CN102609569B

CN102609569B - 一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法

Info

Publication number: CN102609569B
Application number: CN201210013015.2A
Authority: CN
Inventors: 王建东; 龚时宏; 马晓鹏; 许迪; 张彦群; 于颖多
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102609569A

Abstract

本发明公开了一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，涉及农业节水灌溉技术领域，所述方法包括：初步选定灌水器的相应流道结构参数；基于工作压力2m-8m水头范围内，对灌水器的水力性能进行计算并以流态指数进行判定；基于工作压力4m水头，对灌水器的抗堵塞性能进行计算，并以流道内颗粒浓度值进行评定；基于工作压力4m水头下，进行含沙水下抗堵塞性能实物室内测试，并以最后阶段灌水器样本数的堵塞率进行评定；从而最终定型低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数。本发明采用低压下数值模拟与室内实物测试相结合手段，以低压下灌水器水力性能和抗堵塞性能相关指标优劣为评价依据，提出了低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，提高了国内低压滴灌灌水器自主开发能力，在大幅减少灌水器开发周期和费用的同时，确保了设计方案的准确性。

Description

一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及农业节水灌溉技术领域，具体涉及到一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法。

背景技术

面对资源的日益紧张和短缺，建立节约型的社会已成为各行业的紧迫任务。在滴灌技术领域，随着节能、降耗意识的加强，低压滴灌技术已渐成为农业节水灌溉技术领域的研究热点和未来重点发展趋势之一。但就目前国内的情况分析来看，低压滴灌系统的一些关键设备基本沿用原有常压滴灌系统的相关设备，如滴灌灌水器等，目前并没有适合于低压滴灌系统的专用灌水器，其主要原因就是缺少相应的设计方法和理论体系。灌水器作为滴灌系统的最关键的部件之一，其作用是形成水头损失，压力水流进入灌水器消能，以稳定、均匀的低流量滴入土壤，灌水器出水流量很小，一般单个灌水器的流量只有1-8L/h，因而滴头出水孔很小，一般只有0.7-1.1mm左右，因此滴灌系统致命弱点是极易被水中的污物堵塞。灌水器流道结构及其水力性能和抗堵塞性能的优劣对滴灌系统的灌水均匀性、系统运行寿命影响很大。可以说，灌水器的工作性能直接决定了滴灌系统的工作性能。

由于缺乏相应的设计理论指导，灌水器的设计与研发已成为阻碍我国企业与国外厂商竞争的主要因素，我国滴灌技术的健康发展与竞争力的提高，要求我们必须建立自己的滴头设计理论体系和制定相应的技术指标。我国自从20世纪70年代初引进滴灌技术以来，自主开发了微管发丝滴头、管式滴头和孔口滴头等灌水器，由于不具有较好的抗堵塞性能、水力性能和结构形式及制造工艺等方面的问题，到80年代后期已极少应用。20世纪90年代以后，我国一些企业采取两种途径来改善滴头性能，一是完全仿造国外先进的滴头结构，如山东莱芜塑料制品总厂仿造了澳大利亚哈迪公司的管上式滴头(压力补偿与非压力补偿两种)，北京绿源公司仿造了以色列Plastro公司的Katif滴头；二是采用高额引进的办法，即购买国外的滴头专利及其模具，如北京绿源公司制造的Taphoon迷宫滴头，山东莱芜厂从意大利引进了内嵌式圆柱迷宫滴头。国内其他一些公司引进的滴灌带(管)生产线中的滴头基本上是连滴头模具一同购进的。而国际上一些著名的公司，如Netafim、Rainbird、Dis公司等都具有自己的滴头设计所，但流道设计理论和方法均受到严格保密，罕见有相关的对灌水器设计有实际指导意义的文章公开发表。

近些年来，国内有关学者围绕滴灌灌水器的设计机理，基于室内实物测试试验和数值模拟等手段，就滴灌灌水器内部流体流动特性、灌水器水力性能和抗堵塞性能等内容开展了一些研究，取得了一定成果，一些学者还提出了抗堵塞滴灌灌水器的设计方法，如中国发明专利名称为：“一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法”，专利号为ZL200610018493.7，中国发明专利名称为：“一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法”，专利号为ZL200710063794.6等，这些发明专利都基于常规压力(10米工作压力)条件下，以计算流体力学(CFD)和Fluent模拟软件为基本方法，基于灌水器单相流和两相流模拟与室内试验测试等技术手段，提出了抗堵塞滴灌灌水器的设计方法，这些专利对国内自主构建抗堵塞灌水器设计方法和理论体系起到了积极作用，但这些发明专利所提出的抗堵塞灌水器设计方法还存在以下不足：一是这些发明专利的实施方式及主要技术手段是针对常规压力(10米工作压力)下所开展，针对低压滴灌(工作压力不大于6米)灌水器的设计理论和方法目前基本处于空白；二是这些发明专利在设计过程中，主要依靠数值模拟方法，在灌水器室内实物测试特别是抗堵塞室内测试方面较少，数值模拟结果缺乏一定的可验证性，难以保证结果的准确性；三是部分设计方法只强调了灌水器的抗堵塞性能的提高而忽视了对其水力性能分析和改善。

