Flow Behaviour Analysis and Experimental Investigation for Emitter Micro-channels

The existing research of the flow behavior in emitter micro-channels mainly focuses on the single-phase flow behavior.And the recent micro-particle image velocimetry（PIV） experimental research on the flow characteristics in various micro-channels mainly focuses on the single-phase fluid flow.However,using an original-size emitter prototype to perform the experiments on the two-phase flow characteristics of the labyrinth channels is seldom reported.In this paper,the practical flow of water,mixed with sand escaped from filtering,in the labyrinth channel,is investigated.And some research work on the clogging mechanism of the labyrinth channel＇s structure is conducted.Computational fluid dynamics（CFD） analysis has been performed on liquid-solid two-phase flow in labyrinth-channel emitters.Based on flow visualization technology-micro-PIV,the flow in labyrinth channel has been photographed and recorded.The path line graph and velocity vector graph are obtained through the post-treatment of experimental results.The graphs agree well with CFD analysis results,so CFD analysis can be used in optimal design of labyrinth-channel emitters.And the optimized anti-clogging structures of the rectangular channel and zigzag channel have been designed here.The CFD numerical simulation and the micro-PIV experiments analysis on labyrinth-channel emitter,make the ＂black box＂ of the flow behavior in the emitter channel broken.Furthermore,the proposed research promotes an advanced method to evaluate the emitter＇s performance and can be used to conducting the optimal design of the labyrinth-channel emitters.

边缝式迷宫滴灌带灌水器流道内泥沙沉积影响因素分析

为研究灌水器流道内泥沙颗粒淤积特性的影响因素,进一步降低物理堵塞发生的风险,该研究配置不同浓度(1.8、2.8、3.8 g/L)和不同粒径(0≤d<0.054 mm、0.054 mm≤d<0.075 mm、0.075 mm≤d<0.1 mm)的含沙水,进行全组合间歇滴灌堵塞试验,对含沙水灌溉下灌水器泥沙沉积特性进行分析并对灌水器内流态进行数值模拟研究。结果表明:灌溉结束后,经由边缝式迷宫灌水器输出的泥沙中,黏粒与砂粒比例下降,粉粒比例上升,即灌水器弯曲流道对小于0.002 mm和大于0.05 mm粒径的泥沙具有明显阻滞作用,流道内堵塞的泥沙集中在0.054~0.1 mm的中大粒径范围内。灌水器流道内部流线在主流区呈波浪状前进,主流区水流流速大于近壁区,中部转角处流速均偏大。沙粒易受上转角和下转角处产生的漩涡影响而沉降集中在漩涡中心及背水面。滞留在漩涡区内的泥沙颗粒是引起灌水器堵塞的主要因素。为减少灌水器堵塞风险,在设计优化时宜考虑减少直角、锐角区域以减少漩涡区的形成。研究为滴灌技术进一步推广和应用提供理论基础。

加气对滴头堵塞行为的影响

为探明加气滴灌下滴头堵塞规律及影响因素,选用4种不同特征参数(流量Q、最小断面尺寸min(W,D)和入水栅格面积M)的内镶贴片式滴头E1,E2,E3和E4,分别在加气(AI)和未加气(CK)条件下进行了滴头堵塞测试,并通过泥沙絮凝沉降试验对其结果进行了验证.结果表明:加气和滴头结构对滴头堵塞性能具有显著影响(P<0.05).加气加剧水中泥沙颗粒的絮凝沉降、加速絮凝颗粒在毛管内和流道入口的黏附、增大滴头入口发生突然堵塞风险是造成加气加剧滴头堵塞的主要原因;当选择入口尺寸较大的E4滴头时,其流道入口堵塞风险降低、流道内泥沙絮凝沉降速率减缓而表现出加气减缓滴头堵塞,而选择入口尺寸较小的E1—E3滴头时,其毛管内泥沙絮凝沉降速率增大、滴头入口堵塞风险增高而表现出加气加剧滴头堵塞.

单翼迷宫式滴灌带进出水口数、梯形流道齿数对抗堵塞性能的影响

【目的】研究进水口数、梯形流道齿数、出水口数对单翼迷宫式滴灌带抗堵塞性能的影响。【方法】采用物理试验、数值模拟、建立线性数学模型等方法,设计9组工况进行数值模拟,研究额定流量为1.8 L/h的单翼迷宫式滴灌带的水沙两相流流场,以及滴灌带不同进出水口数、梯形流道齿数对流态指数、流量系数的影响。【结果】SST k-ω两方程低雷诺数紊流模型更加适用于单翼迷宫式滴灌带流场的数值模拟;从进水口到梯形流道再到出水口,泥沙颗粒质量浓度逐渐变小;滴灌带第5进水口为主要进水口,第3出水口为主要出水口;进水口数、梯形流道齿数、出水口数对流态指数影响极小,对流量系数的影响显著性排序为梯形流道齿数>出水口数>进水口数;构建了流量系数与三因素之间的多元线性模型,该模型决定系数为0.987,精度较好。【结论】在梯形迷宫流道尺寸相同时,梯形流道齿数越少流道内部流速越大,更有利于泥沙颗粒排出流道。构建的流量系数与三因素的公式可实现出水口位置精准灌溉植物,合理利用土地资源。

