滴灌灌水器迷宫流道结构数值模拟与优化设计

我中心2007届硕士研究生王芳同学，在导师范兴科研究员的指导下，经过三年努力完成了滴灌灌水器迷宫流道结构数值模拟与优化设计

                              摘要

     滴灌作为有效和先进的节水灌溉技术，受到了国内外的普遍关注。灌水器是滴灌系统的核心部件，其价格的高低和性能的优劣对于整个滴灌系统的推广应用和使用效果起着决定性的作用。针对目前国内滴灌灌水器迷宫流道结构形式繁多，但迷宫流道结构设计中的结构参数缺乏理论依据和支撑，大部分微灌产品研发周期长、成本高、制造工艺相对落后、抗堵塞性能不尽理想、灌水器内存在泥沙微粒淤积严重等诸多问题，通过利用流体动力学分析软件（FEMLAB、FLUENT等），建立不同迷宫流道结构的数学模型，然后模拟其内部的水流特征进行计算，同时结合快速成型技术，进行相关结构迷宫流道灌水器的制作，并进行部分水力性能参数的测定和研究，探索迷宫流道结构参数与水流水力学参数之间的相关关系与变化规律，寻求提高水流扰动程度或紊流指标（Re）和减少迷宫流道内部死水区（水流速度死区）及近边界静水区域水流漩涡的途径和方案。
     在本研究的数据模拟计算中分别对矩形和三角形单元结构的20种不同尺寸的迷宫流道灌水器进行水力性能的模拟，实体实验分别对两种单元结构12种不同尺寸灌水器的性能试验，得到以下结论：（1）在齿间参差量相同的条件下，相同断面尺寸的矩形单元结构灌水器较三角形单元结构灌水器对水流的扰动更为剧烈，其消能、抗堵塞性能更好；（2）在同等水头压力的条件下，灌水器流量与流道断面积成正相关关系，同断面面积条件下，流量随进口水压力正相关关系，均变化显著；（3）FEMLAB软件数据模拟设计结构参数的过程中，建立几何模型、设定物理参数、划分网格、求解以及后处理，流道边界和流道转折处流速为零，呈现死水，易发生颗粒性堵塞。最大流速产生在沿流道长度的轴线上，靠近流道转折处，在流道横断面上，流速等值线图从中心点流速最大处向外以递减趋势变化；（4）灌水器流道内部各点流速变化明显，断面积S1（0.5*0.75mm2）齿间参差量J为 时，Re数值虽然较小，根据流线可视化后处理图及流速场等值量图，流线扰动明显，流速矢量在速度和方向上变化明显，利于消能和提高抗堵塞性能；（5）横断面面积对水力性能影响较大，0.5*0.75mm2<S<1.0*1.2mm2时，模拟计算和实体实验中水力性能较稳定，流速场量变化明显，消能和抗堵性能最好，适合研发；（6）同断面面积和进口水压条件下，迷宫流道灌水器的流速随齿间参差量增加而减小，变化明显，呈现负相关关系，其齿间参差量J对流量系数和流态指数影响明显，J与流量系数呈现负相关关系。