專利名稱：一種迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉經(jīng)常使用的滴灌灌水器的設(shè)計方法，特別涉及一種 迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
滴灌灌水器是滴灌系統(tǒng)的核心部件，灌水器的水力性能與抗堵塞能力直 接決定了滴灌工程的灌溉質(zhì)量與系統(tǒng)壽命，因此合理設(shè)計滴灌灌水器，提高 其抗堵塞能力與水力性能對改善滴灌系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)使用壽命，降低系 統(tǒng)成本都具有重要的意義。目前滴灌灌水器的流道結(jié)構(gòu)形式常采用迷宮結(jié)構(gòu) 形式，該結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的滴灌灌水器水力性能和抗堵塞能力是一對矛盾，當水力 性能達到一定程度時，必然導致其抗堵塞能力下降，反之依然。科學的灌水 器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是在保證一定水力性能的基礎(chǔ)上，完善結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，使其 抗堵塞能力達到最大化，或者在保證一定抗堵塞能力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)水力性 能的最大化。為了提高滴灌系統(tǒng)的抗堵塞能力，目前采用的方法為-
方法一，提高過濾裝置的過濾能力。該方法是通過網(wǎng)式、疊片式或者離 心式等過濾裝置過濾水中的固體物質(zhì)，減少進入灌水器中固體顆粒。這些過 濾裝置是目前滴灌系統(tǒng)的必備裝置，但其過濾能力只能保證在一定范圍內(nèi)， 不可能完全消除水中的固體顆粒。另外，隨著這些過濾裝置過濾能力的提高， 必然導致水頭損失的急劇升高，灌溉成本(設(shè)備投資與運行費用)也急劇升 高。因此，該方法是必須的，但不是唯一的，也無法根本解決系統(tǒng)堵塞問題。
方法二，研制特殊材料與結(jié)構(gòu)的灌水器，如日本、埃及等提出了用陶瓷 材料制造專門滴頭，使水流滲入土壤，基本排除了顆粒堵塞與負壓吸泥堵塞 等現(xiàn)象。但該裝置體積龐大，安裝使用非常煩瑣，使用范圍非常小(只能適用于果樹灌溉或者單株作物灌溉)，不宜生產(chǎn)、運輸與安裝。
方法三，在滴頭上加裝附加設(shè)備，以提高水流的紊動或者增加過濾能力。 例如，已經(jīng)公開的中國專利"利用波動防止滴頭堵塞的方法及波動防堵滴頭"
(申請?zhí)?98110554.8)，"多變量抗堵塞滴頭"(申請?zhí)?200810017757.6)
等通過安裝水流波動或者滴頭套過濾裝置來提高抗堵塞能力。這些技術(shù)方案 的缺點是增加了專門的裝置，造成成本的增加，而且，這些滴頭的結(jié)構(gòu)復雜， 也不利于在目前的滴灌企業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)，產(chǎn)品安裝使用也非常不方便。
方法四，人為縮短系統(tǒng)設(shè)計壽命，降低堵塞的影響。該方法必然提高了 滴灌帶的更新頻率，導致勞動力與經(jīng)費的浪費，也對農(nóng)田環(huán)境造成更大的污 染壓力。
為了提高滴灌工程的抗堵塞能力，延長系統(tǒng)壽命，其根本方法應(yīng)該是綜 合考慮過濾裝置和灌水器抗堵塞能力，以及系統(tǒng)的設(shè)計壽命。而灌水器本身 的抗堵塞能力是解決問題的關(guān)鍵。為此，我國有關(guān)學者提出了消除流道內(nèi)旋 渦區(qū)的流道設(shè)計方法以及弧形流道結(jié)構(gòu)形式的灌水器，這些方法在提高灌水 器抗堵塞能力的同時， 一定程度上降低了灌水器的水力性能，不是最科學的 灌水器抗堵塞設(shè)計方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種迷 宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，該方法利用CFD模擬灌水 器流道內(nèi)含沙量分布，并以較小含沙量等值線作為流道的新邊界線，進一步 重新進行流道結(jié)構(gòu)設(shè)計，該方法設(shè)計的灌水器可有效提高固體顆粒在流道內(nèi) 分布的均勻程度，大幅度提高灌水器的抗堵塞能力。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案
一種迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于，包
括下列步驟第一步，按照常規(guī)灌水器迷宮結(jié)構(gòu)圖樣設(shè)計出整個灌水器的流道和流道
邊界線；
第二步，采用通用繪圖軟件，或者CFD數(shù)值模擬FLUENT軟件GamBit 模塊，繪制流道初始結(jié)構(gòu)，并把繪制好的流道初始結(jié)構(gòu)導入FLUENT軟件 的GamBit模塊進行網(wǎng)格劃分，然后在計算模塊中選擇數(shù)學模型，最后進行 數(shù)值模擬，繪制流道內(nèi)的含沙量等值線所述的數(shù)學模型包括模擬迷宮流道內(nèi)含沙量分布的Eulerian多相流模 型，模擬水力性能的RNG-f湍流模型，確定數(shù)值模擬的邊界條件，給定平 均含沙量、進口工作壓力和出口壓力；
