一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法

摘要

本发明公开了一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，该方法基于计算液体动力学CFD与粒子速度成像仪PIV，通过CFD模拟、LRP试验样品快速制造、PIV可视化测试相结合的方法进行流道结构参数的修正，然后再进行样品加工，按照相关国际标准进行浑水抗堵塞试验，最后实现产品结构定型与开模生产。可明显提高灌水器抗堵塞性能。利用此方法对滴灌灌水器梯型流道结构进行二次优化，并对优化参数实施标准化后，灌水器正常灌水天数从未优化前的6天增加到11天，且最大含沙量从60％以上下降到5％左右；明显提高到灌水器的抗堵塞性能。

主权项

1.一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于：包括下列步骤：第一步，根据设计要求，确定初步堵塞滴灌灌水器流道结构形式及参数，流道结构选择梯形、矩形或者弧齿型迷宫结构，流道宽度在0.6mm～1.2mm之间，流道深度为0.6mm～1.0mm，并按照CFD数值模拟软件要求，选择如下数学模型：$\left\{\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x_k}(\rho u_k\partial \overline{u_i{u}_j})=P_{\mathrm{ij}}+{\phi }_{\mathrm{ij}}+\frac{\partial }{\partial x_k}(\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\frac{\partial \overline{u_i^{\prime }{u}_j^{\prime }}}{\partial x_k}+\mu \frac{\partial \overline{u_i^{\prime }{u}_j^{\prime }}}{\partial x_k})-\frac{2}{3}\mathrm{\rho ϵ}{\delta }_{\mathrm{ij}}\\ P=-\rho (\overline{u_i^{\prime }{u}_k^{\prime }}\frac{\partial u_j}{\partial x_k}+\overline{u_j^{\prime }{u}_k^{\prime }}\frac{\partial u_i}{\partial x_k})\\ {\phi }_{\mathrm{ij},1}=-C_1\rho \frac{ϵ}{k}(\overline{u_i^{\prime }{u}_k^{\prime }}-\frac{2}{3}k{\delta }_{\mathrm{ij}})\\ {\phi }_{\mathrm{ij},2}=-C_2(P_{\mathrm{ij}}-\frac{2}{3}{P}_k{\delta }_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.$其中，P为产生项；φ_ij为应力应变项；C₁，C₂为系数，且C₁＝1.8，C₂＝0.6绘制相应的物理模型，并划分网格，并且网格数量不小于5000个；然后在CFD软件中进行单相流数值模拟，确定初步抗堵塞滴灌灌水器流道结构参数流道的水力性能，如果水力性能能够满足设计要求，即利用数值计算获得流量与压力，按照q＝kh^x回归，得到的流态指数约为0.5～0.65时，则进入下一步设计；第二步，进行CFD固体、液体两相流数值模拟试验，模拟时选择的颗粒随机轨道模型为：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\tau }_s}(\bar{u}+u^{\prime }-u_s)\\ \frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\tau }_s}(\bar{v}+v^{\prime }-v_s)\\ \frac{{\mathrm{dw}}_s}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\tau }_s}(\bar{w}+w^{\prime }-w_s)+g-\frac{{\rho }_{l}g}{{\rho }_s}\end{array}\right.$其中，u_s、v_s、w_s为三个方向颗粒速度的分量，m/s；ρ_s为颗粒密度，kg/m^-3；ρ_l为液体密度，kg/m^-3；分别为三个方向的液体平均流速的分量，m/s；u′、v′、w′分别为三个方向的液体湍流脉动速度的分量，m/s；t为时间s；然后通过数值计算确定流道内固体颗粒的分布规律，并绘制固体颗粒分布的等值线图；第三步，以4％固体颗粒含量等值线修正流道边界，从而重新确定流道结构参数；第四步，对重新确定的流道结构，再次按照第二步、第三步进行CFD数值模拟，直到达到设计要求为止；第五步，对二次优化设计的灌水器流道应用激光快速制造技术加工成高透明测试模型，构建粒子速度成像仪可视化试验装置，并利用粒子速度成像仪可视化试验平台分析固体颗粒及流体的实际运行情况，如果实际运行情况与第三步的流道结构参数基本相同，则进行下一步，否则修正结构参数再从第二步开始；粒子速度成像仪可视化试验平台至少包括储水容器(1)，潜水泵(2)，压力表(4)，光源(5)，试件模型(6)，高速摄像机(8)和电脑(9)，所述的储水容器(1)体积为30L～50L；潜水泵(2)的扬程为0.5m～12m，流量为1L/h～6L/h；压力表(4)误差为2cm水柱；光源(5)为1500w的新闻灯；试件模型(6)的材质透光度大于92％；高速摄像机(8)的拍摄速度大于1000帧/秒；储水容器(1)，潜水泵(2)，阀门(3)，压力表(4)，试件模型(6)和量杯(7)依次相连，光源(5)位于试件模型(6)上方，高速摄像机(8)位于试件模型(6)下方，同时高速摄像机(8)与电脑(9)相连；第六步，按照国际抗堵塞试验标准，进行浑水试验验证，并根据试验结果定型产品，获得标准化的抗堵塞滴灌灌水器的流道结构。