CN106096179B - 滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品 - Google Patents
滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品。该方法在设计过程中综合考虑了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能，主要包括模拟方法建立、流道构型选择、结构参数确定、流道边界优化等阶段；借助最优数值模拟模型确定了滴灌灌水器流道的最优流道构型及结构参数取值范围，明确了滴灌灌水器初级雏形结构设计方法；提出了一种滴灌灌水器流道边界的漩涡洗壁优化设计方法，确定了边界优化设计的控制阈值范围，确定了二级精细结构设计方法；应用本发明所提出的设计方法结合分形几何理论，设计了片式和圆柱式两种分形流道灌水器产品，具有极高的水力性能和抗堵塞性能。
Description
技术领域
本发明涉及高效节水灌溉技术领域，特别是一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道滴灌灌水器产品。
背景技术
滴灌系统的滴灌灌水器(即滴头)堵塞问题解决的好坏程度直接影响系统灌水均匀度、使用寿命和运行效益。尤其是目前全球水资源紧缺和水污染严重并存，再生水、地表微污染水、高含沙水、微咸水等非常规水源也常常回用于农田灌溉，其复杂的水质情况极大的增加了滴灌灌水器堵塞的风险，也使得堵塞机理更为复杂。
解决滴灌灌水器堵塞问题，关键就是提升自身抗堵塞能力。对滴灌灌水器结构进行优化设计，提升滴灌灌水器对颗粒物的输移能力及壁面的自清洗能力是提升滴灌灌水器自身抗堵塞能力的有效途径。滴灌灌水器结构设计关键在于消能流道设计。迷宫流道是消能流道设计中最为常见的形式，但由于迷宫流道的复杂性，消能机理与设计理论研究的缺失，导致传统的滴灌灌水器设计开发过程缺乏设计知识的积累，主要依托注塑模具设计与制造工艺，仿造国外先进的滴头结构，一个产品的定型需要若干次反复修改，尤其在模具加工阶段，并且若零件试验性能不能满足产品要求，必须从模具修改开始，甚至模具还有报废的风险。这样的设计开发周期一般为4-5个月，成本一般在5万元以上，不仅费时费力，造价极高，最为重要的是产品精度得不到保证。
也有部分专家学者提出了滴灌灌水器的优化设计方法。如：中国农业大学杨培岭等提出了一种抗堵塞滴灌灌水器设计方法，通过减小流道特征部位结构尺寸对流道结构进行了优化(中国专利，申请号为CN200710063794.6)；中国水利水电科学研究院王建东等提出一种低压滴灌锯齿形灌水器流道结构优化设计方法，该方法通过试验与模拟相结合的方式对灌水器结构进行优化设计(中国专利，申请号为CN201220669437.0)。上述方法均只是着重于对灌水器流道边界进行优化设计，但是并未确定流道边界设计的控制阈值范围，更未提出面向流量设计需求的一整套滴灌灌水器流道结构设计方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明在已有产品开发理论与过程中存在弊端的基础上，提出了一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，该方法在设计过程中综合考虑了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能，本发明应用该方法开发了片式和圆柱式两种水力性能与抗堵塞性能俱优的分形流道滴灌灌水器产品，本发明使得在国际范围内滴灌灌水器设计开发产生质的提升。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，包括如下步骤：
步骤1，根据用户所提出的流量设计需求，在若干用户所提出的流道构型中，确定最优流道构型；
步骤2，通过试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值，来确定最优流道构型的最优流道结构参数；
所述流道结构参数包括：宽度W、长度L和深度D；
所述抗堵塞性能评估参数P用于评估滴灌灌水器的抗堵塞性能的优劣，P的值越高，抗堵塞性能越好；
所述流量系数k用于评估滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度，k的值越小，滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度越小，水力性能越好；