第三步，在含沙量等值線圖中選擇靠近流道邊界線且含沙量較小的等值 線作為新的流道邊界線，構(gòu)成新的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀；在選擇較小含沙量 等值線時，盡量選擇連續(xù)貫通整個流道的等值線，當有多條含沙量等值線連 續(xù)貫通整個流道時，可以任選擇一條當作較小含沙量等值線；
第四步，對新的灌水器結(jié)構(gòu)形狀，再次按照第二步、第三步的操作進行 CFD數(shù)值模擬，并再次繪制含沙量等值線圖，當新繪的含沙量等值線圖中 最大含沙量值與平均含沙量的比值小于5時，即認為達到設(shè)計要求，確定新 的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀；否則把第三步獲得的新的灌水器流道結(jié)構(gòu)重新作為 初始灌水器結(jié)構(gòu)形狀，并重新從第二步開始操作，直到達到設(shè)計要求為止；
第五步，為了便于機械加工，對第四步獲得的以較小含沙量等值線為流 道邊界線的新流道結(jié)構(gòu)，進行標準化設(shè)計，標準化設(shè)計采用折線近似代替不 規(guī)則的含沙量等值線，獲得標準化的抗堵塞迷宮流道結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明實際是一種以CFD (computational fluid dynamics) 二相流模擬 的流道較小含沙量等值線為流道邊界線的灌水器抗堵塞設(shè)計方法，該方法優(yōu) 化了灌水器的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計的灌水器與初始流道結(jié)構(gòu)形狀的灌水器相 比較，流道內(nèi)含沙量分布更加均勻，基本消除了大量固體顆粒堆積在流道壁面的現(xiàn)象，使灌水器的抗堵塞能力提高了 1倍，使用壽命達到原來的2倍， 而其水力性能與原型保持不變，產(chǎn)品的成型工藝及材料用量完全與目前產(chǎn)品 相同。


圖l是初始流道結(jié)構(gòu)示意圖2是含沙量等值線示意圖3是優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)示意圖4是用直線代替不規(guī)則線的近似過程示意圖5是標準化設(shè)計的優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)示意圖6是一個具體設(shè)計實例的初始流道結(jié)構(gòu)圖7是設(shè)計實例的初始結(jié)構(gòu)含沙量分布圖8是一次優(yōu)化后的含沙量分布圖9是二次優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)形式及含沙量分布圖IO是實例標準化設(shè)計流道結(jié)構(gòu)及含沙量分布其中，圖1至圖5中的標號分別表示1、初始結(jié)構(gòu)流道邊界線，2、流
道，3、較小含沙量等值線，4、近似代替不規(guī)則等值線的折線，5、標準化
設(shè)計的新流道邊界線。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的設(shè)計實施方法對本發(fā)明作進一步的詳細 說明。
具體實施例方式
參見附圖，本發(fā)明的迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 法，包括初始流道結(jié)構(gòu)形式的繪制、二相流數(shù)值模擬繪制含沙量等值線圖、 流道邊界線重新設(shè)計、流道結(jié)構(gòu)形式定型與流道邊界線標準化設(shè)計等五部
分，具體設(shè)計方法是
第一步，按照常規(guī)灌水器迷宮結(jié)構(gòu)圖樣，設(shè)計出灌水器結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu) 如圖1所示，圖1中虛線框的部分稱為灌水器結(jié)構(gòu)的一個流道單元，包括流
7道邊界線1和流道2，整個灌水器流道結(jié)構(gòu)就是由多個流道單元通過復制平 移形成的。
第二步，采用通用繪圖軟件AUTOCAD等，或者CFD數(shù)值模擬FLUENT 軟件(該軟件為美國ANSYS公司的商業(yè)軟件)的GamBit模塊繪制灌水器 的初始結(jié)構(gòu)形式，并把繪制好的灌水器的結(jié)構(gòu)形式導入FLUENT軟件的 GamBit模塊進行網(wǎng)格劃分，然后在計算模塊中選擇數(shù)學模型(采用Eulerian 多相流模型模擬迷宮流道內(nèi)的含沙量分布、采用RNG- f湍流模型模擬水力 性能，這些模擬方法與模型在計算流體力學相關(guān)教材中都有詳細介紹)，確 定數(shù)值模擬邊界條件(壁面條件)，給定平均含沙量、進口工作壓力與出口 壓力，最后進行數(shù)值模擬，繪制含沙量等值線圖(如圖2所示)。
