本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種圓形噴灌機入機口處多井匯流裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及根據(jù)所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法設(shè)計的兩井匯流裝置。

背景技術(shù)：

圓形噴灌機在我國東北、華北及西北的井灌地區(qū)應(yīng)用較為普遍。由于地下水的缺乏導(dǎo)致單井出水量無法滿足噴灌機入機流量的要求，同時由于單臺噴灌機的控制面積過小、投資不經(jīng)濟、運行管理難等問題，在實際應(yīng)用中多采用多口井并聯(lián)向噴灌機供水，同時在噴灌機入機前安裝匯流裝置的方式，以便匯集上游多井來流，起到調(diào)壓穩(wěn)流作用。常見的一種匯流裝置是由不同直徑的鋼管或鋼板卷軋焊接而成。目前匯流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有相關(guān)規(guī)范要求、隨意性較大，對調(diào)壓穩(wěn)流的效果無法預(yù)估。公開發(fā)表文獻中沒有有關(guān)匯流裝置結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)(如匯流罐直徑、入口管相對位置等)對水力性能的影響，如果設(shè)計不合理，將會產(chǎn)生水力損失、增加能耗、工作壓力不達標等問題，最終導(dǎo)致噴灌均勻性降低、影響作物生長等不利結(jié)果。因此，有必要設(shè)計出一種優(yōu)化的多井匯流裝置的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對灌溉工程中多井聯(lián)合供水的實際情況，本發(fā)明提供了一種多井匯流裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括以下步驟，

1)設(shè)計幾種多井匯流裝置結(jié)構(gòu)，對所述幾種結(jié)構(gòu)的匯流效率進行計算和對比，初步確定其中最優(yōu)結(jié)構(gòu)；

2)針對所述確定的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，設(shè)置n個結(jié)構(gòu)參數(shù)變量作為試驗因素，每個試驗因素選取r個不同數(shù)值作為試驗水平，根據(jù)試驗水平數(shù)和試驗因素數(shù)確定正交表L_p-r^m，得到p組試驗方案，其中m≥n；

3)對所述確定的p組試驗方案按組分別進行計算，得出每組各個入口及出口的平均總壓P_ti、P_t0，然后代入伯努利能量方程計算出每組的水力損失；其中，所述伯努利能量方程為，

4)對計算結(jié)果進行分析，選擇出水力損失最小的結(jié)構(gòu)作為多井匯流裝置的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述步驟1)中匯流效率和步驟3)中平均總壓的計算均采用數(shù)值模擬方法。

優(yōu)選地，所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法為兩井匯流裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括以下步驟，

1)設(shè)計幾種可用的兩井匯流裝置結(jié)構(gòu)，對每種兩井匯流裝置結(jié)構(gòu)的匯流效率進行計算和對比，初步確定其中最優(yōu)結(jié)構(gòu)；

2)所述初步確定的最優(yōu)結(jié)構(gòu)一共有5個參數(shù)，分別是入口管徑d₁、出口管徑d₂、匯流罐直徑D、兩入口管中心間距L₁和匯流罐長度L₂，設(shè)置L₁/L₂、d₁和D這3個參數(shù)作為試驗因素，每個試驗因素選取3個不同數(shù)值作為試驗水平，確定正交表L₉-3⁴，得到9組試驗方案；

3)對所述9組試驗方案按組分別進行計算，得出每組進、出口的總壓P_t1、P_t2、P_t0，然后代入伯努利能量方程中計算出每組的水力損失；其中，所述伯努利能量方程為，

4)對計算結(jié)果進行分析，選擇出水力損失最小的結(jié)構(gòu)作為兩井匯流裝置的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述步驟1)中匯流效率的計算采用數(shù)值模擬方法，所述步驟4)中分析采用水力損失正交試驗設(shè)計的直觀分析法。

優(yōu)選地，所述步驟3)中總壓P_t1、P_t2、P_t0的計算包括首先進行三維建模，然后進行網(wǎng)格劃分，再后采用數(shù)值模擬方法計算。

優(yōu)選地，所述三維建模采用DesignModeler軟件，網(wǎng)格劃分采用Meshing軟件，數(shù)值模擬采用FLUENT軟件。

本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法設(shè)計的兩井匯流裝置，所述兩井匯流裝置的入口管徑d₁為80mm-125mm，出口管徑d₂為150mm，匯流罐直徑D為150mm-300mm，匯流罐長度L₂為800mm，兩入口管中心間距L₁與匯流罐長度L₂的比值L₁/L₂為0.2-0.8。

優(yōu)選地，所述兩井匯流裝置的入口管徑d₁為125mm，匯流罐直徑D為300mm，兩入口管中心間距L₁與匯流罐長度L₂的比值L₁/L₂為0.2。

本發(fā)明的有益效果為：首選確定水力性能較好的結(jié)構(gòu)形式，在此基礎(chǔ)上研究主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)化該結(jié)構(gòu)形式，得到較優(yōu)的匯流裝置?？梢杂行Т_定水力性能好的匯流裝置的結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有技術(shù)中匯流裝置的水力損失大、能耗大、工作壓力不達標、噴灌不均勻等問題，為多井匯流裝置研發(fā)提供了技術(shù)指導(dǎo)，確保圓形噴灌機的科學設(shè)計和安全運行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種多井匯流裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的兩井匯流裝置初步確定四種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，分別表示為圖2-a、圖2-b、圖2-c、圖2-d；