步骤3，通过最优流道结构参数，得到最优流道结构原形。
所述结构参数的单位为mm。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值时，选择若干组流道结构参数参与试算。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述步骤1包括如下步骤：
1)使用初始粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型(如分形流道、齿形流道、三角形流道、矩形流道和梯形流道)为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各不同的流道构型的内壁近壁面流动剪切力均值(单位为Pa)模拟结果；
所述初始粗糙度条件下的模拟模型中的边壁粗糙度均值为默认值；
2)将步骤1)得到的的模拟结果分别代入公式(1)： 中，得到各不同的流道构型的堵塞物质粗糙度均值(单位为μm)；
所述公式(1)为本发明发明人通过对再生水、高含沙水、地表微咸水、高含沙水和地表微咸水混配水等多水源滴灌条件以及常用的片式、圆柱式、单翼迷宫式、贴条式等多类型灌水器抗堵塞试验，得到的在滴灌灌水器堵塞程度为5％时滴灌灌水器流道的内壁近壁面流动剪切力均值和堵塞物质粗糙度均值的相关关系；
所述公式(1)适用于不同类型(如片式、圆柱式、单翼迷宫式)的滴灌灌水器及滴灌灌水器不同的流道构型；
3)将步骤2)得到的各作为对应的流道构型的边壁粗糙度均值，代入初始粗糙度条件下的模拟模型，得到各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型；
4)使用步骤3)得到的各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各流道构型内部的湍流强度；
选择湍流强度最大的流道构型确定为最优流道构型。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述步骤2包括如下步骤：
5)使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在满足流道消能需求(即不产生射流)和流态指数x为0.50—0.55，且流道消能需求和流态指数x随所述最优流道构型的流道结构参数变化不敏感的前提下，确定所述最优流道构型的流道结构参数的取值范围(即控制阈值)，具体包括：宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围；
6)在步骤5)得到的取值范围内，分别在宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围中，取相同个数的代表值(代表值的个数越多，最后得到的最优流道结构参数越准确)，且各代表值按均等间距选取；
使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在不同进口压力H条件下，分别模拟各代表值从小到大依次组合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2)：Q＝kHx，公式(2)中的Q为出流流量，k为流量系数，H为进口压力，x为流态指数；
得到各组合所代表的滴灌灌水器的流量系数k，将各组合所代表的流道结构参数与流量系数k进行拟合，得到滴灌灌水器流量系数k的预报模型；
7)将步骤6)各组合或按照步骤6)的方法设置的各组合按照流道结构参数从小到大的顺序排列，计算各组合抗堵塞评估指数P值，再计算相邻两个组合的P值间的偏差(即)，从相邻两个组合的P值间的偏差小于s％(s为小于100的正数，可取s为1)的流道结构参数较小的若干组合(即时的第i个组合，i代表不同组合)中，选取一定数量的组合，将其结构参数的值分别代入步骤6)滴灌灌水器流量系数k的预报模型中，计算流量系数k，将k值最小的组合中的流道结构参数确定为滴灌灌水器最优流道结构参数。
