新型射流施肥泵结构设计与数值模拟

摘要

滴灌随水施肥具有省时、省力、省肥以及施肥均匀等特点，是滴灌技术不可忽视的功能之一，施肥泵是滴灌系统实现随水施肥的关键装置。
　　 现有活塞式施肥装置大都采用弹簧或机械式联动换向机构实现活塞的往复运动。采用弹簧进行换向的活塞，在注入肥液时，需要压缩弹簧而损耗一定的水压，而且换向过程取决于弹簧的刚度和初始压缩量，弹簧在频繁的往复运动作用下，易于损坏。机械式联动换向机构势必增加活塞及缸体的结构复杂性，对机械密封性、制造精度、可靠性及耐久性提出更高的要求。
　　 针对现有的活塞式施肥装置存在的问题，设计出一种应用射流附壁与切换技术实现活塞换向的新型射流式施肥泵。应用计算流体动力学(CFD)进行射流施肥泵内部流场的数值模拟，通过动态网格技术的应用，再现活塞系统往复运动过程。以射流施肥泵射流元件和活塞的关键结构参数为因素，以活塞平均运动速度和往复频率为试验指标，对射流施肥泵进行两组正交试验设计，应用极差与方差分析法，分析关键结构参数对活塞平均运动速度和频率影响度，寻找主次影响规律及最优参数组合。
　　 数值模拟结果表明，射流元件关键结构参数中喷嘴宽度对活塞运动速度的影响最显著，其次是活塞半径。而位差、喷嘴长度对活塞运动速度没有显著影响;位差和导流段长度对切换频率有显著影响。活塞关键参数中入口压力和活塞行程对活塞平均运动速度有显著影响，活塞行程和入口压力对切换频率有显著影响。
　　 通过多元线性回归分析，建立了活塞平均运动速度和往复频率与关键结构参数之间的回归模型，揭示了射流施肥泵的内部运动规律和水力特性，为射流式施肥泵结构设计与量化分析提供一定的理论依据。
　　 加工样机进行验证性试验，将试验结果与数值计算进行对比分析，验证了模拟计算的合理性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目的与意义

1．4 本文主要研究内容和研究方法

第二章 射流施肥泵结构与工作原理

2．1 射流元件基础理论

2．1．1 有限空间内流体流动理论

2．1．2 流动特点

2．1．3 射流的卷吸现象

2．1．4 射流的附壁和切换

2．2 射流施肥泵基本结构

2．3 射流施肥泵工作原理

2．4 射流施肥泵结构参数

2．4．1 活塞结构主要参数

2．4．2 射流元件基本结构

2．4．3 射流元件主要参数

2．6 本章小结

第三章 射流施肥泵数值模拟计算基础

3．1 概述

3．2 基本控制方程

3．2．1 质量守恒方程

3．2．2 动量方程

3．2．3 湍流模型

3．2．4 速度-压力祸合算法的选取

3．3 数值计算假设

3．4 计算模型建立

3．4．1 几何模型

3．4．2 网格划分

3．5 三维动态流场设置

3．5．1 动态网格模型简介

3．5．2 动网格更新方法

3．5．3 边界条件、初始条件及动态网格参数设置

3．6 本章小结

第四章 关键结构参数对性能影响

4．1 射流元件关键结构参数对性能影响

4．1．1 确定试验因素和正交试验方案

4．1．2 数值分析／边界条件及动态网格参数设置

4．1．3 数值模拟结果

4．1．4 内部流场分布与活塞动态过程

4．1．5 极差分析

4．1．6 方差分析

4．1．7 v和f与结构参数的数学回归模型

4．1．8 结论

4．2．2 活塞关键结构参数对性能影响

4．2．1 确定试验因素和试验方案

4．2．2 数值分析

4．2．3 数值模拟结果

4．2．4 极差分析

4．2．5 方差分析

4．2．6 v和f与结构参数的数学回归模型

4．2．7 结论

4．3 本章小结

第五章 试验研究

5．1 试验目的

5．2 试验装置

5．3 试验方案

5．3．1 试验方案一

5．3．2 试验方案二

5．3．3 试验方案三

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的相关论文