專利名稱：一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
灌水器的堵塞問題一直是阻礙滴灌技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的最大障礙。按堵塞原因分類，有由固體顆粒引起的物理堵塞、由化學(xué)反應(yīng)生成的難溶性鹽所引起的化學(xué)堵塞以及由微生物活動(dòng)和生長引起的生物堵塞。針對各種堵塞問題，國內(nèi)外眾多專家長期以來進(jìn)行了大量科學(xué)研究，以揭示灌水器的堵塞機(jī)理，尋找有效的堵塞控制與防治方法?，F(xiàn)有的堵塞解決途徑主要是加強(qiáng)水質(zhì)凈化和過濾，或者是通入一些具有特殊作用(如酸化、氧化等)的試劑(如鹽酸、氯等)來恢復(fù)滴灌系統(tǒng)中已被堵塞或部分堵塞的灌水器。這些方法對于解決灌水器的堵塞問題具有積極作用。但是，灌水器堵塞的直接原因應(yīng)該是各種形式堵塞介質(zhì)在灌水器微小彎曲流道中的運(yùn)移規(guī)律和沉積特性，所以這些方法并不能從根本上消除灌水器的堵塞問題。
為了防止灌水器的堵塞，除了對水質(zhì)進(jìn)行處理外，改善灌水器的流道結(jié)構(gòu)，以提高灌水器自身的抗堵塞能力也是行之有效的途徑之一。然而，灌水器流道尺寸微小、形狀復(fù)雜，采用現(xiàn)有的試驗(yàn)手段很難觀測其流場的微觀水力結(jié)構(gòu)。于是，一些學(xué)者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational FluidDynamics，CFD)的方法來可視化灌水器的微小內(nèi)流場，借助模擬得到的流場結(jié)果來分析灌水器的抗堵塞能力等水力性能。現(xiàn)有的CFD方法主要實(shí)現(xiàn)水流動(dòng)的單相模擬，以水流場的壓力、速度矢量分布結(jié)果來間接地分析固相堵塞介質(zhì)發(fā)生沉積的可能性，以及在流道中所處的位置。這種方法忽略了堵塞介質(zhì)的存在，因此模擬得到的流場特性存在誤差，另外人為的間接分析也可能導(dǎo)致進(jìn)一步的偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于兩相流的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，該方法所設(shè)計(jì)的滴灌灌水器能夠使進(jìn)入灌水器中的雜質(zhì)不會(huì)沉積下來造成流道的堵塞。
本發(fā)明所提供的一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，其步驟為(1)、采用三維造型軟件構(gòu)建灌水器迷宮型流道兩相流分析模型；(2)、進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定根據(jù)流道尺寸大小和截面形狀變化情況，采用有限元前處理軟件從表面網(wǎng)格產(chǎn)生三維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格并加密近壁面網(wǎng)格；進(jìn)口和出口處以壓力為邊界條件，入口條件設(shè)為入口壓力，出口條件設(shè)為出口壓力，其余位置以速度為邊界條件，設(shè)速度初量為0；(3)、應(yīng)用有限元分析軟件中的基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用求解器，基于歐拉—拉格朗日兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出灌水器內(nèi)流場的速度、粒子密度分布圖，找出拐角處和匯聚處；(4)、進(jìn)行迷宮型流道防堵結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化，將上述拐角處采用圓弧來代替直角過渡，對于匯聚處，改變水流擋塊的形狀，將低速區(qū)變?yōu)閾鯄K的一部分；(5)、采用快速原形/快速制模復(fù)合法制作灌水器試驗(yàn)樣件；(6)在實(shí)驗(yàn)室中測量灌水器標(biāo)準(zhǔn)件的流量——壓力曲線圖和灌水器出水均勻度Cv，根據(jù)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對灌水器流道尺寸進(jìn)行修改。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法適用于各種類型的滴灌灌水器進(jìn)行抗堵塞流道設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的流道抗堵塞性能都有大幅提升。在偏離速度主流區(qū)的拐角處的速度逆流區(qū)即流動(dòng)滯止區(qū)和流道中低速區(qū)都能被夠清晰顯示出，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將其消除；通過1～2次的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，就能使流體中的固相物不會(huì)出現(xiàn)明顯的滯留或在低速區(qū)出現(xiàn)局部密度集中，所以該流道中不存在固相物沉積區(qū)，即流道的抗堵塞能力得到了提高，流道長時(shí)間使用也不會(huì)發(fā)生阻塞。本發(fā)明采用快速原形、快速制模復(fù)合法制作灌水器試驗(yàn)樣件，大大縮短了大幅度降低試制成本，并且保持了試樣成形材料與最終產(chǎn)品材料的一致，提高了定型精度。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖2是本發(fā)明菱形迷宮流道的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明菱形迷宮流道幾何模型圖；圖4是本發(fā)明流道速度矢量分布圖；圖5是本發(fā)明流道中固相物密度分布圖；圖6是本發(fā)明流道局部速度矢量圖；圖7是本發(fā)明流道中固相物密度分布局部放大圖；圖8是本發(fā)明優(yōu)化后的菱形迷宮型流道結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明優(yōu)化后的迷宮流道內(nèi)速度矢量圖；圖10是本發(fā)明優(yōu)化后的迷宮流道內(nèi)固相物密度分布圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
