專利名稱：：一種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到一種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，屬節(jié)水灌溉、生態(tài)建設(shè)及農(nóng)業(yè)裝備制造
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：堵塞一直是困擾滴灌技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題。因堵塞導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)壽命下降，使用成本提高，灌溉質(zhì)量下降。造成堵塞的原因除水質(zhì)外，主要是由于不合理的流道結(jié)構(gòu)形式。為此，研究滴灌灌水器的抗堵塞設(shè)計對于提高系統(tǒng)壽命、節(jié)約成本、提高灌溉質(zhì)量具重要意義。為解決上述問題，前人也提出了許多流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，例如，應(yīng)用流道內(nèi)主航道思想，降低流道內(nèi)O流速區(qū)域的方法，降低流道內(nèi)旋渦區(qū)域辦法等。上述這些方法為解決灌水器的堵塞問題提供了非常有益的探索，但均很難從根本上消除堵塞問題，而且上述優(yōu)化設(shè)計方法的實際操作難度較高，有些在提高抗堵塞能力的同時，犧牲了灌水器的水力性能。另外，發(fā)明專利"一種基于兩相流模擬的滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計方法"(ZL200610018493.7)提供了一種基于兩相流模擬的抗堵塞設(shè)計方法，該方法的特征是以流道內(nèi)不出現(xiàn)固體顆粒堆積為判斷標準，主要針對菱形繞流迷宮流道結(jié)構(gòu)形式；該發(fā)明專利提供的方法雖然對抗堵塞設(shè)計提供了參考，但判斷方法不具體，適應(yīng)的范圍較小。另外，該發(fā)明專利在設(shè)計過程中，主要依靠數(shù)值模擬方法，缺乏可驗證的可視化觀測與分析手段，難以保證結(jié)果的準確性。
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，提供一種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，可用于設(shè)計各種抗堵塞流道結(jié)構(gòu)形式，以不犧牲灌水器水力性能為前提，提高灌水器抗堵塞能力。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—種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于包括下列步驟第一步，根據(jù)設(shè)計要求，確定初步堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，流道結(jié)構(gòu)選擇梯形、矩形或者弧齒型迷宮結(jié)構(gòu)，流道寬度在0.6mm1.2mm之間，流道深度為0.6mm1.0mm，并按照CFD數(shù)值模擬軟件要求，選擇如下數(shù)學(xué)模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>模型上方，高速攝像機位于試件模型下方，同時高速攝像機與電腦相連；第六步，按照國際抗堵塞試驗標準，進行渾水試驗驗證，并根據(jù)試驗結(jié)果定型產(chǎn)品，獲得標準化的抗堵塞滴灌灌水器的流道結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于計算液體動力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,以下簡稱CFD)、粒子速度成像儀(ParticleImageVelocimetry，以下簡稱PIV)與激光快速制造(LaserRipadPrototyping,以下簡稱LRP)等技術(shù)，構(gòu)建灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)抗堵塞設(shè)計平臺技術(shù)與方法，通過CFD模擬、LRP試驗樣品快速制造、PIV可視化測試相結(jié)合的方法進行流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，然后再進行樣品加工，按照相關(guān)國際標準進行渾水抗堵塞試驗，最后實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定型與開模生產(chǎn)。該方法設(shè)計的灌水器流道結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)在不降低水力性能的基礎(chǔ)上，提高其抗堵塞能力。利用此方法對滴灌灌水器梯型流道結(jié)構(gòu)進行二次優(yōu)化，并對優(yōu)化參數(shù)實施標準化后，灌水器正常灌水天數(shù)從未優(yōu)化前的6天增加到11天，且最大含沙量從60%以上下降到5%左右；明顯提高到灌水器的抗堵塞性能。圖1為粒子速度成像儀可視化試驗平臺試驗裝置。圖2為滴灌灌水器抗堵塞設(shè)計流程圖；圖3是梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)；圖4是固體顆粒分布等值線圖；圖5流道固體顆粒運動PIV觀測結(jié)果；圖6是按照圖4等值線0.04修正后的流道結(jié)構(gòu)形式圖7是修正后的固體顆粒分布等值線圖；圖8是優(yōu)化前和優(yōu)化后抗堵塞性能測試對比圖；其中圖1中的數(shù)字分別表示儲水容器(l)，潛水泵(2)，閥門(3)，壓力表(4)，光源(5)，試件模型(6)，量杯(7)，高速攝像機(8)和電腦(9)。以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。具體實施例方式按照本發(fā)明的技術(shù)方案，一種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，具體包括下列步驟第一步，根據(jù)設(shè)計要求，確定初步的流道結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，流道結(jié)構(gòu)選擇梯形、矩形或者弧齒型迷宮結(jié)構(gòu)，流道寬度在O.6mm1.2mm之間，流道深度為0.6mm1.0mm，并按照CFD數(shù)值模擬軟件要求，選擇如下數(shù)學(xué)模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，P為產(chǎn)生項；小ij為應(yīng)力應(yīng)變項；Q，C2為系數(shù)，且Q=1.8，C2=0.6繪制相應(yīng)的物理模型，并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量不小于5000個。