圖3為本發(fā)明的兩井匯流裝置最優(yōu)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標記說明如下：

1-第一入水口，2-第二入水口，3-出水口，4-匯流罐。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行更加詳細的描述。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種多井匯流裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，主要包括以下步驟：

1)設(shè)計幾種典型的多井匯流裝置結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬對幾種結(jié)構(gòu)的匯流效率進行計算和對比，初步確定其中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)；

2)針對初步確定的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，設(shè)置n個結(jié)構(gòu)參數(shù)變量作為擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)即試驗因素，每個試驗因素選取r個不同數(shù)值即試驗水平，根據(jù)試驗水平數(shù)和試驗因素數(shù)確定正交表L_p-r^m，得到p組數(shù)值模擬方案，其中m≥n，另外當試驗要求精度較高時，可以選擇較大的正交表；

3)根據(jù)正交表確定的p組試驗方案采用數(shù)值模擬進行計算，得出各個入口及出口的平均總壓P_ti、P_t0，然后代入由匯流的伯努利能量方程推算的公式四計算出水力損失，其中所述公式四的推算過程如下，

式中，q代表流量，下標0、1～i分別代表出口0、入口1～入口i；h_w1-0代表入口1與出口0斷面之間的水力損失；h_wi-0代表入口i與出口0斷面之間的水力損失，

當q₁＝q_i＝q₀/i且z_i＝0時，公式簡化為：

把靜壓和動壓用總壓P_t表示,即

最后把公式化簡為：

4)對計算結(jié)果采用單指標(即水力損失)正交試驗設(shè)計的直觀分析法進行分析，選擇出水力損失最小的結(jié)構(gòu)作為多井匯流裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力損失的影響程度對結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)建議。

如圖2和3所示，下面結(jié)合兩井匯流裝置實施例對本發(fā)明的具體實施方式做進一步說明。

1)如圖2所示，確定四種常見的兩井匯流裝置結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬對每種兩井匯流裝置結(jié)構(gòu)的匯流效率進行計算和對比，初步確定其中最優(yōu)結(jié)構(gòu)，即附圖2-a；

2)如圖3所示，初步確定的最優(yōu)結(jié)構(gòu)一共有5個參數(shù)，分別是入口管徑d₁、出口管徑d₂、匯流罐直徑D、匯流罐長度L₂和兩入口管中心間距L₁，設(shè)置L₁/L₂、d₁和D這3個參數(shù)作為試驗因素，L₁/L₂取值范圍為0.2-0.8，d₁取值范圍為80mm-125mm，D取值范圍為150mm-300mm，優(yōu)選地，每個試驗因素在其中選取3個不同數(shù)值作為試驗水平，確定正交表L₉-3⁴，得到9組數(shù)值模擬方案(見表1)。設(shè)定匯流裝置的出口管徑d₂與圓形噴灌機進水管的連接尺寸相匹配，可取d₂＝150mm，并且將匯流罐長度L₂設(shè)為800mm定值；

表1因素水平表

3)用DesignModeler軟件建立9組數(shù)值模擬方案的三維模型，再用Meshing軟件對9組方案劃分網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格；然后將網(wǎng)格msh.文件導(dǎo)入FLUENT軟件中計算，得出進、出口的總壓P_t1、P_t2、P_t0，然后代入伯努利能量方程公式五中計算出水力損失，計算方案及結(jié)果分析見表2，應(yīng)當意識到，上述采用的各種軟件僅為示例，不應(yīng)當理解為對本發(fā)明的限制；

表2計算方案及結(jié)果分析表

表2中，K_i表示任一列上水平號為i(i＝1、2、3)時，所對應(yīng)的水力損失之和；極差R表示任一列上K_i最大值減去K_i最小值，極差越大，代表該試驗因素的水平對試驗結(jié)果(即水力損失)影響越大。

由表2可知，試驗因素從主到次的順序為：d₁>L₁/L₂>D。對比K₁、K₂、K₃的大小可知：對于試驗因素L₁/L₂來說，數(shù)值越小，水力損失越小，當數(shù)值增到一定時，對水力損失的影響程度變小；對于試驗因素d₁來說，數(shù)值越小，水力損失越大；對于試驗因素D來說，數(shù)值越小，水力損失越小，不過總的來說影響都不明顯。在這9種方案中，最優(yōu)方案是L₁/L₂＝0.2、d₁＝125mm、D＝300mm，水力損失為0.1802m。

可見，影響水力損失大小的主要因素是入口管徑d₁的大小，入口管道的流動引起的沿程損失及流入?yún)R流罐口造成的擴散損失是主要的水力損失來源，設(shè)計時應(yīng)考慮讓流體在管道內(nèi)流速接近經(jīng)濟流速，即在成本控制范圍內(nèi)，盡量增大入口管徑；其次的影響因素是L₁/L₂，應(yīng)盡量減小兩入口管中心間距；D的影響程度最低，工程中可根據(jù)實際流量需要和成本控制兩方面選擇，流量大時可選用大管徑，考慮控制投入成本時可選用小管徑。

本發(fā)明有效獲得了兩井匯流裝置最優(yōu)方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力性能的影響規(guī)律，提供了優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案建議，證明基于正交數(shù)值模擬的方法對該類裝置的設(shè)計是合理且有效的，可以推廣至多井匯流裝置的設(shè)計。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。