在最优流道构型的流道结构参数的取值范围(即控制阈值)内，水力性能参数即流态指数x仅受流道构型的影响，对于流道结构参数的改变较为不敏感，但对滴灌灌水器抗堵塞性能产生显著影响，因此本发明主要通过试算抗堵塞性能评估参数P值来确定最优的滴灌灌水器流道结构参数，进而得到滴灌灌水器流道最优结构原形。具体为选择多组长度、宽度、深度组合进行抗堵塞评估参数P的试算。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，步骤6)滴灌灌水器流量系数k的预报模型为公式(3)：其中，a、b、c为待定系数，L、W、D分别为流道结构参数中的长度、宽度和深度。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，步骤7)中抗堵塞评估指数P值的计算方法如下：
公式(4)中的d和f为待定系数；L、W、D分别为流道的长度、宽度和深度，单位为mm；Q额定代表滴灌灌水器额定设计流量即用户所提出的流量设计需求，单位为L/h。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，步骤7)中，当滴灌灌水器的类型为片式时，所述抗堵塞评估指数P的计算公式(4)中的d为-15.723，f为21.093，即为式(5)：
当滴灌灌水器的类型为圆柱式时，所述抗堵塞评估指数P的计算公式(4)中的d为-0.167，f为1.243，即为式(6)：
当滴灌灌水器的类型为单翼迷宫式时，所述抗堵塞评估指数P的计算公式(4)中的d为-1.345，f为3.489，即为式(7)：
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，还包括步骤4：
对步骤3所述最优流道结构原形进行二级精细结构设计，将所述最优流道结构原形的流道中内壁近壁面流动剪切力处在0.2-0.4Pa间的内壁位置优化为内壁近壁面流动剪切力不在0.2-0.4Pa间。
所述内壁位置分为齿尖迎水区、齿跟迎水区、齿尖背水区和齿跟背水区。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，步骤4所述优化使用漩涡洗壁优化设计方法：
分析步骤3的所述最优流道结构原形流道内漩涡分布，根据漩涡外边缘的形状和大小，将流道中内壁近壁面流动剪切力处在0.2-0.4Pa间的内壁位置设计为与漩涡外边缘形状和大小相近或相同的圆弧。
该漩涡洗壁优化设计方法可以使漩涡充分发展，提升水流对流道壁面的自清洗能力，进而提升滴灌灌水器的抗堵塞能力。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述流道中内壁近壁面流动剪切力，是使用最优流道结构原形对应的真实粗糙度条件下的模拟模型或最优流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟得到的。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述模拟使用FLUENT软件进行。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，所述初始粗糙度条件下的模拟模型为同时使用RNG(重整化群)k-ε模型和VOF(流体体积函数)模型表征灌水器流道构型内部的水流及颗粒物运动固-液-气三相流动湍流模拟模型。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，初始粗糙度条件下的模拟模型中的边壁粗糙度均值以经验值作为默认值；所述经验值具体可为869nm。
在上述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法中，使用所述初始粗糙度条件下的模拟模型进行模拟时，固相体积分数、气相体积分数和液相体积分数根据用户实际使用的水源水质的不同而不同，三者之和为1；
在实施例1中，固相体积分数、气相体积分数和液相体积分数分别为0.9％，1.1％，98％。
本发明保护上述任一所述面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法在生产滴灌灌水器产品中的应用，即将上述任一所述面向流量设计需求的灌水器流道结构设计方法得到的最优流道构型的最优流道结构，采用软件如UG NX系列软件进行3维定型，最终依据用户应用需求，开发高精度模具(精度不低于±5μm)，选定滴灌管材料、壁厚等其它参数，实现灌水器新产品的产业化，获得滴灌灌水器产品。