在CFD軟件中進行單相流數(shù)值模擬，確定該結(jié)構(gòu)參數(shù)流道的水力性能，如果水力性能能夠滿足設(shè)計要求，即利用數(shù)值計算獲得流量與壓力，按照q=khx回歸，得到的流態(tài)指數(shù)約為0.50.65時，則進入下一步設(shè)計；第二步，進行CFD固體、液體兩相流數(shù)值模擬試驗，模擬時選擇的顆粒隨機軌道模型為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，Us、、、Ws為三個方向顆粒速度的分量，m/s;Ps為顆粒密度，kg/m—3;P工為液體密度，kg/m—3;u、v、w分別為三個方向的液體平均流速的分量，m/s、V'、w'分別為三個方向的液體湍流脈動速度的分量，m/S;t為時間，S;然后通過數(shù)值計算確定流道內(nèi)固體顆粒的分布規(guī)律，并繪制固體顆粒分布的等值第三，選擇4%的固體顆粒含量等值線修正流道邊界，重新確定流道結(jié)構(gòu)參數(shù)；第四，對重新確定的流道結(jié)構(gòu)，再次按照第二步、第三步進行CFD數(shù)值模擬，直到達到設(shè)計要求為止；第五，對二次優(yōu)化設(shè)計的灌水器流道應(yīng)用LRP技術(shù)加工成高透明的測試模型，構(gòu)建PIV可視化試驗裝置(圖1)，并利用PIV分析固體顆粒及流體的實際運行情況，如果實際效果與第三步的基本相同，則進行下一步，否則修正結(jié)構(gòu)參數(shù)再從第二步開始；所述的粒子速度成像儀可視化試驗平臺至少包括儲水容器l，潛水泵2，壓力表4，光源5，試件模型6，高速攝像機8和電腦9，其中儲水容器1體積為30L50L;潛水泵2揚程為0.5m12m，流量為1L/h6L/h;壓力表4誤差為2cm水柱；光源5為1500w的新聞燈；試件模型6的材質(zhì)透光度大于92%;高速攝像機8的拍攝速度大于1000幀/秒；所述的儲水容器l，潛水泵2，閥門3，壓力表4，試件模型6和量杯7依次相連，光源5位于試件模型6上方，高速攝像機8位于試件模型6下方，同時高速攝像機8與電腦9相連；第六步，制造模具，加工產(chǎn)品，按照國際抗堵塞試驗標準，進行渾水試驗驗證，并根據(jù)試驗結(jié)果定型產(chǎn)品。設(shè)計實施例遵循本發(fā)明的上述技術(shù)步驟，申請人設(shè)計了一種梯形迷宮抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)，其具體的模擬實驗效果如下。圖3是某梯形迷宮流道結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照上述方法繪制CFD數(shù)值模擬模型，然后進行固體、液體兩相流數(shù)值模擬試驗，獲得如圖4的固體顆粒分布等值線圖，并制作相應(yīng)的可視化物理模型進行PIV觀測實驗(圖5)，結(jié)合PIV觀測選取圖4中較小等值線(0.04的等值線)進行邊界修正，對修正后的模型進行數(shù)值模型設(shè)計(圖6)、固體、液體兩相流數(shù)值模擬試驗獲得了新的固體顆粒等值線分布圖(圖7)，制作物理模型進行PIV觀測驗證后，開發(fā)模具生產(chǎn)樣品進行渾水抗堵塞試驗，結(jié)果見圖8。流道最大含沙量從原型(圖4)的60%以上下降到5%左右(圖7)，該流道的設(shè)計流量為2.21/h，當流量降低到1.651/h以下時，即認為發(fā)生堵塞，試驗結(jié)果表明，原形的持續(xù)灌溉時間為5-6天，而優(yōu)化后持續(xù)灌溉天數(shù)為11-13天，持續(xù)灌溉時間成倍增加，其抗堵塞性能得到顯著改善。權(quán)利要求一種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于包括下列步驟第一步，根據(jù)設(shè)計要求，確定初步堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，流道結(jié)構(gòu)選擇梯形、矩形或者弧齒型迷宮結(jié)構(gòu)，流道寬度在0.6mm～1.2mm之間，流道深度為0.6mm～1.0mm，并按照CFD數(shù)值模擬軟件要求，選擇如下數(shù)學(xué)模型<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><mo>∂</mo><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ρu</mi><mi>k</mi></msub><mo>∂</mo><mover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>u</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mo>‾</mo></mover><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>ij</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mi>ij</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mo>∂</mo><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>μ</mi><mi>t</mi></msub><msub><mi>σ</mi><mi>k</mi></msub></mfrac><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover></mrow><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mi>μ</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover></mrow><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><msub><mi>ρϵδ</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>P</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>k</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover><mfrac><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>u</mi></mrow><mi>j</mi></msub><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>k</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover><mfrac><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>u</mi></mrow><mi>i</mi></msub><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>ij</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>ρ</mi><mfrac><mi>ϵ</mi><mi>k</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>k</mi><msub><mi>δ</mi><mi>ij</