构模型，流道的横截面为矩形，并采用GAMBIT(CFD前处理软件)对整个模型进行网格划分，网格采用0.1mm的六面体结构网格，网格充满整个流道，并对边界处设置网格加密。以入口和出口处压力，以及固液两相流入口混合液悬浮颗粒浓度为边界条件。

如图1所示，是本发明中流道结构优化前的沿轴向的纵剖面示意图。

步骤二：在入口和出口处以压力为边界条件的情况下，采用CFD固液两相流模型对灌水器流道模型进行数值模拟。

本优选实施例中，应用FLUENT软件对流道内的固液两相流运动进行模拟，选用的是欧拉多相流模型，湍流模型为Realizable(一种FLUENT软件中的双方程模型)，壁面处理函数为Non-Equilibrium Wall Functions；设置重力条件，计算方法采用定常的耦合隐式算法，采用先一阶后二阶迎风格式；固液两相流入口混合液悬浮颗粒浓度为1％(体积百分比)。

步骤三：提取流道深度一半位置上带有悬浮颗粒含量百分比的截面。

基于CFD技术模拟计算的结果，在流道深度一半的位置上，取出一个截面，此截面上包含悬浮颗粒浓度分布、水量分布、水流速度及悬浮颗粒流动速度等等。从CFD软件中输出仅含有悬浮颗粒浓度分布的截面，将此截面输入TECPLOT软件中，从而获得了流道各位置上的悬浮颗粒浓度，也能得到最高和最低悬浮颗粒的位置，并能按照相同的悬浮颗粒浓度获得悬浮颗粒浓度曲线，保留悬浮颗粒浓度最低的曲线，并将悬浮颗粒浓度最低的曲线输出。

如图2所示，是本发明中流道结构优化前的沿轴向的悬浮颗粒浓度分布平面图。以入口和出口处的边界条件得到悬浮颗粒浓度分布平面图，其中，粗线表示流道边界，细线表示含颗粒等值线，数字表示含颗粒的百分比，如0.41即表示41％，即此处含悬浮颗粒浓度41％，含水59％，合计为100％。

步骤四：在流道模型中按照最小悬浮颗粒浓度曲线修改(即优化)流道模型。

将步骤三输出的结果输入到AUTOCAD中，按照悬浮颗粒最低浓度曲线对流道进行修改(即优化)。

步骤五：循环并多次重复进行步骤一至四，筛选出最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度的流道形状，此流道形式即为最佳的抗堵塞流道形式。

如图3所示，是本发明中流道沿轴向的悬浮颗粒浓度(多次流道修改后，统一尺寸标准前)分布平面图。图中粗线条表示筛选出的最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度的流道形状，细线表示含颗粒等值线，数字表示含颗粒的百分比，很明显，从最大浓度来看，已经非常接近入口设置的1％的浓度，从最高的61％下降到3％，效果非常明显。

由于经上述步骤所得出的流道形式有可能不利于机械加工，为了便于滴灌灌水器的加工，需要对流道尺寸进行规整化。

如图4所示，是本发明中流道沿轴向的悬浮颗粒浓度(统一尺寸标准后)分布平面图。经过流道规整后，悬浮颗粒最大浓度又上升到18％，由此可见流道的规整对悬浮颗粒浓度分布的影响明显，需要进一步修整。

步骤六：采用算术平均法统计流道修改尺寸，将流道统一成标准尺寸，将标准尺寸按照0.8倍、1.0倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍放大或者缩小。

步骤七：对每种流道结构形式进行固液两相流模拟、水力性能模拟，并比较水力性能参数中的流态指数、流道宽度和最大悬浮颗粒浓度。选择接近入口悬浮颗粒浓度(1％)，且流态指数较小、流道宽度较大的流道形式作为最终的流道，此流道形式即为较优的抗堵塞流道形式。

如图5所示，是本发明中流道结构优化后并沿轴向的纵剖面示意图。本图中的流道结构是对图1示例的优化，并经统一成标准尺寸后修改的尺寸如下：在底面设置的斜面包括设置在入水口方向的斜面41和设置在出水口方向的斜面42。斜面41的水平长度是0.64mm，垂直高度是0.34mm；斜面42水平长度是0.31mm，垂直高度是0.28mm。

如图6所示，是本发明中流道结构优化后的沿轴向的悬浮颗粒浓度分布平面图。图中粗线条表示流道形状，细线表示含颗粒等值线，数字表示含颗粒的百分比。

从图6可知，本模拟产品中，固体悬浮颗粒的浓度从优化前的61％下降到了5％，下降明显，可实现抗堵塞功能。

Claims

1.一种削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，其特征在于，包括：

步骤四：循环并多次重复所述步骤一至步骤三，筛选出最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度的流道形状。

2.如权利要求1所述的削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，其特征在于：所述的灌水器抗堵塞设计方法在实施完所述步骤一至四之后还进一步包括：

3.如权利要求2所述的削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，其特征在于：所述设定的倍数包括：0.8倍、1.0倍、1.2倍、1.4倍或者1.6倍。

4.如权利要求1所述的削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，其特征在于：以所述流道的入口和出口处压力，及入口悬浮颗粒浓度为边界条件。

5.如权利要求4所述的削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，其特征在于：采用AUTOCAD软件来构建滴灌灌水器内部流道的几何结构模型，流道的横截面为矩形，并采用CFD前处理软件GAMBIT对整个模型进行网格划分，网格采用六面体结构网格，并对边界处设置网格加密。

6.如权利要求5所述的削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，其特征在于：应用CFD流场计算分析软件FLUENT软件对流道内的固液两相流运动进行模拟，选用欧拉多相流模型，湍流模型为Realizable，壁面处理函数为Non-Equilibrium Wall Functions；设置重力条件，计算方法采用定常的耦合隐式算法，采用先一阶后二阶迎风格式。