本发明保护所述应用中的滴灌灌水器产品。
所述滴灌灌水器的流道构型为分形流道，
所述分形流道为修正的分形-M流道，
所述分形流道的一端口与所述滴灌灌水器的进水口相通，另一端口与所述滴灌灌水器的出水口相通，
当所述滴灌灌水器的类型为片式时，所述分形流道的长度为39.567mm，宽度为0.824mm，深度为0.7555mm，流道内壁位置的齿尖迎水区和齿跟迎水区为半径为0.412mm的圆弧；
当所述滴灌灌水器的类型为圆柱式时，所述分形流道的长度为214.4mm，宽度为1.27mm，深度为0.745mm，流道内壁位置的齿尖迎水区和齿跟迎水区为半径为0.423mm的圆弧。
公开所述修正的分形-M流道的文献为：李云开，2005，滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟(学位论文)，第四章第38页)，所述修正的分形-M流道是以Minkowski曲线为基础设计的分形流道即分形-M流道为原型(如图2中的(a)图所示)，考虑到灌水器流道的设计要求，在保持流道消能单元流道的宽、深不变的条件下，根据消能单元数目与顺序排列基本符合原型的原则对分形流道进行了简化，得到所述修正的分形-M流道(如图2中的(b)图所示)。
本发明所述的流道长度为流道中心线长度，即指流道边壁垂直距离中点的连线。
本发明的有益效果如下：
本发明可以有效解决以下几方面的问题：
(1)提出了一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构循环逐级优化设计方法。该方法在设计过程中综合考虑了滴灌灌水器的水力性能(流态指数x)和抗堵塞性能(湍流强度、抗堵塞评估指数P)，主要包括模拟方法建立(即步骤1)—3))、流道构型选择(即步骤4))、结构参数确定(即步骤5)—7))、流道边界优化(即步骤4)等阶段。
(2)依据数值模拟和大量的试验测试统计分析结果，提出了一种滴灌灌水器雏形初级循环设计方法(即步骤5)—7))，借助最优数值模拟模型(即真实粗糙度条件下的模拟模型)确定了滴灌灌水器最优流道构型及结构参数(包括长度、宽度和深度)取值范围，明确了滴灌灌水器初级雏形结构设计方法。
(3)提出了一种滴灌灌水器流道边界的漩涡洗壁优化设计方法，确定了滴灌灌水器边界优化设计的控制阈值范围(即内壁近壁面流动剪切力不在0.2-0.4Pa)，确定了滴灌灌水器二级精细结构设计方法。
(4)应用本发明所提出的设计方法结合分形几何理论，设计了片式和圆柱式两种分形流道灌水器产品(即产品A和B)，具有极高的水力性能(产品流态指数介于0.50-0.52)和抗堵塞性能(系统持续运行时间可达680-840h)。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为面向流量设计需求的灌水器流道结构设计方法流程图；其中，多情境模拟即为固-液-气三相流动模拟；
图2为分形-M流道原型及修正的分形-M流道；
图3为滴灌灌水器不同流道构型的湍流强度(即抗堵塞性能)结果；
图4为分形片式FE38#滴灌灌水器流道内壁近壁面流动剪切力分布图；
图5为分形圆柱式CE91#滴灌灌水器流道内壁近壁面流动剪切力分布图；
图6为滴灌灌水器二级精细结构优化后流道内壁近壁面流动剪切力分布图；其中，左图为优化后的分形片式FE38#，右图为优化后的分形圆柱式CE91#，图中用不同颜色代表流道内壁近壁面流动剪切力的大小；
图7为优化后的分形片式FE38#产品3维定型图；
图8为优化后的分形圆柱式CE91#产品3维定型图；
图9为本发明滴灌灌水器流道结构参数示意图，其中，W、L和D分别代表滴灌灌水器流道宽度、长度和深度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
以下实施例公式中的W、L和D分别代表滴灌灌水器流道宽度、长度和深度(如图9所示)，单位为mm；Q额定代表滴灌灌水器额定设计流量(即流量设计需求)，单位为L/h。
本发明所述灌水器均为滴灌灌水器。
实施例1、应用面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法进行滴灌灌水器设计
用户所提出的Q额定为1.6L/h，滴灌灌水器类型为片式和圆柱式。设计过程如图1所示，具体如下：
一、考虑边壁粗糙度条件下灌水器内部固-液-气三相流动模拟模型建立