发明内容

本发明的目的是针对我国低压滴灌灌水器设计方法和理论上的空白，基于低压下CFD数值模拟与室内实物测试，以灌水器水力性能和抗堵塞性能相关指标优劣为评价依据，提出了一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法。所述技术方案如下：

本发明提供的一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，其步骤如下：

步骤100，初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数，同时借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型；

步骤200，基于工作压力2m-8m水头范围内，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的水力性能进行数值模拟计算，以灌水器流态指数不大于0.5为关键评价指标，若模拟计算得到的流态指数在0.5以下，则执行步骤300，否则重新回到步骤100；

步骤300，基于工作压力4m水头，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的抗堵塞性能进行数值模拟计算，以流道内颗粒浓度最大值不大于25％为抗堵塞性能初步合格评定标准，若流道内流道颗粒浓度最大值小于等于25％，则执行步骤400，否则重新回到步骤100；

步骤400，将同时满足水力性能和抗堵塞性能评价指标的灌水器加工为实物，基于工作压力4m水头下，按照国际抗堵塞试验标准，借助灌水器抗堵塞试验平台，进行含沙水下抗堵塞性能室内测试，在对CFD数值模拟结果进行验证评估的同时，以最后阶段灌水器样本数的堵塞率不大于25％为合格评价指标，若最后阶段灌水器样本数的堵塞率小于等于25％，则执行步骤500，否则重新回到步骤100，其中，最后阶段灌水器样本数不少于25个；

步骤500，基于最终定型的灌水器流道结构参数，定型并加工出低压滴灌锯齿型灌水器。

具体地，所述步骤100初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数为：齿高度在0.9mm～1.3mm之间，齿角度在34°～45°之间，齿尖参差量为0mm，流道宽度在0.55mm～0.7mm之间，流道深度在0.6mm～0.9mm之间，高宽比在1.6～1.8之间。

具体地，所述步骤200包括，

步骤201，采用GAMBIT软件对灌水器几何模型进行网格划分，选用混合网格，网格划分取0.1mm，个别流道尺寸较小取0.06mm；

步骤202，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的水力性能进行数值模拟计算，计算中选用湍流的模型为标准k-ε模型，计算方法选用非耦合式隐式求解法，速度压力耦合采用了SIMPLEC算法，收敛精度为0.0001，其中，流道入口和出口以压力为边界条件，流道入口为2m-8m工作压力范围，出口为大气压力。

具体地，所述步骤300是基于流道入口工作压力为4m条件下，采用CFD两相流模型进行抗堵塞性能的数值计算，在两相流设置中，第一相为水相，第二相为砂相，砂相悬浮颗粒假设为球形，尺寸均匀，密度2500kg.m^-3，颗粒粒径选取0.07mm，流道入口浓度选取0.8％。

具体地，所述步骤400采用国际抗堵塞试验标准中的“短周期方法”，所述的灌水器抗堵塞试验平台至少包括含沙水混合罐、潜水泵、控制阀、测压装置、待测灌水器和毛管、量筒、回水管等设备，并且以最后阶段不少于25个灌水器样本数的堵塞率不大于25％为合格判定指标。

具体地，所述步骤500中流道结构尺寸的加工误差不大于1％。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明采用低压下数值模拟与室内实物测试相结合的手段，以低压下灌水器水力性能和抗堵塞性能相关指标优劣为评价依据，构建了低压滴灌锯齿型灌水器设计指标体系，填补国内相关空白，提出了低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，提高了国内低压滴灌灌水器自主开发能力，在大幅减少灌水器开发周期和费用的同时，确保了设计方案的准确性，解决了目前，灌水器设计存在加工成本昂贵、周期长等现实难题，以及很难找到指导灌水器设计的理论或设计指标体系的问题。因此，本发明对建立我国低压滴灌系统关键设备设计技术体系有重要参考价值，对于进一步促使低压滴灌技术在我国更大面积上的推广应用具有现实而重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例所述锯齿型灌水器流道结构参数定义示意图；