基于多目标遗传算法和反向传播神经网络的调节阀流道结构优化

以往的研究中,只针对调节阀迷宫流道结构和内部流场特性进行了分析,但对迷宫流道抗空化性能和流通性能的优化设计较欠缺。为了满足阀门实际工程中的设计需求,迷宫式调节阀需要具有流道抗空化性能和流通性能。为此,提出了一种基于多目标遗传算法(MOGA)和反向传播神经网络(BPNN)的方法,对调节阀迷宫流道进行了结构优化,提高了迷宫流道的抗空化性能和流通性能。首先,基于对冲耗能原理和多级降压原理,设计了弧形对冲式迷宫流道,并建立了流体力学仿真计算的数学模型;然后,利用计算流体动力学(CFD)仿真软件,对模型进行了空化仿真,根据仿真的数据构建了BPNN代理模型,通过结合Sobol敏感度分析方法与代理模型,分析了迷宫流道各参数对仿真结果的影响,采用多目标遗传算法,优化了迷宫流道的结构;最后,搭建了实验测试平台,测量了迷宫流道的阻塞流曲线,对比分析了测试结果与仿真结果。研究结果表明:采用优化算法得到的迷宫流道最大流量由0.0876 kg/s提高到0.1174 kg/s,提高了34%;线性压差由762.163 kPa提高到811.280 kPa,提高了6%;优化的迷宫流道实际最大流量为0.1159 kg/s,提高了33%;线性压差为819 kPa,提高了7%。迷宫流道抗空化性能和流通性能同时得到了提高,证明了仿真的有效性和该方法的可行性。

迷宫流道转角对灌水器抗堵塞性能的影响

以转角分别为45.0°、60.0°、67.5°和75.0°的齿形流道灌水器为研究对象,应用CFD流场速度数值分析、PIV颗粒运动轨迹线和速度观测对比以及浑水抗堵塞测试相结合的方法,研究了转角对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响。结果表明转角与流量系数及流态指数均呈负相关关系,而灌水器的抗堵塞能力随着转角的增加呈下降趋势。综合分析转角对水力性能和抗堵塞性能的影响,提出迷宫流道结构灌水器的合理转角为60.0°。

滴灌齿型迷宫流道灌水器水力性能数值试验研究

为研究齿型流道结构参数对灌水器水力性能的影响及流道水流流动机理,选取流道结构尺寸参数齿宽a(A)、齿底距b(B)、齿高h(C)为试验因素及流态指数为试验指标,选用L9(34)正交表安排正交试验方案,利用CFD数值模拟软件FLUENT建立各方案模型并进行数值求解,采用极差分析、方差分析及线性回归法分析数值模拟试验结果,并研究了流道内部流场,以解释其消能机理。结果表明,齿形迷宫流道结构参数最优组合为A3B1C3,影响主次顺序为B、C、A;建立结构参数和流态指数间的线性回归模型;流道内部水流依靠漩涡产生局部水头损失达到消能效果。

泥沙粒径与含沙量对迷宫流道滴头堵塞的影响

为探明泥沙粒径与含沙量对内镶片式斜齿形迷宫流道滴头的堵塞过程和原因，采用筛分法，分选出6个小于0.1 mm的粒径段，配制成不同含沙量的浑水，在恒压条件下，采用周期性间歇灌水试验观测流量变化，通过电镜扫描法观测堵塞泥沙结构。试验结果表明：粒径为0.075≤D〈0.1 mm和0.03≤D〈0.038 mm的泥沙易引起滴头堵塞；粒径为0.038≤D〈0.05和 D〈0.02 mm 的泥沙较难引起堵塞，且含沙量变化对堵塞的影响较小；粒径0.02≤D〈0.03 mm和0.05≤D〈0.075 mm的堵塞情况介于上述两者之间。当含沙量为〉1.2-1.3 g/L时，是最易引起堵塞的临界含沙量。当0.038≤D〈0.1 mm时，泥沙在流道内不易形成团聚体，造成滴头堵塞的原因是泥沙沉降、堆积；当D〈0.038 mm时，泥沙易在流道中凝结成大的团聚体，是造成滴头堵塞的主要原因。

