CN1454458A - 基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于流态的微灌灌水器抗堵流道的优化设计方法，通过对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明显的速度“死区”即流动滞止区，在这些流动滞止区域中水中的杂质就很容易沉积下来，作为生物滋长和化学沉积的载体，各种堵塞相互作用就会造成灌水器乃至微灌系统的堵塞，使微灌效率大大降低。因此基于流态的微灌灌水器抗堵流道设计优化方法，可针对流道中存在的速度“死区”结构进行优化设计，可使迷宫流道中流体基本可充盈整个流道，在流道中无明显的流动死区，因而进入灌水器中的杂质就不会沉积下来造成流道的堵塞，形成流态性能优异的抗堵灌水器。

Description

基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法
一、技术领域
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种用于农业节水灌溉的基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法。
二、背景技术
堵塞问题一直是微灌灌水器发展的最大障碍，微灌灌水器的堵塞突出表现为灌水器流道的堵塞，堵塞问题解决的好坏直接决定着工程的使用寿命和应用效益。分析引起堵塞的原因大概有由固体颗粒引起的物理堵塞、由于化学反应生成的难溶性盐所引起的化学堵塞、由微生物的活动引起的生物堵塞，针对以上问题各国农业专家都做了大量研究，解决滴灌堵塞的问题采取的主要途径是：加强水质净化，改善灌水器流道结构。因此为了防止灌水器的堵塞除了对水质进行处理，使用抗菌材料以外，为了使各种杂质难以在灌水器流道中沉积下来，或在下一个灌溉循环中及时将沉积下来的杂质全部冲出灌水器，以解决或在很大程度上缓解微灌系统的堵塞，改变灌水器的流道构造以增强其抗堵塞性也是行之有效的途径之一。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种在微灌灌水器的流道中无明显的漩涡区即流动死区，能够使进入灌水器中的杂质不会沉积下来造成流道的堵塞的基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)构建灌水器迷宫型流道流态分析模型
用Fluent流体分析软件专用的CFD前置处理器-GAMBIT进行流道几何建模和网格生成；
2)网格划分和边界条件设定
根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，横截面采用矩形网格划分，轴向因弯曲变化剧烈，采用三角形网格划分；在流道拐弯连接处，网格取点密度为所划分尺寸的10％以下；在进出口段和两排迷宫的连接段，网格取点密度为所划分尺寸的25％～35％；同时采用加密边界层网格划分；
边界条件设定：
入口条件Velocity-inlet为入口速度，即灌水器流量为Q＝2-4L/h时的速度值V＝0.556-1.111m/s；
出口条件Pressure-outlet为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压gauge pressure为OPa。
管径L取方管的当量直径De： L = D e = 4 ab 2 ( a + b ) = 4 × 1 × 1 2 ( 1 + 1 ) = 1 ( mm )
其中：a，b为流道横截面长和宽
流量：Q＝2L/h，  流体的雷诺数为Re＝554＜2100
      Q＝4L/h，Re＝1108＜2100进口段均为层流
3)迷宫型流道流体的流动模拟
用FLUENT流体分析软件中的基于非结构化网格的通用CFD求解器-FLUENT基于流体分析理论进行模拟计算，模拟结果为：偏离速度主流区的弯角处都存在速度死区；
4)迷宫型流道防堵结构分析及优化
根据迷宫流道流体的流动模拟结果，依照流道中主流体的流线形状分布，针对存在速度死区处的流道结构去除速度死区。
采用本发明设计方法设计的圆弧迷宫型流道，其整体流动特性有很大的改善，在偏离速度主流区的弯角处的速度逆流区即流动滞止区已没有了，流道出口处上侧的速度逆流区已不存在，所以不存在速度“死区”，因而采用优化的圆弧迷宫型流道的灌水器，可提高圆弧迷宫型灌水器的抗堵性能。
四、附图说明
图1是本发明圆弧型迷宫流道的结构示意图；
图2是本发明圆弧型迷宫流道数值计算模型图；
图3是本发明的网格划分图，其中图3a是进出口面网格划分图，图3b是本发明局部轴向网格划分图；
图4是本发明流道速度等值线分布图；
图5是本发明流道速度矢量分布图；
图6是本发明局部速度矢量图，其中图a是局部速度矢量A、B区的示意图，图b是局部速度矢量C区的示意图；
图7是本发明优化的圆弧迷宫型流道结构示意图；
图8本发明优化后的迷宫流道内速度矢量图；
图9是本发明迷宫型流道灌水器的结构示意图。
五、具体实施方式
参见图1，2，3，4，5，6，7，8，9，本发明的微灌灌水器迷宫流道优化设计步骤如下：
1.构建灌水器迷宫型流道流态分析模型
以典型的圆弧迷宫型流道为例，如图1，图中R为圆弧半径，用Fluent流体分析软件专用的CFD前置处理器-GAMBIT进行流道几何建模和网格生成，根据图1所示的流道尺寸参数构建的迷宫流道流态分析模型如图2所示。
2.进行网格划分和边界条件设定
其网格划分如图3所示：其中图3b的x、y轴为单位尺寸米；
根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，进出口面为方形，采用矩形网格划分，轴向因弯曲变化剧烈，采用三角形网格划分；在流道拐弯连接处，网格取点密度为所划分尺寸的10％以下；在进出口段和两排迷宫的连接段因为形状简单，网格取点密度为所划分尺寸的25％～35％；同时采用加密边界层网格划分，便于分析沿壁面速度的变化以及观察涡旋的产生。
边界条件设定：
入口条件Velocity-inlet为入口速度，即灌水器流量为Q＝2-4L/h时的速度值V＝0.556-1.111m/s；
出口条件Pressure-outlet为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压gauge pressure为OPa。
管径L取方管的当量直径De： L = D e = 4 ab 2 ( a + b ) = 4 × 1 × 1 2 ( 1 + 1 ) = 1 ( mm ) 其中：a，b为流道横截面长和宽
流量：Q＝2L/h，  流体的雷诺数为Re＝554＜2100
      Q＝4L/h，Re＝1108＜2100  进口段均为层流
3.进行迷宫型流道流体的流动模拟
应用FLUENT流体分析软件中的基于非结构化网格的通用CFD求解器-FLUENT基于流体分析理论进行模拟计算，其速度等值分布线和速度矢量分布图如图4、图5所示，偏离速度主流区的弯角处A区、B区、C区都存在速度死区；
4.迷宫型流道防堵结构分析及优化
由图4、5中偏离速度主流区的弯角处A区、B区、C区可以看出流道中存在速度“死区”，因为灌水器流道宽度只有1mm，水质不好便很容易堵塞，整个灌溉系统都将会受到影响。
图6给出了两个转弯处的局部矢量图，从图中很明显可以看出在偏离速度主流区的弯角处A区、B区都有一定的速度逆流区存在，流道出口处上侧C区涡漩尤为明显，所以在设计的时候应尽量避免。
从以上分析可以看出，上述的圆弧迷宫型流道结构存在速度“死区”，根据灌水器抗堵塞结构的设计要求，参照流道内流动特性的数值模拟结果，依照流道中主流体的流线形状分布，针对存在速度“死区”处的流道结构进行优化设计，去除流道中的速度死区，优化设计的流道结构如图7，图7中R为圆弧半径。
优化的圆弧迷宫型流道的流态分析如图8，其整体流动特性有很大的改善，在偏离速度主流区的弯角处的速度逆流区即流动滞止区已基本上没有了，见图8的A区、B区，流道出口处上侧的速度逆流区已不存在，见图8的C区，所以不存在速度“死区”。因而采用优化的圆弧迷宫型流道的灌水器，可提高圆弧迷宫型灌水器的抗堵性能。
根据此优化的圆弧迷宫型流道设计抗堵结构灌水器，其设计图如图9所示，而且优化的圆弧型灌水器迷宫流道结构，减少了迷宫流道的圆弧段，且改进后的圆弧尺寸相同如图7，这可大大降低迷宫型灌水器设计和模具制造的复杂程度，节约成本并相应缩短灌水器研制周期。

