卷盘式喷灌机水涡轮水力性能试验与数值模拟

摘要

我国是农业大国，人口多、耕地少、水资源紧缺，只有有效发展节水灌溉，不断提高水资源利用率，才能实现水资源的永续利用。喷灌技术是一种先进的灌水技术可节水40％-50％，卷盘式喷灌机结构紧凑、移动方便、自动化程度高、灌溉效果好，是目前最好的灌溉装备之一，比较适应我国农村的发展需要，是目前我国喷灌行业的主要机型。
　　水涡轮驱动装置是卷盘式喷灌机的核心工作部件，虽国内有大量的生产和使用，但尚未掌握其核心技术，因此有必要对其进行深入的研究。本文是在国家863计划项目“精确喷灌技术与产品(2011AA100506)”的资助下，通过理论分析、试验研究和数值计算相结合的方法对水涡轮的水力性能等方面进行研究。本文的主要工作及创新性点有:
　　1.研制出了水涡轮试验台，分别对目前国内大量使用的两种型号水涡轮进行了水力性能的试验研究，通过对试验结果分析认为研制出的试验台能够有效地对水涡轮的水力性能进行测量。试验结果表明水涡轮的工作效率低、能耗高，最高效率低于20％。
　　2.在没有水涡轮设计参数的情况下，借鉴水泵、水轮机等旋转水力机械的数值模拟方法，对水涡轮数值计算中三维模型的建立、网格划分和湍流模型的选取等关键问题进行了研究，提出了适合于水涡轮的数值模拟方法。数值计算与试验结果表明:采用全流场、结构化网格、标准k-ε湍流模型能够有效地预测水涡轮的水力性能。
　　3.JP75卷盘式喷灌机目前在国内市场上的需求量较大，因此本文针对该型号水涡轮进行深入研究。对数值计算得到的水涡轮内部压力、速度的分布进行分析认为，JP75水涡轮进出口、叶轮等主要过流部件设计不合理造成内部流动不畅、压力分布不均，是水涡轮工作效率低的主要原因。
　　4.对JP75卷盘式喷灌机水涡轮叶轮作了详细的流体力学分析，依据理论分析结合数值计算和试验结果，提出了水涡轮叶片、进出口的优化设计方案，并对优化后的水涡轮进行了数值模拟，结果表明优化后的水涡轮水力性能明显提高，最高效率达到35.14％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外卷盘式喷灌机的研究现状

1．2．1 国外卷盘式喷灌机的发展

1．2．2 国内卷盘式喷灌机的发展

1．3 本文的主要内容

第二章 卷盘式喷灌机水涡轮水力性能的试验

2．1 卷盘式喷灌机水涡轮初步研究

2．2 水涡轮水力性能试验台搭建

2．2．1 水泵、水轮机的水力性能试验研究

2．2．2 水涡轮水力性能试验系统的设计

2．2．3 水涡轮水力性能试验设备的选取

2．3 水涡轮水力性能试验

2．3．1 性能试验测量原理

2．3．2 性能试验误差分析与计算

2．3．3 水力性能试验结果分析

2．4 本章小结

第三章 卷盘式喷灌机水涡轮的数值模拟

3．1 水涡轮内部三维流动数值求解理论

3．1．1 流动控制方程

3．1．2 湍流模型

3．2 水涡轮内部流动的数值计算方法

3．2．1 控制方程的离散

3．2．2 离散方程的求解

3．3 水涡轮几何模型的建立与网格生成

3．3．1 几何模型

3．3．2 网格生成

3．4 水涡轮的数值模拟

3．5 数值计算结果分析

3．5．1 湍流模型的选择

3．5．2 数值计算结果与试验结果对比

3．6 本章小结

第四章 JP75卷盘式喷灌机水涡轮内部流场分析与优化设计

4．1 JP75水涡轮内部流场分析

4．1．1 压力场分布

4．1．2 速度场分布

4．1．3 原JP75水涡轮效率低的主要原因

4．2 原水涡轮的流体力学分析

4．3 水涡轮优化设计

4．3．1 叶轮优化

4．3．2 进出口优化

4．4 JP75水涡轮优化结果分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 今后发展展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的论文