图2是本发明实施例所述低压锯齿型灌水器流道结构优化设计方法的流程图；

图3是本发明实施例所述锯齿型灌水器流道结构几何模型及结构参数；

图4是本发明所述实施例通过CFD数值计算及回归分析获得的灌水器水力性能参数；

图5是本发明所述实施例在进口压力4米时滴头水相和砂相速度矢量分布图；

图6是本发明实施例在进口压力4米且入流浓度为0.8％时颗粒浓度等值线图；

图7是本发明实施例锯齿型灌水器样品室内抗堵塞测试各阶段平均相对流量变化趋势图。

其中，图1中字母含义如下：

W：流道宽度，

H锯齿高度，

θ：锯齿角度，

l：齿间距，

G：齿尖参差量，

L：流道长度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图2所示，步骤100，初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数，同时借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，

所述步骤100初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数，本发明人首先对锯齿型灌水器的流道结构参数进行了大量的低压下组合多因素正交试验和和单因数试验，以灌水器的水力性能和抗堵塞性能相关参数为考核指标，初步建立了低压锯齿型灌水器的设计理论体系，如图1所示，即：锯齿高度H在0.9mm～1.3mm之间，锯齿角度θ在34°～45°之间，齿尖参差量G为0mm，流道宽度W在0.55mm～0.7mm之间，流道深度在0.6mm～0.9mm之间，高宽比在1.6～1.8之间，上述各流道结构参数的选取范围填补了锯齿型灌水器流道结构设计和参数选值的参考空白；

步骤200，基于工作压力2m-8m水头范围内，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的水力性能进行数值模拟计算，以灌水器流态指数为关键评价指标，

所述步骤200采用CFD(计算流体动力学)数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的水力性能进行数值模拟计算，具体包括：

步骤201，首先需要采用GAMBIT软件(专用画图建模软件)对灌水器几何模型进行网格划分，选用混合网格，网格划分一般都是取0.1mm，个别流道尺寸较小取0.06mm，

步骤202，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的水力性能进行数值模拟计算，计算中选用湍流的模型为标准k(湍动能)-ε(耗散率)模型，计算方法选用非耦合式隐式求解法，速度压力耦合采用了SIMPLEC(半隐式方法)算法，本模拟选择收敛精度为0.0001，除计算域进口和出口，其他所有的表面都是流体和固体接触面，都是壁面类型的边界，流道入口和出口以压力为边界条件，流道入口为工作压力(2m-8m)，出口为大气压力，通过数值计算获得不同进口压力(2m-8m范围内)下流量，按照q＝kh^x(式中q代表流量，k代表流量系数，h代表工作压力，x代表流态指数)回归，得到流态指数x来评定灌水器的水力性能，

若模拟计算得到的流态指数在0.5以下，则进行步骤300，否则重新回到步骤100；

步骤300，基于工作压力4m水头，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的抗堵塞性能进行数值模拟计算，

具体包括，采用CFD数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器的抗堵塞性能进行数值模拟计算，采用CFD两相流模型进行抗堵塞性能的数值计算，其中，湍流模型同样采用标准k-ε模型，计算方法选用非耦合式隐式求解法，速度压力耦合采用了SIMPLEC算法，收敛精度为0.0001，在两相流设置中，第一相为水相，第二相为砂相，砂相悬浮颗粒假设为球形，尺寸均匀，密度2500kg.m^-3，颗粒粒径选取0.07mm，浓度选取0.8％，基于流道入口工作压力为4m条件下，通过数值计算获取流道结构内颗粒浓度最大值，进行灌水器抗堵塞性能的评定，以流道内颗粒浓度最大值不大于25％为抗堵塞性能初步合格评定标准，同时分析流道内模拟固体颗粒运动轨迹、沉淀位置等特征，若流道内流道颗粒浓度最大值小于等于25％，则进行步骤400，否则重新回到步骤100，其中，结合固体颗粒在流道内的运动轨迹、沉淀位置等特征分析，进一步在步骤100所确定的流道结构参数范围内，有针对性的对流道结构参数进行修改；

步骤400，将同时满足水力性能和抗堵塞性能评价指标的灌水器加工为实物，基于工作压力4m水头下，按照国际抗堵塞试验标准，借助灌水器抗堵塞试验平台，进行含沙水下抗堵塞性能室内测试，在对CFD数值模拟结果进行验证评估的同时，以最后阶段以不少于25个灌水器样本数的堵塞率不大于25％为合格评价指标，