1)使用初始粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各不同的流道构型的内壁近壁面流动剪切力均值(单位为Pa)模拟结果；
2)将步骤1)得到的将的模拟结果分别代入公式(1)： 中，得到各不同的流道构型的堵塞物质粗糙度均值(单位为μm)；
3)将步骤2)得到的各(单位为μm)作为对应的流道构型的边壁粗糙度均值，代入初始粗糙度条件下的模拟模型，得到各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型；
所述初始粗糙度条件下的模拟模型为同时使用RNG(重整化群)k-ε模型和VOF(流体体积函数)模型表征灌水器流道构型内部的水流及颗粒物运动固-液-气三相流动湍流模拟模型；
使用所述初始粗糙度条件下的模拟模型进行模拟时，具体设置如下：
在流场计算中，初始条件设置：进口为压力进口(压力为0.1MPa)，固相体积分数为0.9％，气相体积分数为1.1％，液相体积分数为98％，出口为压力出口(压力为0MPa)。除了计算域的进水口与出水口，其它所有流体和固体接触的面均设置为无滑移边界；通过标准壁面函数来求解；边壁粗糙度均值为869nm；数值计算采用有限体积法离散控制方程；压力项采用二阶迎风格式；压力与速度的耦合采用SIMPLE算法求解；以残差值作为是否收敛的依据，当出口流量基本稳定且残差值低于10-4时，认为迭代计算达到收敛。
以上模型模拟使用FLUENT软件(软件版本号为6.3，软件开发商为ansys公司)进行。
所述若干用户所提出的流道构型为现有的分形流道、齿形流道、三角形流道、矩形流道和梯形流道；其物理原型(即模拟对象)的尺寸分别如下：
分形流道：宽度为1mm，长度为35mm，深度为0.73mm；
齿形流道：宽度为1mm，长度为35mm，深度0.73mm，齿高为0.84mm，齿角度为54°，齿间距为1.42mm；
梯形流道：宽度为1mm，长度为35mm，深度0.73mm，齿高为0.84mm，齿角度为54°，齿间距为1.8mm；
三角形流道：宽度为1mm，长度为35mm，深度0.73mm，齿高为1.2mm，齿角度为54°，齿间距为1.42mm；
矩形流道：宽度为1mm，长度为35mm，深度为0.73mm。
其中，所述分形流道为修正的分形-M流道(公开该修正的分形-M流道的文献为：李云开，2005，滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟(学位论文)，第四章第38页)，是以Minkowski曲线为基础设计的分形流道即分形-M流道为原型(如图2中的(a)图所示)，考虑到滴灌灌水器流道的设计要求，在保持流道消能单元流道的宽度、深度不变的条件下，根据消能单元数目与顺序排列基本符合原型的原则对分形流道进行了简化，即修正的分形-M流道(如图2中的(b)图所示)。
通过分析分形流道内流动特征，得到内壁近壁面流动剪切力均值的模拟结果为0.5Pa，代入公式(1)，得到堵塞物质粗糙度均值为1.4μm，代入初始粗糙度条件下的模拟模型，得到各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型；进行后续模拟。
二、滴灌灌水器初级雏形结构设计
4)使用步骤3)得到的各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各流道构型内部的湍流强度；结果如图3所示；
图3为使用FLUENT软件直接输出的不同滴灌灌水器流道构型的湍流强度(即抗堵塞性能)彩图结果，不同颜色的色柱代表不同的湍流强度的数值。
图3显示，滴灌灌水器流道构型为所述分形流道时的湍流强度最大(湍流强度是一个体现抗堵塞性能的指标，湍流强度的大小就代表抗堵塞性能的大小，湍流强度越大，抗堵塞性能越高)，因此确定滴灌灌水器最优流道构型为分形流道(即完成图1中的灌水器流道构型选择)。
5)使用步骤3)得到的分形流道的真实粗糙度条件下的模拟模型，在满足流道消能需求(即不产生射流)和流态指数x为0.50—0.55时，且流道消能需求和流态指数x随结构参数(流道的长度L、宽度W、深度D)变化不敏感的前提下，确定分形片式和分形圆柱式流道构型的流道结构参数控制阈值(即流道宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围)，结果如表1所示。
