滴灌带单翼齿形迷宫流道内部流场的数值模拟与结构优化

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滴灌作为节水的关键技术,是因为它仅仅依靠具有一定工作水头的水流通过滴灌带灌水器内部狭长的流道结构或微孔,实现充分消能,使水流以稳定、均匀的低流量滴入土壤,以满足灌水需求。为了探求“流道”的内部流场,进一步优化“流道”结构形式,为“流道”的推广应用提供理论依据,本文从试验研究、理论分析和数值模拟三个方面研究“流道”内部湍流场分布规律。试验研究包括对已有滴管带在不同进口压力条件下,随机取样(自由出流孔口)进行平均流量分析测定。即通过物理实测自由出流量比对数值相似模拟结果验证所选计算模型的可靠度。数值模拟主要针对单相清水场进行湍流模拟。以物理实测自由出流量为标准,对比标准κ-ε模型和RNGκ-ε模型的模拟流量值,再运用最终确定的计算模型模拟已有“流道”的内部流场,通过计算结果获得相关参数及可视化图,以此奠定“流道”结构优化设计的基础。继续进行数值仿真计算,通过对比优化前后的相关参数及可视化图,验证与预期结果的一致性。得到以下结论:(1)RNGκ-ε模型的模拟结果与实测结果吻合程度良好。(2)通过计算得知:由于原“流道”的结构形式使得主流与流道边壁贴合度差,导致拐角处易形成含涡体及回流的流动死区。在实际灌区的水源即使经过过滤也不可能成为纯净水,因此在这些流动死区速度缓慢,容易聚积沉淀,造成固体颗粒沉积堵塞滴头流道,情况更严重时导致整个滴灌系统失效。(3)按流线形状设计新“流道”形式,能在保证效用及功能不变的前提下,使得整个水流的轨迹更能接近流线型,涡流区、滞流区和低速区等无效区域被有效减少。(4)按流线设计流道,可以使得整个流道“自冲刷”的功能有效地增强,不仅降低了淤堵的可能,而且还提升了“流道”自净能力。(5)优化后“流道”能基本兼顾能耗和水力性能双优的目标,既能有效提高流道的水力性能又可以节约成本。
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