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>ij</mi><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>ij</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><msub><mi>P</mi><mi>k</mi></msub><msub><mi>δ</mi><mi>ij</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>其中，P為產(chǎn)生項；φij為應(yīng)力應(yīng)變項；C1，C2為系數(shù)，且C1＝1.8，C2＝0.6繪制相應(yīng)的物理模型，并劃分網(wǎng)格，并且網(wǎng)格數(shù)量不小于5000個；然后在CFD軟件中進行單相流數(shù)值模擬，確定初步抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)流道的水力性能，如果水力性能能夠滿足設(shè)計要求，即利用數(shù)值計算獲得流量與壓力，按照q＝khx回歸，得到的流態(tài)指數(shù)約為0.5～0.65時，則進入下一步設(shè)計；第二步，進行CFD固體、液體兩相流數(shù)值模擬試驗，模擬時選擇的顆粒隨機軌道模型為<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>du</mi><mi>s</mi></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>τ</mi><mi>s</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><mover><mi>u</mi><mo>‾</mo></mover><mo>+</mo><msup><mi>u</mi><mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub><mi>u</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>dv</mi><mi>s</mi></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>τ</mi><mi>s</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><mover><mi>v</mi><mo>‾</mo></mover><mo>+</mo><msup><mi>v</mi><mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub><mi>v</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>dw</mi><mi>s</mi></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>τ</mi><mi>s</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><mover><mi>w</mi><mo>‾</mo></mover><mo>+</mo><msup><mi>w</mi><mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub><mi>w</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo><mo>+</mo><mi>g</mi><mo>-</mo></mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>l</mi></msub><mi>g</mi></mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced>其中，us、vs、ws為三個方向顆粒速度的分量，m/s；ρs為顆粒密度，kg/m-3；ρl為液體密度，kg/m-3；u、v、w分別為三個方向的液體平均流速的分量，m/s；u′、v′、w′分別為三個方向的液體湍流脈動速度的分量，m/s；t為時間s；然后通過數(shù)值計算確定流道內(nèi)固體顆粒的分布規(guī)律，并繪制固體顆粒分布的等值線圖；第三步，以4％固體顆粒含量等值線修正流道邊界，從而重新確定流道結(jié)構(gòu)參數(shù)；第四步，對重新確定的流道結(jié)構(gòu)，再次按照第二步、第三步進行CFD數(shù)值模擬，直到達到設(shè)計要求為止；第五步，對二次優(yōu)化設(shè)計的灌水器流道應(yīng)用激光快速制造技術(shù)加工成高透明測試模型，構(gòu)建粒子速度成像儀可視化試驗裝置，并利用粒子速度成像儀可視化試驗平臺分析固體顆粒及流體的實際運行情況，如果實際運行情況與第三步的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同，則進行下一步，否則修正結(jié)構(gòu)參數(shù)再從第二步開始；所述的粒子速度成像儀可視化試驗平臺至少包括儲水容器(1)，潛水泵(2)，壓力表(4)，光源(5)，試件模型(6)，高速攝像機(8)和電腦(9)，所述的儲水容器(1)體積為30L～50L；潛水泵(2)的揚程為0.5m～12m，流量為1L/h～6L/h；壓力表(4)誤差為2cm水柱；光源(5)為1500w的新聞燈；試件模型(6)的材質(zhì)透光度大于92％；高速攝像機(8)的拍攝速度大于1000幀/秒；所述的儲水容器(1)，潛水泵(2)，閥門(3)，壓力表(4)，試件模型(6)和量杯(7)依次相連，光源(5)位于試件模型(6)上方，高速攝像機(8)位于試件模型(6)下方，同時高速攝像機(8)與電腦(9)相連；第六步，按照國際抗堵塞試驗標準，進行渾水試驗驗證，并根據(jù)試驗結(jié)果定型產(chǎn)品，獲得標準化的抗堵塞滴灌灌水器的流道結(jié)構(gòu)。全文摘要本發(fā)明公開了一種抗堵塞滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，該方法基于計算液體動力學(xué)CFD與粒子速度成像儀PIV，通過CFD模擬、LRP試驗樣品快速制造、PIV可視化測試相結(jié)合的方法進行流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，然后再進行樣品加工，按照相關(guān)國際標準進行渾水抗堵塞試驗，最后實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定型與開模生產(chǎn)?？擅黠@提高灌水器抗堵塞性能。利用此方法對滴灌灌水器梯型流道結(jié)構(gòu)進行二次優(yōu)化，并對優(yōu)化參數(shù)實施標準化后，灌水器正常灌水天數(shù)從未優(yōu)化前的6天增加到11天，且最大含沙量從60％以上下降到5％左右；明顯提高了灌水器的抗堵塞性能。文檔編號A01G25/02GK101694679SQ200910218420公開日2010年4月14日申請日期2009年10月21日優(yōu)先權(quán)日2009年10月21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(xué);