弧形迷宫流道结构参数对水力性能影响

节水中心2009届硕士研究生崔振华，在导师牛文全副研究员的指导下，经过三年努力完成了弧形迷宫流道结构参数对水力性能影响研究。

研究方向：节水灌溉新技术

摘  要

滴灌是目前世界上最为有效的节水灌溉技术，灌水器被称为滴灌系统的心脏，其质量的好坏和价格的高低直接影响到整个滴灌系统运行的可靠性和推广应用程度。目前国内滴灌灌水器研究多以齿形迷宫流道为主，对弧形迷宫流道灌水器的研究较少，本研究通过利用计算流体力学（CFD）数值模拟分析软件FLUENT6.3，建立不同弧形迷宫流道形式的数学模型，然后模拟其内部的水流特征进行计算，并对所设计的弧形迷宫流道灌水器选择性的进行产品加工，通过PIV观测和滴灌带测试平台测试，探索弧形迷宫流道灌水器结构特征参数对水力性能和抗堵塞性的影响。

本研究的数值模拟计算分别对Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三种弧形流道不同结构参数的迷宫流道进行水力性能模拟，规定有直线段和圆弧段连接而成且圆弧段内外壁面平行定义为Ⅰ型，外壁面为弧形而内壁面为齿形定义为Ⅱ型, 全部由圆弧段连接而成流道定义为Ⅲ型。实体实验分别对Ⅰ型、Ⅱ型两种形式四种结构进行PIV观测和Ⅲ型灌水器10种不同尺寸滴灌带进行水力性能测试，得出以下主要结论：

（1）Ⅰ型流道主要是通过沿程水头损失进行消能，Ⅱ型流道消能主要是局部水头损失；设计水力性能较好的滴灌灌水器，应尽量减少直线段长度和弧半径，推荐Ⅱ型流道结构直线段长度为2mm，弧尖角为15°和30°。

（2）通过FLUENT模拟软件对流道内流体模拟，并结合PIV观测试验观测流道内粒子的运动轨迹，可视化地揭示了微小迷宫流道内流动场的变化情况，为灌水器流道优化设计提供了可靠的理论依据。

（3）对于Ⅲ型流道灌水器，弧半径相同，齿间参差量为正时，流量随弧高增加而增大，齿间参差量为负时，流量随弧高增加而减少；弧半径、弧高相同时，流量随齿间参差量正值的增加而减少，随齿间参差量负向值的增加而增大；弧高、齿间参差量相同时，灌水器流量随弧半径的增加而增大。

（4）Ⅲ型灌水器CFD数值模拟结果和实体试验测试结果之间流量系数k偏差绝对值范围为3.21％～21.5％，流态指数x偏差绝对值范围为0.06％～7.84%，基本上流态指数都在0.5左右；模拟值和测量值之间分布趋势上看二者有着较好的相关性，其中弧半径r=1mm，h=1mm，J=0或0.25mm和r=1.25mm时，h=0.75mm，J=0；h=1mm，J=0.25mm；h=1.25mm，J=0.5mm等五种较优结构形式。

（5）弧形流道灌水器的Re随进口压力的增加而增大，Ⅰ、Ⅱ两型弧形流道影响Re的主要因素是弧尖角，Ⅲ型弧形流道影响Re的主要因素弧高和弧半径。

关键词：灌水器；计算流体力学（CFD）；数值模拟；水力性能；PIV观测