迷宫流道转角对灌水器水力性能的影响

为研究齿形、梯形以及矩形流道转角变化对水力性能的影响,采用Fluent软件对不同形状下不同转角的流道进行了数值模拟。研究结果表明:当其他条件相同时,转角的变化与流量系数、流态指数呈负相关,其变化对梯形流道灌水器的流量系数影响最大,最多下降了19.03%,齿形流道次之,下降了10.14%,矩形流道是梯形流道转角角度增加的延伸,具有相同的水力性能变化规律;随着角度的增加,梯形流道总的局部水头损失系数最多增加了32.5%,而齿形流道总的局部水头损失系数最多增加了23.4%,变化都很明显;压力较高时,摩阻系数基本保持不变,流体为紊流状态。

迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证

针对迷宫流道灌水器结构细微复杂的特点,分别采用计算流体动力学CFD模拟方法和粒子图像测速仪PIV观测方法,对固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了模拟研究与试验观测,并对2种方法的研究结果进行了分析,结果表明:CFD模拟不同直径、不同密度的固体颗粒运动时,其模拟轨迹线与实际运动线非常接近;当颗粒直径较小(65μm)或密度较小(镁粒,1 740 kg/m3)时,CFD模拟的颗粒通过的路程与实际运动路程的偏差很小,而直径或密度较大的颗粒偏差比较大,其原因是直径或密度较大的颗粒实际运动时更加靠近主流区;采用CFD模拟颗粒运动速度是可行的,但颗粒实际运动时,保持高速的时间长于CFD模拟。

灌水器内圆弧形流道的液固两相流场分析

针对迷宫流道灌水器结构细微复杂等特点,利用计算流体动力学方法对其流道内流场进行液固两相数值模拟。采用雷诺应力模型和壁面函数法模拟流体流动,采用离散相模型跟踪颗粒运动轨迹。研究表明,每个单元流道不同部位的流体流速相差较大,在圆弧顶部和右下侧均出现不同大小的漩涡,沿流动方向漩涡呈扩大趋势;小颗粒的跟随性比大颗粒的跟随性好,但更易受湍流脉动的影响,部分颗粒会在涡团中心处沉淀下来,导致流道堵塞,灌水器的堵塞实验结果验证了数值分析的正确性;相对颗粒直径而言,颗粒密度对其运动轨迹的影响要小得多。

滴头壁面形貌对微颗粒与壁面黏附特性的影响

为了研究在含沙滴灌条件下,灌水器迷宫流道内壁面形貌对灌水器内流动特性以及流道内颗粒-壁面黏附的影响,以详细分析灌水器的堵塞机理,对不同形貌的矩形流道进行了水力性能测试实验,并利用粒子图像测速(PIV)平台对灌水器流道内颗粒-壁面黏附进行可视化实验,结合计算流体动力学的方法对其流场进行了数值仿真计算.研究结果表明:壁面粗糙元(高度为流道水力直径的10%)使得流道的阻力系数显著增大,即在同一工作压力下灌水器的出口流量变小;粗糙元改变了流道内沙粒浓度的分布,且粗糙元附近的沙粒速度较低,粒子与壁面碰撞后更容易黏附壁面,使得灌水器流道更容易堵塞.

滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究

为从结构设计上解决灌水器的堵塞问题,针对滴灌灌水器的各种微小迷宫流道形式,应用计算流体力学(CFD)数值模拟可视化地揭示了迷宫流道内部流动场的情况,并通过流体力学相似实验,用激光多普勒测速仪(LDV)测量了流道中的速度流场,验证了流态模拟计算的正确性。在此基础上,分析了迷宫流道的堵塞机理,针对流道中存在的流动滞止区结构,提出迷宫流道主航道抗堵优化设计方法,使优化后流道中不存在流动滞止区,提高迷宫型灌水器的抗堵性能,并通过了实验验证。

基于CFD-DEM耦合的迷宫流道水沙运动数值模拟

基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日固液多相湍流模型,针对灌水器迷宫流道内水沙运动进行了CFDDEM耦合数值模拟研究,分析了迷宫流道内流体流场、单个沙粒的轨迹线、速度和沙粒群的运动规律、分布特性等。结果表明:沙粒在流道深度中心面附近分布较多,靠近边壁较少,随着流道深度减小,流道内沙粒的体积浓度成倍上升。流道深度越小,流道深度(Z方向上)水流运动速度越小,随着沙粒Z方向上运动速度增大,沙粒群穿过中心面次数越多,撞击边壁的次数越多,流道深度0.6 mm的撞击边壁次数是1.4 mm的7.01倍,边壁撞击次数的增加使沙粒高频率改变原有运动方向,增加了沙粒之间,沙粒与壁面之间的碰撞,该运动情况降低了沙粒运动速度,减少了动能,不利于沙粒通过迷宫流道,增加了堵塞几率。该方法可分析大量沙粒个体和群体运动,以及群体分布情况,从微观角度了解迷宫流道内沙粒运动,是迷宫流道结构设计的有效手段之一。

滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究

在对迷宫流道结构特征参数提取的基础上,应用快速成形制造技术制作一体化灌水器实验原型,进行了灌水器水力性能实验。应用多元线性回归拟合出了压力流量关系式和回归曲线图,提出以梯形单元为主特征的流量与结构特征参数关系公式,通过实验验证了其可行性和准确性,建立了此种流道流量压力结构之间的关系。进一步分析了流道制造偏差对灌水器流量的影响,为迷宫型灌水器参数化结构设计和制造中的精度控制提供了理论依据。

基于计算流体动力学的迷宫型灌水器流量预测

通过反求迷宫型灌水器注塑产品的实物结构,建立其流量数值预测的物理模型,分别采用层、紊流模型对40～150kPa压力下的灌水器流量进行数值计算,并相应开展该灌水器流量与压力关系的试验测试。试验结果验证了计算流体动力学(CFD)方法预测灌水器流量的可行性,同时对比发现紊流模型的计算值更接近于试验值。通过对迷宫流道内流场分布的研究表明,由于流道曲折度较大,其内流体流动状态的转折点大幅度提前,在雷诺数Re=250～300之间时,流动就开始过渡到紊流状态,从而导致灌水器内的流动在40～150kPa压力测试范围内均处于一种紊流状态。

迷宫流道偏差量对灌水器水力性能及抗堵塞性能的影响

以齿尖偏差量分别为-0.25、0、0.25和0.50 mm的齿形流道结构形式的灌水器为研究对象,应用CFD单相流流场速度数值分析、CFD两相流沙粒浓度分布数值分析、试验样品清水和浑水测试相结合的方法,研究了偏差量对灌水器水力性能和抗堵塞能力的影响。结果表明:偏差量与流态指数呈正相关关系,与流量系数呈负相关关系,而随着偏差量的增加灌水器的抗堵塞能力也在下降,综合分析偏差量对水力性能和抗堵塞性能的影响,认为在满足流态指数的要求下应尽量减小偏差量以提高抗堵塞能力。

迷宫流道内沙粒壁面碰撞模拟与PTV实验

以单个沙粒为对象,研究了沙粒与灌水器流道壁面的碰撞过程。采用计算流体力学CFD数值模拟方法,分析了沙粒与壁面碰撞反弹系数Rc对灌水器抗堵性能的影响。结果表明,反弹系数对灌水器抗堵性能影响较大。利用粒子跟踪测速技术PTV,观测了复杂迷宫流道内沙粒与壁面碰撞过程,测定了不同压力点下矩形流道的碰撞反弹系数,为灌水器数值模拟时反弹系数的设定提供了实验依据,从而可以更加准确评估灌水器抗堵性能。

不同动态水压模式下迷宫流道内颗粒物运动特性研究

采用PTV技术,观测三角函数、三角、台阶、矩形波形动态水压模式下迷宫流道内颗粒物的运动情况,分析不同动态水压模式下迷宫流道内单个颗粒物运动轨迹、运动速度及流体流场,揭示动态水压抗堵塞机理。结果表明:相对于三角、台阶及矩形波形动态水压模式,三角函数波形动态水压模式下颗粒物滞留滞止区内的时间最短,颗粒物的沉积概率最小,水流对颗粒物的输移能力最大;三角函数波形动态水压模式下流道内产生的水流波动效应不断冲击流道滞止区内存在的低速漩涡,加剧了滞止区水流紊动,进入滞止区的颗粒物随水流不断运动,并对滞留甚至沉积在滞止区内的颗粒物发生强烈冲击,使得颗粒物离底悬浮,返回主流区,并迅速通过流道,增大了水流对颗粒物的输移能力,增强了流道的抗堵塞性能。

灌水器微细流道水沙两相流分析和微PIV及抗堵实验研究

为可视化研究灌水器微细迷宫流道内含有未过滤掉的沙粒的实际流动状况,进而探索迷宫流道的堵塞机理,针对灌水器复杂且微细的迷宫流道结构(1mm左右),该文选取常用的矩形和锯齿形迷宫流道滴片结构,根据液固两相流理论,对其微细流道进行了水沙两相流计算流体力学数值模拟了CFD分析,得到了迷宫流道内流体的速度和流线分布及沙粒的运动轨迹和浓度的瞬时分布,分析认为流道内的低速区及涡旋区是造成堵塞的主要原因。并根据灌水器迷宫流道水沙两相流实验的需要,构建了微细流道中流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Particle Image Velocimetry PIV)实验台,尝试应用微PIV测速技术对流道内两相流流场进行了测定,而且配合短周期堵塞实验验证了CFD计算的正确性。通过短周期堵塞实验分析得到了流道单元的最佳结构参数。