6)在步骤5)得到的取值范围内，分别在宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围中，取20个的代表值，且各代表值按均等间距选取；
使用分形流道对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在不同进口压力H(具体为0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.11、0.13、0.15Mpa)条件下，分别模拟各代表值从小到大依次组合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2)：Q＝kHx，公式(2)中的Q为出流流量，k为流量系数，H为进口压力，x为流态指数；
得到各组合所代表的滴灌灌水器的流量系数k，将各组合所代表的流道结构参数与流量系数k采用excel进行拟合，得到滴灌灌水器流量系数k的预报模型分别为：
分形片式滴灌灌水器：
分形圆柱式滴灌灌水器：
7)按照步骤6)的方法设置设100个代表值,将各代表值从小到大依次进行参数间组合，将各组合按照流道结构参数从小到大的顺序排列，根据公式(5)和(6)计算各组合的抗堵塞评估参数P(结果如表2和表3所示)，再计算相邻两个组合的P值间的偏差，从相邻两个组合的P值间的偏差小于1％(即s为1)的流道结构参数较小的若干组合(即时的第i个组合，i代表不同组合)中，取一定数量的组合，将其结构参数的值分别代入步骤6)相应的公式(8)或公式(9)中，计算流量系数k，将k值最小的组合的流道结构参数确定为滴灌灌水器最优流道结构参数；
分形片式滴灌灌水器：
分形圆柱式滴灌灌水器：
分形片式滴灌灌水器当试算至第38个组合(即i＝38)至第99个组合(即i＝99)时，均小于1％，将第38个组合至第42个组合结构参数的值分别代入公式(8)中计算kFE即k值，将k值最小的第38个组合即FE38#的流道结构参数确定为最优流道结构参数，其分形流道的长度为39.567mm，宽度为0.824mm，深度为0.7555mm；
分形圆柱式滴灌灌水器当试算至第91个组合(即i＝91)至第99个组合(即i＝99)时，均小于1％，将第91个组合至第96个组合结构参数的值分别代入公式(9)中计算kCE即k值，将k值最小的第91个组合即CE91#的流道结构参数确定为最优流道结构参数，其分形流道的长度为214.4mm，宽度为1.27mm，深度为0.745mm；
将FE38#和CE91#确定为灌水器最优流道结构原形，进行下一步的二级精细结构设计。
表1.滴灌灌水器流道结构参数阈值
| 类型 | 长度(mm) | 宽度(mm) | 深度(mm) |
| 分形片式 | 32.5-51.6 | 0.75-0.95 | 0.70-0.85 |
| 分形圆柱式 | 128.0-224.0 | 1.00-1.30 | 0.70-0.75 |
表2.分形片式滴灌灌水器抗堵塞性能特征值结果
表3.分形圆柱式滴灌灌水器抗堵塞性能特征值结果
三、灌水器二级精细结构设计
8)漩涡洗壁流道结构优化设计
使用步骤3)得到的分形流道的真实粗糙度条件下的模拟模型，分别以FE38#和CE91#为模拟对象，对滴灌灌水器流道内部水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得出滴灌灌水器内壁近壁面流动剪切力分布情况，结果如图4和图5所示。图4和图5为使用FLUENT软件直接输出的不同滴灌灌水器流道构型的内壁近壁面流动剪切力分布的彩图结果，色柱的不同颜色代表不同内壁近壁面流动剪切力的数值。
从图4和图5中可以看出，在流道内壁位置的齿尖迎水区和齿跟迎水区，内壁近壁面流动剪切力处在0.2-0.4Pa间(已用箭头标出，本申请的发明人经研究发现，内壁近壁面流动剪切力在0.2-0.4Pa区间内，堵塞物质生长最快，所以要避免这个区间的出现)，故采用漩涡洗壁优化设计方法对该内壁位置进行优化，具体方法如下：
分析流道内漩涡分布，根据漩涡外边缘的形状和大小，将流道的齿尖迎水区和齿跟迎水区设计为与漩涡外边缘形状和大小相近或相同的圆弧，对滴灌灌水器流道的齿尖迎水区和齿跟迎水区进行优化，
然后使用步骤3)得到的分形流道的真实粗糙度条件下的模拟模型对该优化后的滴灌灌水器进行固-液-气三相流动模拟，当滴灌灌水器的内壁近壁面流动剪切力均不处于0.2-0.4Pa区间内时，将该优化后的流道结构确定为滴灌灌水器最优流道结构，