第三步，在含沙量分布等值線圖(圖2)中選擇離流道邊界1較近的較 小含沙量等值線3作為新的流道邊界，確定新的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀如圖3 所示。選擇較小含沙量等值線時，盡量選擇連續(xù)貫通整個流道的等值線，當 有多條含沙量等值線連續(xù)貫通整個流道時，可以任選擇一條當作較小含沙量 等值線。
第四步，對新的灌水器結(jié)構(gòu)形狀(圖3)，再次按照第二步、第三步的 操作方法進行CFD數(shù)值模擬，并再次繪制與圖2類似的含沙量等值線圖， 當新繪的含沙量等值線圖中最大含沙量值與平均含沙量的比值小于5時，即 認為達到設(shè)計要求，確定新的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀；否則把第三步獲得的新 的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀(圖3)作為初始灌水器結(jié)構(gòu)形狀，并重新從第二步 開始操作，直到達到要求(最大含沙量值與平均含沙量的比值小于5)為止。
第五步，上述過程中獲得新結(jié)構(gòu)形式(圖3)是以較小含沙量等值線為 流道邊界線，由于含沙量等值線是不規(guī)則線段連接，而且在不同流道單元中 的曲線形狀并不完全一樣，這種灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀不便于機械加工，為了 提高流道結(jié)構(gòu)的規(guī)范性，并易于機械加工，需要對新的流道結(jié)構(gòu)形狀(圖3)進行標準化設(shè)計。標準化設(shè)計過程就是用折線近似代替不規(guī)則的含沙量等值
線的過程，其標準化過程如圖4所示，即用圖4中的折線4近似代替圖2 中的較小等值線3，并獲得一系列參數(shù)x/、x2、;d、……、:c"，^、:^、;d、……、
>;"，z7、 z2、 z3、 ......、 zw及"/、 "2、 "3、 ......、分別取平均值，獲
得4個參數(shù)jc、y、z、w，即x=(jc7+jc2+x3+......+;cw)/"，:v=(y7+:v2+>^+ '+y")/m
2=(z7+z2+z3+......+z")/"， w=("7+"2+m3+......然后，在初始結(jié)構(gòu)流道
邊界線1的基礎(chǔ)上，用x、》z、"等4個參數(shù)重新設(shè)計獲得標準化流道邊 界線5的抗堵塞迷宮流道結(jié)構(gòu)(圖5)。把圖5所示的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀 作為定型的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀，并以型的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀開發(fā)模具， 生產(chǎn)出的灌水器成品按規(guī)范進行水力性能與抗堵塞試驗。
為了更清楚地解釋上述設(shè)計過程，舉設(shè)計實例如下-
選擇如圖6所示灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)圖樣為初始流道結(jié)構(gòu)形狀，圖中 a=75°， /r=1.0mm， w=1.0mm， d=0.8mm， 6=2.07，流道單元數(shù)為9個。
CFD模擬采用Eulerian多相流模型模擬迷宮流道內(nèi)的含沙量分布、采用 RNG- f湍流模型模擬水力性能。灌水器入口壓力50kPa，出水口壓力為 0kPa，考慮重力作用，數(shù)值計算采用有限體積法離散控制方程，對流項等各 參數(shù)的離散都采用二階迎風格式，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法求 解，收斂精度為10—4。平均含沙量為1%。按照前面的第一步、第二步操作， 繪制的初始流道結(jié)構(gòu)的含沙量等值線如圖7。
選擇圖7中含沙量為0.04的等值線作為流道邊界，按照上述第三步與第 四步操作過程，繪制新的灌水器結(jié)構(gòu)形狀，并CFD模擬含沙量等值線如圖8 所示。
圖8中最大含沙量為0.10，是平均值(1%)的10倍，不符合最大含沙 量值與平均含沙量的比值小于5的設(shè)計標準，需要進行第二次優(yōu)化。
第二次優(yōu)化選擇圖8中含沙量為0.02的等值線作為新流道邊界線，進行前述第一步至第四步的操作，獲得新灌水器流道結(jié)構(gòu)圖形及含沙量等值線
如圖9所示。
圖9中的最大含沙量(0.03)為平均含沙量(1%)的3倍，即符合設(shè)計 要求。把圖9中的灌水器流道邊界線與圖7中的灌水器流道邊界線進行對比， 按照上述第五步的方法，獲得標準化設(shè)計參數(shù)Fl.lmm，尸0.6mm，z^.3mm， 『0.3mm，并進行標準化設(shè)計與CFD數(shù)值模擬，獲得的標準化灌水器流道 結(jié)構(gòu)形狀及含沙量等值線如圖IO所示。