本發(fā)明方法的步驟如圖1所示，下面以滴灌灌水器菱形迷宮流道為例，具體說明其流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟1、構(gòu)建灌水器迷宮型流道兩相流分析模型如圖2所示，用三維造型軟件(如UG或PROE等軟件)實(shí)現(xiàn)流道的幾何建模，根據(jù)圖2所示的流道尺寸參數(shù)構(gòu)建的迷宮流道三維模型如圖3所示。
2、進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定由于流道無翹起弧度，但尺寸較小，且有大量拐角，本發(fā)明根據(jù)流道尺寸大小和截面形狀變化情況，采用有限元前處理軟件(如Tgrid或GAMBIT等軟件)從表面網(wǎng)格產(chǎn)生三維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格并加密近壁面網(wǎng)格。
邊界條件設(shè)定進(jìn)口和出口處以壓力為邊界條件，入口條件設(shè)為入口壓力，即常用灌溉水壓0～10kPa+大氣壓(101325Pa)，表壓為0～10kPa。出口條件設(shè)為出口壓力，即一個(gè)大氣壓101325Pa，表壓為0Pa。其余位置以速度為邊界條件，設(shè)速度初量為0。
3、進(jìn)行迷宮型流道流體的流動(dòng)模擬流道中的流體性質(zhì)為固、液兩相流，其中的固相為固體顆粒，微生物等，其直徑范圍為0.001mm～1mm，濃度范圍為200ppm～10000ppm。固相的體積比率低，固相間的相互作用可以忽略。
在軟件FLUENT中，有兩種數(shù)值計(jì)算的方法處理多相流歐拉—拉格朗日方法和歐拉—?dú)W拉方法。其中歐拉—拉格朗日模型的一個(gè)基本假設(shè)是，作為離散的第二相的體積比率應(yīng)很低，符合灌水器中流體的情況，因此選用該模型。
應(yīng)用有限元分析軟件(如ANSYS、FLUENT等)中的基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用求解器，基于兩相流分析理論進(jìn)行模擬計(jì)算，得出灌水器內(nèi)流場的速度、粒子密度分布圖，通過速度和粒子濃度分布局部放大圖，可以得出在拐角處，固相速度一般很低甚至停止、而該區(qū)域又是固相聚集區(qū)，因此固相很容易沉積，稱此區(qū)域?yàn)楣战翘?見圖中A區(qū))；灌水器中有水流擋塊，在水流流過擋塊后，流速小，容易造成微生物的繁殖，造成生物阻塞，稱此區(qū)域?yàn)閰R聚處(見圖中B區(qū))；此外，通過模擬分析得出有一種特殊區(qū)域存在粒子濃度相對很大，但此處的水流流速也相對較大，粒子在此區(qū)域不容易沉積下來，不會(huì)造成固體立體的堵塞，稱此區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)(見圖中C區(qū))；并且在流道后半部分，由于壓力的明顯降低，更易發(fā)生阻塞。
在有限元軟件平臺(tái)上完成片式繞流灌水器的速度、粒子密度分布的模擬分別如圖4、圖5所示，圖6、圖7為速度和粒子濃度分布局部放大圖，在圖6、圖7中可清楚看到拐角處(見圖中A區(qū))，固相速度很低甚至停止、而該區(qū)域又是固相聚集區(qū)，因此固相很容易沉積。菱形擋塊后的區(qū)域，稱之為匯聚處(見圖中B區(qū))流速小，容易造成微生物的繁殖，造成生物阻塞。
4、迷宮型流道防堵結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化因?yàn)楣嗨髁鞯缹挾仍?.5mm～1mm之間，少量雜質(zhì)的沉積便很容易造成堵塞，使整個(gè)灌溉系統(tǒng)受到影響。由圖中粒子沉積區(qū)可以看出流道中拐角處A固相的沉積會(huì)直接縮小流道直徑，匯聚處B微生物與固相雜質(zhì)易于聚集成團(tuán)，吸附在擋塊后壁，由于該處的相對尺寸較大，即使成團(tuán)粒子脫落掉，也會(huì)阻塞后面的流道，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)盡量避免。
從以上分析可以看出，對于灌水器流道的結(jié)構(gòu)存在易阻塞區(qū)，根據(jù)灌水器抗堵塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，參照流道內(nèi)兩相流數(shù)值模擬結(jié)果，針對存在的粒子易沉積處的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，去除流道中的易阻塞區(qū)，改善顆粒在流道中的流動(dòng)特性。具體實(shí)施方法為對于拐角處A，采用圓弧來代替直角過渡，這樣就避免了顆粒在拐角處的由于速度太低，在重力的作用下沉積下來，并且去除了水流逆流區(qū)即流動(dòng)滯止區(qū)；對于匯聚處B，水流擋塊的降速作用，產(chǎn)生局部損失，但是在擋塊后就存在了低速區(qū)，為了使得浮游的微生物在匯聚處B不能沉積，改變水流擋塊的形狀，即將低速區(qū)變?yōu)閾鯄K的一部分。對于拐角處A與匯聚處B之間的中間區(qū)C，雖然固相濃度高，相對集中，但是由于水流速度較高，不會(huì)發(fā)生沉積，該區(qū)域不再需要優(yōu)化。通過上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，整個(gè)流道不存在雜質(zhì)易沉積區(qū)，大大提高了灌水器的抗阻塞性能。
