專利名稱：削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)，具體說(shuō)，涉.及一種削除流道內(nèi)懸浮顆粒 集聚位置的灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
滴灌灌水器在滴灌系統(tǒng)中是最重要的部件之一 ，滴灌灌水器被稱之為滴 灌系統(tǒng)的心臟，其作用是使有壓水流過其內(nèi)部的狹長(zhǎng)流道結(jié)構(gòu)或微孔充分消 能，以水流穩(wěn)定、均勻地滴入土壤。其水力性能和抗堵塞性能是滴灌系統(tǒng)投 資、運(yùn)行成本和運(yùn)行年限的決定因素，其中滴灌灌水器質(zhì)量的好壞直接影響 到整個(gè)滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、成本和使用年限。對(duì)于滴灌灌水器的堵塞問 題， 一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，也是自始至終困擾研究人員和應(yīng)用者的 一個(gè)難題。據(jù)有關(guān)報(bào)道，即使在水質(zhì)良好的條件下，采用較為完善的過濾措
施，滴灌系統(tǒng)仍存在有大約1/3的物理堵塞。
中國(guó)專利申請(qǐng)200710063794.67>開了 一種抗堵塞滴灌灌水器設(shè)計(jì)方法， 包括以下步驟，(1 )建立灌水器流道的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和 設(shè)定計(jì)算區(qū)域的邊界條件；(2)應(yīng)用CFD求解器對(duì)滴頭流道模型進(jìn)行計(jì)算； (3)計(jì)算得到流速場(chǎng)、渦量分布參數(shù)，確定滴頭流道內(nèi)的低流速區(qū)域位置、 壓能耗散的決定因素；U)修整流道結(jié)構(gòu)邊界，改變齒型結(jié)構(gòu)，通過對(duì)齒 尖處射流偏轉(zhuǎn)的流動(dòng)分析，減少齒尖處和背水面對(duì)流道邊界的沖刷，強(qiáng)化流 場(chǎng)中的漩渦結(jié)構(gòu)；(5)反復(fù)幾次數(shù)值計(jì)算，對(duì)比優(yōu)化前后的流道內(nèi)的流場(chǎng) 參數(shù)，以確定灌水器的抗堵塞能力，測(cè)定灌水器的流量-壓力參數(shù)，以保證 灌水器的水力性能。
中國(guó)專利申請(qǐng)200710063794.6 ^^開了 一種基于流態(tài)的農(nóng)i灌灌水器抗堵 流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括構(gòu)建灌水器迷宮型流道流態(tài)分析模型；網(wǎng)格劃 分和邊界條件設(shè)定；迷宮型流道流體的流動(dòng)沖莫擬；迷宮型流道防堵結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化。通過對(duì)灌灌水器流道進(jìn)行流動(dòng)特性分析和數(shù)值模擬計(jì)算，分析流道 中流體存在的流動(dòng)滯止區(qū)即"死區(qū)"，去除流道中存在的"死區(qū)，，。
目前針對(duì)滴灌灌水器流道抗堵塞的研究主要利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)
對(duì)滴灌灌水器內(nèi)部水流流動(dòng)進(jìn)行分析，該方法具有成本低、靈活性強(qiáng)和縮短 設(shè)計(jì)周期等優(yōu)點(diǎn)。許多學(xué)者采用該方法分析滴灌灌水器的流道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)規(guī) 律，削除水流產(chǎn)生的制止區(qū)、旋渦區(qū)和低流速區(qū)。另外，也有學(xué)者通過固液 兩相流模擬的方法消除滴灌灌水器的流道內(nèi)顆粒易集聚的區(qū)域，但仍是以水 流的流線和整個(gè)流場(chǎng)水流的流動(dòng)情況出發(fā)對(duì)流道進(jìn)4亍-修改，該方法能改善抗 堵塞能力但改變了灌水器原有的水力性能，需要增加流道長(zhǎng)度來(lái)彌補(bǔ)消能方 面的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了 一種削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的灌水器抗堵塞設(shè)計(jì) 方法，能夠獲^l最佳的流道結(jié)構(gòu)形式。
技術(shù)方案方案如下
一種削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，包括
構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的幾何結(jié)構(gòu)才莫型，確定所述流道的入口和出口 處邊界條件；
根據(jù)所述邊界條件，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD固液兩相流模型對(duì)流道模 型進(jìn)行數(shù)值模擬；
提取所迷流道中帶有懸浮顆粒含量百分比的截面，按照最小懸浮顆粒濃 度曲線修改所述流道模型；