其中，按照国际抗堵塞试验标准，借助灌水器抗堵塞试验平台，进行含沙水下抗堵塞性能室内测试，具体包括：采用国际抗堵塞试验标准，采用国际抗堵塞试验标准中的“短周期方法”，试验中没有考虑长期运行条件下出现的沉淀和化学反应等，所述的灌水器抗堵塞试验平台至少包括含沙水混合罐(亦称为储水容器)、潜水泵、控制阀、测压装置、待测灌水器和毛管、量筒、回水管等设备，室内抗堵塞试验测试采用天然河砂作为堵塞物质，根据标准试验分8个阶段进行测试，每个测试阶段的含砂浓度和砂子粒径不相同，水中砂粒浓度和粒径随试验阶段升高而逐渐加大，试验各阶段堵塞物质浓度要求详见附表1，判断单个灌水器是否堵塞的标准是：当测试样品的流量不小于额定流量(4米工作水头下清水试验时的灌水器流量)的75％，认为滴头样本没有堵塞，否则认为滴头样本堵塞，

若灌水器样本数的堵塞率小于等于25％，进行下一步骤；若灌水器样本数堵塞率大于25％，则重新回到第一步；

步骤500，基于最终定型的灌水器流道结构参数，定型并加工出低压滴灌锯齿型灌水器，其中，流道结构尺寸的加工误差不大于1％。

下面以图3中所描述的锯齿型灌水器为例，具体说明低压锯齿型滴灌灌水器的流道结构优化设计方法和步骤：

1)初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数，该锯齿型灌水器流道结构关键如下：如图3所示，锯齿高度为1.12mm，齿角度为34°，齿尖参差量为0mm，流道宽度为0.65mm，流道深度为0.65mm，高宽比为1.74，流道总长度为22.2mm，各结构参数均在设计指标体系相应范围内，借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型(如图3所示)。

2)利用GAMBIT(专用画图建模软件)软件对灌水器几何模型进行网格划分，选用混合网格，网格划分取0.1mm，网格划分完毕后，基于工作压力2m-8m范围内，利用CFD(计算流体动力学)数值模拟软件对所设计的滴灌灌水器在不同压力下的流量进行数值计算，其中，计算中选用湍流的模型为标准k(湍动能)-ε(耗散率)模型，计算方法选用非耦合式隐式求解法，速度压力耦合采用了SIMPLEC(半隐式方法)算法，本模拟选择收敛精度为0.0001。除计算域进口和出口，其他所有的表面都是流体和固体接触面，都是壁面类型的边界，流道入口和出口以压力为边界条件，流道入口为工作压力(2m-8m水头)，出口为大气压力。通过数值计算分别获得不同进口压力(2m，3m，4m，5m，6m，7m和8m)下流量，按照q＝kh^x(式中q代表流量，k代表流量系数，h代表工作压力，x代表流态指数)回归，得到灌水器流态指数x为0.477(如图4所示)，灌水器流态指数x不大于0.5，因此，进行下一步。

3)基于工作压力4m水头，采用CFD两相流模型对所设计的滴灌灌水器的抗堵塞性能进行数值模拟计算，其中，湍流模型同样采用标准k-ε模型，计算方法选用非耦合式隐式求解法，速度压力耦合采用了SIMPLEC算法，收敛精度为0.0001，在两相流设置中，第一相为水相，第二相为砂相，砂相悬浮颗粒假设为球形，尺寸均匀，密度2500kg.m^-3，颗粒粒径选取0.07mm，流道入口浓度选取0.8％。基于流道入口工作压力为4m条件下，对所设计灌水器的内部水相和砂相运动特性进行描述分析，如图5所示，同时通过数值计算获取流道结构内颗粒浓度等值线图和流道内颗粒浓度最大值，如图6所示，通过计算可知，所设计的锯齿型灌水器在进口压力为4米，入口浓度为0.8％时的流道内颗粒浓度最大值为10％，小于25％，因此，进行下一步。

