变量灌水器独立双流道结构设计与优化研究

新疆灌溉农业通常在作物生长期采用低流量滴灌以提高水分利用效率,而后在休耕期采用沟灌洗盐来防止次生盐碱化。这个相对复杂的农业生产过程可能会增加新疆当地劳动力和资源过度投入。为此,通过3D打印技术开发了一种具有独立双重流道的新型变量灌水器,该灌水器在两个工作水压水平(6~10 m和12~15 m)下具有灌溉和洗盐功能。通过室内试验分析了变量灌水器基本水力性能(流量系数、流态指数),然后利用计算流体动力学(CFD)和通径分析相结合的方法,研究了变量灌水器水力性能对流道宽(w)、流道深(D)、流道长(L)、齿高(h)和齿底距(b)的响应。结果表明,随着工作水压从6 m增加至10 m,变量灌水器出流量从1.6 L/h缓慢地增加到2.1 L/h,当工作水压进一步增大至12 m时,变量灌水器出流量急剧达到4.5 L/h,增幅达114.3%,这说明通过调节工作水压,所设计的变量灌水器可原位实现灌溉功能(较小流量)和洗盐功能(较大流量)的自由切换。根据新疆当地农田实际灌溉定额和盐碱化程度,推荐了适宜的变量灌水器流道参数。例如,在轻度盐碱地中,变量灌水器适宜的w、D、h、L和b分别为0.60、0.60、0.80、8.80和0.60 mm。

三角绕流滴灌灌水器结构设计和优化

以三角绕流滴灌灌水器结构的流道单元为研究对象,利用Pro/E软件完成灌水器造型设计,结合计算流体动力学软件Fluent 6.3模拟分析流道的水力性能,研究此类灌水器的湍流特性,揭示其内部湍流流动机理,并对流道结构进行优化。根据分析结果,通过改变外部大三角的形状与内部小三角的形状和位置,对流道单元进行结构优化,得出一种流态指数小于0.5,流道内速度分布均匀,流量在滴灌允许范围内,抗堵性能优良的三角绕流灌水器结构。

三角形迷宫流道滴灌灌水器结构参数及水力特性研究

以滴灌灌水器三角形迷宫流道结构为研究单元,利用均匀设计方法,结合计算流体动力学软件Fluent6.2对流道内部流体的流动进行了数值模拟,通过多元回归计算,获得流道各结构参数与流量系数和流态指数的量化关系。分析这一量化关系表明,流道转角与流量成负相关,与流态指数成正相关;流道宽与流量成正相关,与流态指数成负相关;齿高与流量成负相关,与流态指数成正相关。同时分析了灌水器内部流道的水力性能和流场特性,为三角形迷宫流道滴灌灌水器的研发提供了相应的理论依据。

纽扣式压力补偿灌水器结构优化与性能分析

针对传统压力补偿灌水器生产工艺复杂、补偿效果不佳的问题,该研究以纽扣式压力补偿灌水器结构为基础进行压力补偿元件的优化与性能分析。基于COMSOL双向流固耦合数值模拟平台,对灌水器多物理场耦合的瞬态过程进行力学建模与数值模拟,确定了球型限位曲面与空间螺旋副流道配合的最佳构型。以流态指数为目标,针对副流道深度、宽度、副流道螺旋角度、压力补偿元件硬度等关键因素开展了单因素水力性能试验与正交试验,得出流态指数影响因素由大到小的次序为副流道宽度、压力补偿元件硬度、副流道深度;经响应面分析获得最优参数为:副流道宽度0.65 mm、副流道深度0.14 mm、压力补偿元件硬度53 HA。验证试验结果表明,所设计的灌水器流态指数为0.067,压力补偿区间为0.075~0.30 MPa,满足流态指数不超过0.1、起调压力不超过0.10 MPa、压力补偿区间大小不小于0.15 MPa的设计要求,压力补偿区间内平均流量为2.32 L/h。研究结果可为灌水器产品的研发提供参考。