重復(fù)上述步驟，篩選出最大懸浮顆粒濃度最接近入口懸浮顆粒濃度的流 道形狀。
進(jìn)一步，采用算術(shù)平均法統(tǒng)計(jì)流道修改尺寸，將所述流道統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)尺 寸，并將所述標(biāo)準(zhǔn)尺寸的流道按照設(shè)定的倍數(shù)放大或者縮??；
對(duì)每種流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行水力性能模擬，并比較水力性能參數(shù)中的流態(tài)指數(shù) 和流道寬度，取最大懸浮顆粒濃度最接近入口懸浮顆粒濃度，并且流態(tài)指數(shù)
5較小、流道寬度較大的流道形式作為最終的流道。
進(jìn)一步，所述設(shè)定的倍數(shù)包括0.8倍、1.0倍、1.2倍、1.4倍或者1.6倍。
進(jìn)一步，以所述流道的入口和出口處壓力，及入口懸浮顆粒濃度為邊界 條件。
進(jìn)一步，采用AUTOCAD軟件來(lái)構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的幾何結(jié)構(gòu) 模型，流道的橫截面為矩形，并采用CFD前處理軟件GAMBIT對(duì)整個(gè)模型 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)邊界處設(shè)置網(wǎng)格加密。
進(jìn)一步，通用CFD流場(chǎng)計(jì)算分析軟件FLUENT軟件對(duì)流道內(nèi)的固液兩 相流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，選用歐拉多相流模型，泉流才莫型為Realizable,壁面處 理函數(shù)為Non-Equilibrium Wall Functions;設(shè)置重力條件，計(jì)算方法采用定 常的耦合隱式算法，采用先一階后二階迎風(fēng)格式。
進(jìn)一步，在所述提取所述流道中帶有懸浮顆粒含量百分比的截面過程 中，提取流道深度一半位置上帶有懸浮顆粒含量百分比的截面。
本發(fā)明技術(shù)方案帶來(lái)的技術(shù)效果包括
1、 現(xiàn)有技術(shù)中，僅從單一水流特性推測(cè)懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分析滴 灌灌水器的抗堵塞性能，而本發(fā)明首次采用固液兩相流進(jìn);f亍;溪擬，此方法更 加相符實(shí)際情況。
2、 從CFD計(jì)算結(jié)果中提出含懸浮顆粒的截面，本發(fā)明首次按照最小懸 浮顆粒曲線修改流道，并獲得最佳的流道結(jié)構(gòu)形式。
3、 本發(fā)明技術(shù)方案首次將滴灌灌水器水力性能、抗堵塞性能及流道加 工綜合考慮，能夠形成較優(yōu)的流道結(jié)構(gòu)形式。


圖1是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的沿軸向的縱剖面示意圖2是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的沿軸向的懸浮顆粒濃度分布平面圖3是本發(fā)明中流道沿軸向的懸浮顆粒濃度(多次流道修改后，統(tǒng)一尺寸標(biāo)準(zhǔn)前)分布平面圖4是本發(fā)明中流道沿軸向的懸浮顆粒濃度(統(tǒng)一尺寸標(biāo)準(zhǔn)后)分布平 面圖5是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后并沿軸向的縱剖面示意圖6是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的沿軸向的懸浮顆粒濃度分布平面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案通過固液兩相流進(jìn)行模擬，并且對(duì)滴灌灌水器的水力性 能、抗堵塞性能及流道加工進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)而選擇出最優(yōu)的流道結(jié)構(gòu)形式。
本發(fā)明中，為了增強(qiáng)了水流對(duì)流道邊界的沖刷，強(qiáng)化渦》走結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混 摻，抗堵塞滴灌灌水器的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟
步驟一構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的幾何結(jié)構(gòu)模型，并確定滴灌灌水器 流道的入口和出口處的邊界條件。
本優(yōu)選實(shí)施例中，采用AUTOCAD軟件來(lái)構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的 幾何結(jié)構(gòu)模型，流道的橫截面為矩形，并采用GAMBIT ( CFD前處理軟件) 對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用0.1mm的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格充滿 整個(gè)流道，并對(duì)邊界處設(shè)置網(wǎng)才各加密。以入口和出口處壓力，以及固液兩相 流入口混合液懸浮顆粒濃度為邊界條件。
