迷宫灌水器水流流态试验及压力场数值模拟

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水是人类社会生存与发展最宝贵的自然资源之一,同时也是战略性的经济资源,是国家综合国力的重要组成部分。随着经济的发展和人口的激增,水资源短缺已成为世界许多国家和地区共同面临的世界性问题。水资源短缺成为当今世界经济和社会发展的重要制约因素,因此,节水技术日趋紧迫。我国是农业大国,农业用水占国民总用水量的73%,农业用供水之间存在严重的矛盾,成为制约我国农业发展的瓶颈问题,因此发展节水灌溉技术势在必行。在众多节水灌溉技术中,滴灌技术是最先进、最行之有效的,但由于滴灌灌水器结构精细复杂、流道尺寸小,所以其流道内部压力场的微观化分析较少。本文通过实验得出迷宫流道内水流流态为紊流或过渡区;同时利用流体力学软件(CFD)进行数值模拟研究其内部压力场的分布情况,为解决迷宫流道内部的抗堵塞问题提供一些参考依据。本文结合山西省自然科学基金项目《滴灌迷宫灌水器中水沙两相流研究》(2008011054),在对滴灌灌水器研究成果进行较详细综述的基础上,通过试验手段与数值模拟对其水流流态及压力场进行了研究。通过对试验成果与数值模拟结果进行分析,可得出以下结论:(1)迷宫灌水器流道内存在“低速区”和漩涡区,其中“低速区的存在会使泥沙颗粒在此处发生沉积;(2)迷宫灌水器中不断转折的流道对其内部水流干扰很大,可以使其中水流在较小雷诺数时就失去稳定转变为紊流;从整体来看,可认为迷宫灌水器中水流流态为紊流或过渡区;由此可知,本文对压力场的数值模拟均是在紊流中进行的。(3)与经典雷诺试验不同,迷宫流道中水流的水头损失与断面平均流速的2.0-2.5次方成比例;迷宫灌水器的流态指数可达到0.5以下;(4)在本试验情况下,迷宫流道中水流过渡区与紊流区相互转换的临界雷诺数为87.5-125.0。(5)由压力场的数值模拟结果可知,在相同的流量下,迷宫流道中心线上的压力随着过流面积的减小,压力变化范围越来越大,压力值也随之增大,能量损失越来越小;(6)由压力场的数值模拟结果可知,在同一过流断面下,迷宫流道中心线上的压力随着流量的增大,压力变化范围越来越大,且压力值也越来越大,压力最大点及其两端的压力较高点之间的差值越来越大;在漩涡处存在着压力突变点,该点压力急剧降低;(7)在迷宫流道内产生漩涡处沿Y轴方向中心线上,在迷宫“几”字形外侧壁面处与漩涡处中心线沿Y轴方向上最大流速点之间,流速与压力之间存在负相关关系;在迷宫流道内产生漩涡处沿Y轴方向中心线上,在迷宫“几”字形内侧壁面与漩涡处中心线沿Y轴方向上最大流速点之间,流速与压力之间存在正相关关系。
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