卷盘喷灌机螺旋输水盘管二次流特性与流动阻力数值模拟

摘要

本文在江苏省农业科技支撑计划项目“低能耗自动卷盘式智能农业灌溉装备研究与开发”(BE2012385)的资助下开展工作。
　　 我国农业喷灌装备主要以大型圆形喷灌机和中型卷盘式喷灌机为主流设备，轻小型喷灌机为补充设备。卷盘式喷灌机自动化程度高，单位面积的设备投资低，不仅适合灌溉小麦、玉米、大豆、蔬菜等大田作物，也能适应小地块作业，是最好的灌溉装备之一。但由于螺旋输水盘管流动阻力损失和驱动卷盘转动的能量转换损失较大，使卷盘喷灌机的能耗比其他喷灌装备大，其中，螺旋输水盘管的损失占整机能耗的20％左右。而由于卷盘喷灌机螺旋输水盘管弯曲半径大，湍流程度高和内部流动复杂等原因，其摩擦系数的计算及二次流特性等问题，长期以来一直未能解决。针对这种现状，本文采用CFD数值模拟的方法，开展多方案模拟分析，研究了卷盘喷灌机螺旋盘管内部流动特性，建立了摩擦系数计算公式，解决了长期以来卷盘喷灌机螺旋盘管流动阻力计算难的问题。主要创新研究有:
　　 1.发现了卷盘喷灌机螺旋盘管内二次涡新的变化特征。通过对34种参数的螺旋盘管在5种流量共计170个方案和1530个不同截面位置的二次流现象的CFD数值模拟，发现所研究的螺旋盘管从较低雷诺数(Re＜861)的层流向湍流过渡过程中，二次涡位置随雷诺数（流量）的增加，从接近上下对称向45°对称变化，但当卷盘直径减小时，向45°对称转变的流量会减小，而卷盘直径增加时，向45°对称转变的流量也增加。在雷诺数较小的层流状态，流线自内侧中心向外侧运动时，沿水平方向在外侧的中心点形成分流点，但在雷诺数稍大的层流区域，流线自内侧中心向外侧运动时，沿与水平成一定角度方向运动至外侧，并且没有明显的分流点。在湍流状态，一圈的螺旋盘管内二次流外侧的涡呈现从出现到扩散的不稳定变化过程，且具有一定的周期性。
　　 2.首次建立了卷盘喷灌机摩擦系数的计算公式，解决了长期以来卷盘喷灌机螺旋盘管流动阻力计算难的问题。通过分析国外学者所建立的摩擦系数公式的构造，并对8种参数螺旋盘管在45种流量共计360个方案数值模拟数据的统计，建立了一种物理意义明确的卷盘喷灌机摩擦系数计算公式。结果表明，与国外学者的试验研究结论基本一致，最大偏差为8％，证明了所建公式具有实用性，为今后研究低能耗卷盘喷灌机奠定了计算依据。
　　 3.首次建立了卷盘喷灌机工作过程螺旋输水盘管的能量损失计算方法。根据卷盘喷灌机卷盘的典型回收速度，采用数值模拟和本文所建摩擦系数计算公式，分别建立了压差随时间的分段函数，并通过积分计算了两种情况的能量损失。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究进展

1．2．1 弯曲管道和螺旋盘管二次流特性研究进展

1．2．2 螺旋盘管摩擦系数及影响因素研究

1．2．3 卷盘喷灌机能源利用率和螺旋盘管损失的研究

1．2．4 国内外研究分析

1．3 本文研究内容

第二章 螺旋盘管内二次流基础

2．1 弯曲管道和螺旋盘管二次流特性

2．1．1 控制方程

2．1．2 Dean数及其扩展

2．1．3 二次流的概念和特性

2．1．4 弯曲管道内的层流和湍流

2．2 弯曲管和螺旋盘管的流动阻力与水头损失

第三章 螺旋盘管内部流动数值模拟

3．1 模拟对象

3．2 模拟方案

3．3 三维模型及网格划分

3．4 湍流模型

3．5 边界条件

3．6 计算结果与分析

3．6．1 JP50卷盘喷灌机二次流特性分析

3．6．2 二次流影响因素分析

第四章 螺旋盘管流动阻力研究

4．1 螺旋盘管内部流动阻力的影响因素

4．2 卷盘喷灌机输水管流动阻力数值模拟

4．2．1 直管层流和湍流的流动阻力

4．2．2 螺旋盘管摩擦系数方程的线性回归

4．2．3 不同弯曲半径对摩擦系数的影响

4．3 卷盘喷灌机输水盘管工作过程的能量损失

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文