4)将同时满足水力性能和抗堵塞性能评价指标的灌水器加工为实物，基于工作压力4m水头下，采用国际抗堵塞试验标准中的“短周期方法”，借助灌水器抗堵塞试验平台，其至少包括含沙水混合罐(储水容器)、潜水泵、控制阀、测压装置、待测灌水器和毛管、量筒、回水管等设备，进行含沙水下灌水器抗堵塞性能室内测试，室内抗堵塞试验测试采用天然河砂作为堵塞物质，根据标准，抗堵塞试验分8个阶段进行测试，每个测试阶段的含砂浓度和砂子粒径不相同，水中砂粒浓度和粒径随试验阶段升高而逐渐加大，试验各阶段砂子粒径尺寸及浓度要求详见附表1。所设计的灌水器实物加工不少于25个，每个试验阶段末，监测其流量，其与额定流量(4米工作水头下清水试验时的灌水器流量)的比值称为相对流量，直到8个阶段测试完毕，将各阶段的所测试样品的平均相对流量表征并描述出来，如图7所示，以最后阶段灌水器的相对流量不小于75％最为不堵塞评定依据，统计灌水器样本数的堵塞率，试验测试结果表明，所设计的灌水器样本堵塞率为12％，小于25％，因此，所设计的灌水器的水力性能和抗堵塞性能在经过CFD方法的数值计算合格后，得到了室内实物测试的验证，可以认为，该灌水器的相关性能指标达到了设计要求，可以进行下一步流程。

5)基于上述CFD数值计算和室内实物测试验证，对所设计的灌水器流道结构形式和参数尺寸进行最终定型，并加工出低压滴灌锯齿型灌水器，其中对于流道结构尺寸的加工误差要求不大于1％。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，其步骤如下：

步骤100，初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数，同时借助CAD画图软件建立灌水器内部结构几何模型，

所述步骤100初步确定低压滴灌锯齿型灌水器的流道结构参数为：齿高度在0.9mm～1.3mm之间，齿角度在34°～45°之间，齿尖参差量为0mm，流道宽度在0.55mm～0.7mm之间，流道深度在0.6mm～0.9mm之间，高宽比在1.6～1.8之间；

步骤200，基于工作压力2m-8m水头范围内，采用CFD数值模拟软件对所设计的低压滴灌锯齿型灌水器的水力性能进行数值模拟计算，以灌水器流态指数不大于0.5为关键评价指标，若模拟计算得到的流态指数在0.5以下，则执行步骤300，否则重新回到步骤100；

步骤300，基于工作压力4m水头，采用CFD数值模拟软件对所设计的低压滴灌锯齿型灌水器的抗堵塞性能进行数值模拟计算，以流道内颗粒浓度最大值不大于25％为抗堵塞性能初步合格评定标准，同时分析流道内模拟固体颗粒运动轨迹、沉淀位置特征，若流道内流道颗粒浓度最大值小于等于25％，则执行步骤400，否则重新回到步骤100；

步骤400，将同时满足水力性能和抗堵塞性能评价指标的灌水器加工为实物，基于工作压力4m水头下，按照国际抗堵塞试验标准，借助灌水器抗堵塞试验平台，进行含砂水下抗堵塞性能室内测试，根据标准试验分8个阶段进行测试，每个测试阶段的含砂浓度和砂子粒径不相同，水中砂粒浓度和粒径随试验阶段升高而逐渐加大，在对CFD数值模拟结果进行验证评估的同时，以最后阶段灌水器样本数的堵塞率不大于25％为合格评价指标，若最后阶段灌水器样本数的堵塞率小于等于25％，则执行步骤500，否则重新回到步骤100，其中，最后阶段灌水器样本数不少于25个；

2.根据权利要求1所述的低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤200包括，

步骤202，采用CFD数值模拟软件对所设计的低压滴灌锯齿型灌水器的水力性能进行数值模拟计算，计算中选用湍流的模型为标准k-ε模型，计算方法选用非耦合式隐式求解法，速度压力耦合采用了SIMPLEC算法，收敛精度为0.0001，其中，流道入口和出口以压力为边界条件，流道入口为2m-8m水头工作压力范围，出口为大气压力。

3.根据权利要求1所述的低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤300是基于流道入口工作压力为4m水头条件下，采用CFD两相流模型进行抗堵塞性能的数值计算，在两相流设置中，第一相为水相，第二相为砂相，砂相悬浮颗粒假设为球形，尺寸均匀，密度2500kg.m^-3，颗粒粒径选取0.07mm，流道入口浓度选取0.8％。

4.根据权利要求1所述的低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤400采用国际抗堵塞试验标准中的“短周期方法”，所述的灌水器抗堵塞试验平台至少包括含砂水混合罐、潜水泵、控制阀、测压装置、待测灌水器和毛管、量筒、回水管设备，并且以最后阶段不少于25个灌水器样本数的堵塞率不大于25％为合格判定指标。

5.根据权利要求1所述的低压滴灌锯齿型灌水器流道结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤500中流道结构尺寸的加工误差不大于1％。