当滴灌灌水器的内壁近壁面流动剪切力还存在0.2-0.4Pa区间时，按照上述方法进行再次优化和模拟，直到滴灌灌水器的内壁近壁面流动剪切力均不处于0.2-0.4Pa区间内。
本实施例首先分别采用圆弧半径为流道宽度的1、1/2、1/3的圆弧对FE38#滴灌灌水器和CE91#滴灌灌水器分别进行优化，使用步骤3)得到的分形流道的真实粗糙度条件下的模拟模型对本次优化的FE38#和CE91#滴灌灌水器流道内部水流及颗粒物运动分别进行固-液-气三相流动模拟；
结果发现：当采用圆弧半径为流道宽度的1/2的圆弧对流道的齿尖迎水区和齿跟迎水区进行优化时，FE38#滴灌灌水器内壁近壁面流动剪切力均不处于0.2-0.4Pa区间内(图6中的左图)，将此时的FE38#滴灌灌水器经过优化后的流道结构确定为滴灌灌水器最优流道结构；
当采用圆弧半径为流道宽度的1/3的圆弧对流道的齿尖迎水区和齿跟迎水区进行优化时，CE91#滴灌灌水器内壁近壁面剪切力均不处于0.2-0.4Pa区间内(图6中的右图)，将此时的CE91#滴灌灌水器经过优化的流道结构确定为滴灌灌水器最优流道结构。
9)滴灌灌水器设计流量校核
以步骤8)得到的两种滴灌灌水器最优流道结构为物理原型即模拟对象，采用步骤3)得到的分形流道的真实粗糙度条件下的模拟模型进行模拟，直接在FLUENT中输出流量，得到优化后模拟的流量值，为1.58L/h，与滴灌灌水器额定设计流量1.6L/h的偏差为1.25％，说明边界优化(即漩涡洗壁流道结构优化设计)对流量基本没有产生影响。
10)滴灌灌水器产品定型
分别以步骤8)获得的两种滴灌灌水器最优流道结构，采用UG NX系列软件进行3维定型，开发高精度模具，最终依据用户应用需求，开发高精度模具(精度不低于±5μm)，选定滴灌管材料、壁厚等其它参数，实现滴灌灌水器新产品的产业化，获得两种滴灌灌水器产品：
滴灌灌水器产品A：类型为片式，分形流道的长度为39.567mm，宽度为0.824mm，深度为0.7555mm流道内壁位置的齿尖迎水区和齿跟迎水区为半径为0.412mm的圆弧；如图7所示；
滴灌灌水器产品B：类型为圆柱式，分形流道每个流道结构单元的长度为长度为214.4mm，宽度为1.27mm，深度为0.745mm；流道内壁位置的齿尖迎水区和齿跟迎水区为半径为0.423mm的圆弧；如图8所示。
将图7和图8所示的滴灌灌水器产品A和B在实际大田中进行应用，通过测试发现这两个滴灌灌水器验证了应用本发明所提供的方法开发的滴灌灌水器具有极高的水力性能(产品流态指数介于0.50-0.52)和抗堵塞性能(系统持续运行时间达680-840h)。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，包括如下步骤：
步骤1，根据用户所提出的流量设计需求，在若干用户所提出的流道构型中，确定最优流道构型；
步骤2，通过试算抗堵塞性能评估参数P的值和流量系数k的值，来确定最优流道构型的最优流道结构参数；
所述流道结构参数包括：宽度W、长度L和深度D；
所述抗堵塞性能评估参数P用于评估滴灌灌水器的抗堵塞性能的优劣，P的值越高，抗堵塞性能越好；
所述流量系数k用于评估滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度，k的值越小，滴灌灌水器的出流流量随进口压力波动的敏感程度越小，水力性能越好；
步骤3，通过最优流道结构参数，得到最优流道结构原形；
所述步骤1包括如下步骤：
1)使用初始粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各不同的流道构型的内壁近壁面流动剪切力均值模拟结果；
所述初始粗糙度条件下的模拟模型中的边壁粗糙度均值为默认值；
2)将步骤1)得到的的模拟结果分别代入公式(1)：中，得到各流道构型的堵塞物质粗糙度均值
3)将步骤2)得到的各作为对应的流道构型的边壁粗糙度均值，代入初始粗糙度条件下的模拟模型，得到各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型；
4)使用步骤3)得到的各流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，分别以若干用户所提出的流道构型为模拟对象，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟，得到各流道构型内部的湍流强度；