如圖l所示，是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的沿軸向的縱剖面示意圖。 步驟二在入口和出口處以壓力為邊界條件的情況下，采用CFD固液 兩相流模型對(duì)灌水器流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬。
本優(yōu)選實(shí)施例中，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)流道內(nèi)的固液兩相流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 模擬，選用的是歐拉多相流模型，湍流模型為Realizable ( —種FLUENT軟 件中的雙方程模型)，壁面處理函數(shù)為Non-Equilibrium Wall Functions;設(shè) 置重力條件，計(jì)算方法采用定常的耦合隱式算法，采用先一階后二階迎風(fēng)格 式；固液兩相流入口混合液懸浮顆粒濃度為1% (體積百分比)。
步驟三提取流道深度一半位置上帶有懸浮顆粒含量百分比的截面。 基于CFD技術(shù)模擬計(jì)算的結(jié)果，在流道深度一半的位置上，取出一個(gè)截面，此截面上包含懸浮顆粒濃度分布、水量分布、水流速度及懸浮顆粒流
動(dòng)速度等等。從CFD軟件中輸出僅含有懸浮顆粒濃度分布的截面，將此截 面輸入TECPLOT軟件中，從而獲得了流道各位置上的懸浮顆粒濃度，也能 得到最高和最低懸浮顆粒的位置，并能按照相同的懸浮顆粒濃度獲得懸浮顆 粒濃度曲線，保留懸浮顆粒濃度最低的曲線，并將懸浮顆粒濃度最低的曲線 輸出。
如圖2所示，是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的沿軸向的懸浮顆粒濃度分布 平面圖。以入口和出口處的邊界條件得到懸浮顆粒濃度分布平面圖，其中， 粗線表示流道邊界，細(xì)線表示含顆粒等值線，數(shù)字表示含顆粒的百分比，如 0.41即表示41%,即此處含懸浮顆粒濃度41。/。，含水59%，合計(jì)為100%。
步驟四在流道模型中按照最小懸浮顆粒濃度曲線修改(即優(yōu)化)流道 模型。
將步驟三輸出的結(jié)果輸入到AUTOCAD中，按照懸浮顆粒最低濃度曲 線對(duì)流道進(jìn)行修改(即優(yōu)化)。
步驟五循環(huán)并多次重復(fù)進(jìn)行步驟一至四，篩選出最大懸浮顆粒濃度最 接近入口懸浮顆粒濃度的流道形狀，此流道形式即為最佳的抗堵塞流道形 式。
如圖3所示，是本發(fā)明中流道沿軸向的懸浮顆粒濃度(多次流道修改后， 統(tǒng)一尺寸標(biāo)準(zhǔn)前)分布平面圖。圖中粗線條表示篩選出的最大懸浮顆粒濃度 最接近入口懸浮顆粒濃度的流道形狀，細(xì)線表示含顆粒等值線，數(shù)字表示含 顆粒的百分比，很明顯，從最大濃度來(lái)看，已經(jīng)非常接近入口設(shè)置的1%的 濃度，從最高的61%下降到3%，效果非常明顯。
由于經(jīng)上述步驟所得出的流道形式有可能不利于機(jī)械加工，為了便于滴 灌灌水器的加工，需要對(duì)流道尺寸進(jìn)行規(guī)整化。
如圖4所示，是本發(fā)明中流道沿軸向的懸浮顆粒濃度(統(tǒng)一尺寸標(biāo)準(zhǔn)后) 分布平面圖。經(jīng)過流道規(guī)整后，懸浮顆粒最大濃度又上升到18%,由此可見 流道的規(guī)整對(duì)懸浮顆粒濃度分布的影響明顯，需要進(jìn)一 步修整。
步驟六采用算術(shù)平均法統(tǒng)計(jì)流道修改尺寸，將流道統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)尺寸， 將標(biāo)準(zhǔn)尺寸按照0.8倍、1.0倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍放大或者縮小。步驟七對(duì)每種流道結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行固液兩相流模擬、水力性能模擬，并
比較水力性能參數(shù)中的流態(tài)指數(shù)、流道寬度和最大懸浮顆粒濃度。選擇接近 入口懸浮顆粒濃度(1%)，且流態(tài)指數(shù)較小、流道寬度較大的流道形式作 為最終的流道，此流道形式即為較優(yōu)的抗堵塞流道形式。
如圖5所示，是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后并沿軸向的縱剖面示意圖。本 圖中的流道結(jié)構(gòu)是對(duì)圖1示例的優(yōu)化，并經(jīng)統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)尺寸后修改的尺寸如 下在底面設(shè)置的斜面包括設(shè)置在入水口方向的斜面41和設(shè)置在出水口方 向的斜面42。斜面41的水平長(zhǎng)度是0.64mm,垂直高度是0.34mm;斜面42 水平長(zhǎng)度是0.3 lmm，垂直高度是0.28mm。
如圖6所示，是本發(fā)明中流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的沿軸向的懸浮顆粒濃度分布 平面圖。圖中粗線條表示流道形狀，細(xì)線表示含顆粒等值線，數(shù)字表示含顆 粒的百分比。