Claims (1)

1、基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法，其特征在于：
1)构建灌水器迷宫型流道流态分析模型
用Fluent流体分析软件专用的CFD前置处理器-GAMBIT进行流道几何建模和网格生成；
2)网格划分和边界条件设定
根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，横截面采用矩形网格划分，轴向因弯曲变化剧烈，采用三角形网格划分；在流道拐弯连接处，网格取点密度为所划分尺寸的10％以下；在进出口段和两排迷宫的连接段，网格取点密度为所划分尺寸的25％～35％；同时采用加密边界层网格划分；
边界条件设定：
入口条件Velocity-inlet为入口速度，即灌水器流量为Q＝2-4L/h时的速度值V＝0.556-1.111m/s；
出口条件Pressure-outlet为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压gauge pressure为OPa。
管径L取方管的当量直径De： L = D e = 4 ab 2 ( a + b ) = 4 × 1 × 1 2 ( 1 + 1 ) = 1 ( mm )
其中：a，b为流道横截面长和宽
流量：Q＝2L/h，  流体的雷诺数为Re＝554＜2100
      Q＝4L/h，Re＝1108＜2100进口段均为层流
3)迷宫型流道流体的流动模拟
用FLUENT流体分析软件中的基于非结构化网格的通用CFD求解器-FLUENT基于流体分析理论进行模拟计算，模拟结果为：偏离速度主流区的弯角处都存在速度死区；
4)迷宫型流道防堵结构分析及优化
根据迷宫流道流体的流动模拟结果，依照流道中主流体的流线形状分布，针对存在速度死区处的流道结构去除速度死区。
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