选择湍流强度最大的流道构型确定为最优流道构型。
2.如权利要求1所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：
5)使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在满足流道消能需求和流态指数x为0.50—0.55，且流道消能需求和流态指数x随所述最优流道构型的流道结构参数变化不敏感的前提下，确定所述最优流道构型的流道结构参数的取值范围，具体包括：宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围；
6)在步骤5)得到的取值范围内，分别在宽度W的取值范围、长度L的取值范围和深度D的取值范围中，取相同个数的代表值，且各代表值按均等间距选取；
使用最优流道构型对应的真实粗糙度条件下的模拟模型，在不同进口压力H条件下，分别模拟各代表值从小到大依次组合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2)：Q＝kHx，公式(2)中的Q为出流流量，k为流量系数，H为进口压力，x为流态指数；
得到各组合所代表的滴灌灌水器的流量系数k，将各组合所代表的流道结构参数与流量系数k进行拟合，得到滴灌灌水器流量系数k的预报模型；
7)将步骤6)各组合或按照步骤6)的方法设置的各组合按照流道结构参数从小到大的顺序排列，计算各组合抗堵塞性能评估参数P值，再计算相邻两个组合的P值间的偏差，从相邻两个组合的P值间的偏差小于s％的流道结构参数较小的若干组合中，选取一定数量的组合，将其结构参数的值分别代入步骤6)滴灌灌水器流量系数k的预报模型中，计算流量系数k，将k值最小的组合的流道结构参数确定为滴灌灌水器最优流道结构参数，其中s为小于100的正数。
3.如权利要求1所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：还包括步骤4：
对步骤3所述最优流道结构原形进行二级精细结构设计，将所述最优流道结构原形的流道中内壁近壁面流动剪切力处在0.2-0.4Pa间的内壁位置优化为内壁近壁面流动剪切力不在0.2-0.4Pa间；
步骤4所述优化使用漩涡洗壁优化设计方法：
分析步骤3的所述最优流道结构原形流道内漩涡分布，根据漩涡外边缘的形状和大小，将流道中内壁近壁面流动剪切力处在0.2-0.4Pa间的内壁位置设计为与漩涡外边缘形状和大小相近或相同的圆弧。
4.如权利要求3所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：所述流道中内壁近壁面流动剪切力，是使用最优流道结构原形对应的真实粗糙度条件下的模拟模型或最优流道构型的真实粗糙度条件下的模拟模型，对流道内部的水流及颗粒物运动进行固-液-气三相流动模拟得到的。
5.如权利要求3所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：所述初始粗糙度条件下的模拟模型为同时使用RNG k-ε模型和VOF模型表征滴灌灌水器流道构型内部的水流及颗粒物运动固-液-气三相流动湍流模拟模型；
和/或，初始粗糙度条件下的模拟模型中的边壁粗糙度均值以经验值作为默认值；
和/或，所述内壁位置分为齿尖迎水区、齿根迎水区、齿尖背水区和齿根背水区。
6.权利要求1—5中任一所述的面向流量设计需求的滴灌灌水器流道结构设计方法在生产滴灌灌水器产品中的应用。
7.权利要求6所述应用中生产的滴灌灌水器产品。
8.如权利要求7所述的滴灌灌水器产品，其特征在于：所述滴灌灌水器的流道构型为分形流道，
所述分形流道为修正的分形-M流道，
所述分形流道的一端口与所述滴灌灌水器的进水口相通，另一端口与所述滴灌灌水器的出水口相通，
当所述滴灌灌水器的类型为片式时，所述分形流道的长度为39.567mm，宽度为0.824mm，深度为0.7555mm，流道内壁位置的齿尖迎水区和齿根迎水区为半径为0.412mm的圆弧；
当所述滴灌灌水器的类型为圆柱式时，所述分形流道的长度为214.4mm，宽度为1.27mm，深度为0.745mm，流道内壁位置的齿尖迎水区和齿根迎水区为半径为0.423mm的圆弧。
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