從圖6可知，本模擬產(chǎn)品中，固體懸浮顆粒的濃度從優(yōu)化前的61%下降 到了5%,下降明顯，可實(shí)現(xiàn)抗堵塞功能。
權(quán)利要求
1、一種削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的幾何結(jié)構(gòu)模型，確定所述流道的入口和出口處邊界條件；根據(jù)所述邊界條件，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD固液兩相流模型對(duì)流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬；提取所述流道中帶有懸浮顆粒含量百分比的截面，按照最小懸浮顆粒濃度曲線修改所述流道模型；重復(fù)上述步驟，篩選出最大懸浮顆粒濃度最接近入口懸浮顆粒濃度的流道形狀。
2、 如權(quán)利要求1所述的削除高固體顆粒流道堵塞的方法，其特征在于， 進(jìn)一步包括采用算術(shù)平均法統(tǒng)計(jì)流道修改尺寸，將所述流道統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并將 所述標(biāo)準(zhǔn)尺寸的流道按照設(shè)定的倍數(shù)放大或者縮??；對(duì)每種流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行水力性能模擬，并比較水力性能參數(shù)中的流態(tài)指數(shù) 和流道寬度，取最大懸浮顆粒濃度最接近入口懸浮顆粒濃度，并且流態(tài)指數(shù) 較小、流道寬度較大的流道形式作為最終的流道。
3、 如權(quán)利要求2所述的削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的抗堵塞設(shè)計(jì)方 法，其特征在于，所述設(shè)定的倍數(shù)包括0.8倍、1.0倍、1.2倍、1.4倍或者 1.6倍。
4、 如權(quán)利要求1所述的削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的抗堵塞設(shè)計(jì)方 法，其特征在于以所述流道的入口和出口處壓力，及入口懸浮顆粒濃度為 邊界條件。
5、 如權(quán)利要求4所述的削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的抗堵塞設(shè)計(jì)方 法，其特征在于采用AUTOCAD軟件來(lái)構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的幾何結(jié)構(gòu)模型，流道的橫截面為矩形，并采用CFD前處理軟件GAMBIT對(duì)整個(gè) 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)邊界處設(shè)置網(wǎng)格加密。
6、 如權(quán)利要求5所述的削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的抗堵塞設(shè)計(jì)方 法，其特征在于通用CFD流場(chǎng)計(jì)算分析軟件FLUENT軟件對(duì)流道內(nèi)的固 液兩相流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，選用歐拉多相流模型，泉流4莫型為Realizable,壁 面處理函數(shù)為Non-Equilibrium Wall Functions;設(shè)置重力條件，計(jì)算方法采 用定常的耦合隱式算法，采用先一階后二階迎風(fēng)格式。
7、 如權(quán)利要求1所述的削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的抗堵塞設(shè)計(jì)方 法，其特征在于在所述提取所述流道中帶有懸浮顆粒含量百分比的截面過 程中，提取流道深度一半位置上帶有懸浮顆粒含量百分比的截面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種削除流道內(nèi)懸浮顆粒集聚位置的灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，包括構(gòu)建滴灌灌水器內(nèi)部流道的幾何結(jié)構(gòu)模型，確定所述流道的入口和出口處邊界條件；根據(jù)所述邊界條件，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD固液兩相流模型對(duì)流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬；提取所述流道中帶有懸浮顆粒含量百分比的截面，按照最小懸浮顆粒濃度曲線修改所述流道模型；重復(fù)上述步驟，篩選出最大懸浮顆粒濃度最接近入口懸浮顆粒濃度的流道形狀。本發(fā)明首次將滴灌灌水器的水力性能、抗堵塞性能及流道加工綜合考慮，能夠形成較優(yōu)的流道結(jié)構(gòu)形式。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101667218SQ200910180769
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者劉洪祿, 吳文勇, 吳普特, 喻黎明 申請(qǐng)人:北京市水利科學(xué)研究所