通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的流道結(jié)構(gòu)如圖8所示，優(yōu)化的菱形迷宮型流道內(nèi)流體的兩相流模擬結(jié)果的速度矢量圖如圖9所示，固相物密度分布圖如圖10所示，其整體流動(dòng)特性有很大的改善，在拐角處的速度逆流區(qū)即流動(dòng)滯止區(qū)己沒有了，菱形擋塊后的低速區(qū)也被消除，見圖10的A區(qū)、B區(qū)，固相集中區(qū)域C區(qū)速度較高，也不會(huì)沉積，所以整個(gè)流道不存在雜質(zhì)易沉積區(qū)。因而經(jīng)過優(yōu)化的菱形迷宮型流道的灌水器的抗阻塞性能有了較大的提高。
5、采用RP/RT(Rapid Prototyping/Rapid Tooling，快速原形/快速制模)復(fù)合法制作灌水器試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)定型后，在計(jì)算機(jī)上利用三維造型軟件平臺(tái)，得出設(shè)計(jì)好的灌水器三維模型的STL文件，在快速成形設(shè)備上，利用該STL文件直接制作出單件灌水器原形，接著采用快速制模技術(shù)翻制硅膠模，最后在真空注塑機(jī)中完成少批量的灌水器試驗(yàn)樣件的制作。在實(shí)驗(yàn)室中測量該灌水器的流量——壓力曲線圖和灌水器出水均勻度Cv。在該過程中得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接對灌水器的關(guān)鍵尺寸(流道的長、寬、高)進(jìn)行修改，得到了符合要求流量、工作壓力和水利性能要求的灌水器，而不需加工實(shí)驗(yàn)性鋼模制作出少批零件，就能夠?qū)崿F(xiàn)灌水器的快速定型，大大降低了成本、縮短了開發(fā)時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，其步驟為(1)、采用三維造型軟件構(gòu)建灌水器迷宮型流道兩相流分析模型；(2)、進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定根據(jù)流道尺寸大小和截面形狀變化情況，采用有限元前處理軟件從表面網(wǎng)格產(chǎn)生三維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格并加密近壁面網(wǎng)格；進(jìn)口和出口處以壓力為邊界條件，入口條件設(shè)為入口壓力，出口條件設(shè)為出口壓力，其余位置以速度為邊界條件，設(shè)速度初量為0；(3)、應(yīng)用有限元分析軟件中的基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用求解器，基于歐拉-拉格朗日兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出灌水器內(nèi)流場的速度、粒子密度分布圖，找出拐角處和匯聚處；(4)、進(jìn)行迷宮型流道防堵結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化，將上述拐角處采用圓弧來代替直角過渡，對于匯聚處，改變水流擋塊的形狀，將低速區(qū)變?yōu)閾鯄K的一部分；(5)、采用快速原形/快速制模復(fù)合法制作灌水器試驗(yàn)樣件；(6)在實(shí)驗(yàn)室中測量灌水器標(biāo)準(zhǔn)件的流量——壓力曲線圖和灌水器出水均勻度Cv，根據(jù)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對灌水器流道尺寸進(jìn)行修改。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計(jì)方法，該方法通過灌水器內(nèi)流場兩相流數(shù)值模擬，依據(jù)模擬結(jié)果分析流道中固相物容易沉積的區(qū)域，進(jìn)而分析流道結(jié)構(gòu)對固相物運(yùn)移及沉積特性的影響。在此基礎(chǔ)上，對流道結(jié)構(gòu)的若干參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，并重?fù)兩相流模擬，直至整個(gè)流道中固相物不出現(xiàn)明顯的滯留，或者局部的密度集中為止。兩相流模擬為滴灌灌水器抗堵流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可視化的堵塞驗(yàn)證環(huán)節(jié)，為灌水器抗堵塞能力的預(yù)測及優(yōu)化提供了科學(xué)、可行的方法；得到了優(yōu)良水力性能的灌水器結(jié)構(gòu)后，采用RP/RT復(fù)合法制作出灌水器試驗(yàn)樣件，大大縮短了大幅度降低試制成本，并且保持了試樣成形材料與最終產(chǎn)品材料的一致，提高了定型精度。
文檔編號(hào)A01G25/02GK1817093SQ20061001849
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者史玉升, 魏青松, 董文楚, 黃樹槐, 蘆剛, 聶磊, 孫宏 申請人:華中科技大學(xué)