從圖10中可以看出，最大含沙量為0.04，是平均含沙量(1%)的4倍， 約是初始結(jié)構(gòu)流道形狀的最高含沙量(圖7) 0.61的1/15。為了檢驗其水力 性能及實際抗堵塞能力，分別對圖7與圖10的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀開發(fā)模 具，生產(chǎn)了相應(yīng)的迷宮結(jié)構(gòu)的滴灌帶，并按照國家灌水器性能測試的標準方 法(GB/T 17187-1997農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭技術(shù)規(guī)范和試驗方)與短周期堵 塞測試程序(ISO標準ISO/TC23/SC18/WG5N4)進行性能測試，結(jié)果見 下表。
表實例灌水器水力性能測試結(jié)果
測試對象流量系數(shù)流態(tài)指數(shù)堵塞前渾水 試驗次數(shù)
實例初始流道結(jié)構(gòu)0.980.4915次
實例標準化流道結(jié)構(gòu)0.980.48711次
從上表可以看出，采用本發(fā)明的方法設(shè)計的灌水器流道結(jié)構(gòu)的流態(tài)指數(shù)
略小于實例中初始流道結(jié)構(gòu)，而可使用次數(shù)是實例中初始流道結(jié)構(gòu)的2倍， 說明按照本發(fā)明設(shè)計的新灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀可以有效地提高灌水器的抗 堵塞能力，顯著提高灌水器的壽命，并保持原型灌水器的水力性能。
10
權(quán)利要求
1、一種迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于，包括下列步驟第一步，按照常規(guī)灌水器迷宮結(jié)構(gòu)圖樣設(shè)計出整個灌水器的流道和流道邊界線；第二步，采用通用繪圖軟件，或者CFD數(shù)值模擬FLUENT軟件GamBit模塊，繪制流道初始結(jié)構(gòu)，并把繪制好的流道初始結(jié)構(gòu)導入FLUENT軟件的GamBit模塊進行網(wǎng)格劃分，然后在計算模塊中選擇數(shù)學模型，最后進行數(shù)值模擬，繪制流道內(nèi)的含沙量等值線圖；所述的數(shù)學模型包括模擬迷宮流道內(nèi)含沙量分布的Eulerian多相流模型，模擬水力性能的RNG-ε湍流模型，確定數(shù)值模擬的邊界條件，給定平均含沙量、進口工作壓力和出口壓力；第三步，在含沙量等值線圖中選擇靠近流道邊界線且含沙量較小的等值線作為新的流道邊界線，構(gòu)成新的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀；在選擇較小含沙量等值線時，盡量選擇連續(xù)貫通整個流道的等值線，當有多條含沙量等值線連續(xù)貫通整個流道時，可以任選擇一條當作較小含沙量等值線；第四步，對新的灌水器結(jié)構(gòu)形狀，再次按照第二步、第三步的操作進行CFD數(shù)值模擬，并再次繪制含沙量等值線圖，當新繪的含沙量等值線圖中最大含沙量值與平均含沙量的比值小于5時，即認為達到設(shè)計要求，即確定新的灌水器流道結(jié)構(gòu)形狀；否則把第三步獲得的新的灌水器結(jié)構(gòu)重新作為初始灌水器流道結(jié)構(gòu)，并重新從第二步開始操作，直到達到設(shè)計要求為止；第五步，為了便于機械加工，對第四步獲得的以較小含沙量等值線為流道邊界線的新流道結(jié)構(gòu)，進行標準化設(shè)計，標準化設(shè)計采用折線近似代替不規(guī)則的含沙量等值線，獲得標準化的抗堵塞迷宮流道結(jié)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的標準化過程是用多段相互連接的直線近似代替較小含沙量等值線，獲得灌水器流道邊界型線的 系列參數(shù)，分別對各個系列參數(shù)求取平均值，獲得流道邊界型線的各個標準 化設(shè)計參數(shù)，然后，以初始流道結(jié)構(gòu)形狀為基礎(chǔ)，用流道邊界型線的標準化 設(shè)計參數(shù)獲得標準化的抗堵塞迷宮流道結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的抗堵塞流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，包括初始流道結(jié)構(gòu)形狀的繪制、二相流數(shù)值模擬繪制含沙量等值線圖、流道邊界線重新設(shè)計、流道結(jié)構(gòu)形狀定型與流道邊界線標準化設(shè)計等五部分，該方法優(yōu)化了灌水器的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計的灌水器與初始流道結(jié)構(gòu)形狀的灌水器相比較，流道內(nèi)含沙量分布更加均勻，基本消除了大量固體顆粒堆積在流道壁面的現(xiàn)象，使灌水器的抗堵塞能力提高了1倍，使用壽命達到原來的2倍，而其水力性能與原型保持不變，產(chǎn)品的成型工藝及材料用量完全與目前產(chǎn)品相同。
文檔編號G06F17/50GK101551828SQ20091002166
公開日2009年10月7日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者吳普特, 喻黎明, 牛文全, 范興科 申請人:西北農(nóng)林科技大學