齿形流道结构对滴头水力性能影响的试验研究

摘要

滴头是滴灌系统的核心部件，滴头性能直接影响整个滴灌系统的运行，因此对滴头流道结构参数与水力性能关系的研究对优化滴头性能和提高滴灌系统节水作用具有重要的意义。本文以目前比较应用广泛的齿形流道滴头为研究对象，以流道宽度、流道深度、齿尖角、齿间距、流道单元数和齿高为主要控制参数，设计了30种不同的流道结构，并根据单因素分析结果，进一步以组合因素过水断面面积、流道总长度、流道结构宽深比和弯曲度（流道内水流实际流动路径的弯曲程度）为控制因素。应用计算流体力学软件FLUENT15.0，滴头水力性能测试平台，探索了流道的结构参数对滴头水力性能的影响，得到以下结论:
　　(1)FLUENT15.0为各种工况提供了大量的计算模型以便选择，为了更加精准的模拟滴头流道中的流动特性，本文针对FLUENT15.0提供的二方程k-e湍流模型中的标准k-e湍流模型、RNG k-e湍流模型和Realizable k-e湍流模型，分别应用三种模型计算并将模拟值与实测值进行对比比较，最终综合考虑时间成本与计算成本，确定了标准的k-e湍流模型较为接近实测值和实用价值，并选择此模型为本试验的计算模型。
　　(2)对滴头单因素结构参数与水力性能参数关系进行分析，结果表明:
　　各个因素对滴头水力性能有不同的显著影响。流量与齿间距和单元数呈负相关，齿间距对流量并没达到显著影响，而单元数达到了显著影响;流道宽度、流道深度、齿高和齿尖角呈正相关，齿尖角对流量未达到显著影响，流道深度对流量达到了显著影响，流道深度和齿高对流量影响达到了较高的显著影响。根据回归分析结果，影响滴头流量的大小顺序依次为流道宽度、单元数、流道深度、齿高、齿间距和齿尖角。
　　滴头不同结构参数对滴头流量系数均达到了显著影响，其中与流道深度、齿尖角和流道单元数达到了较高的显著影响，而与流道宽度、齿间距和齿高达到了显著影响。
　　滴头结构参数与滴头流态指数的相关性并不显著，其中只有齿尖角和流道单元数与流态指数达到了显著影响，其余结构参数如流道宽度、流道深度、齿间距、齿高与流态指数的关系均未达到显著影响。
　　(3)从速度矢量图和压力分布图中，可以清楚的看到滴头内部微观的流动状况，流道内部水流主要分为两个区域，即主流区域与旋涡区域。其中主流区域主要出现在齿尖位置，而旋涡区域主要出现在齿底处。从压力分布图中可以看出压力在进口处最大，随着流道长度的增加压力不断减小。
　　(4)对组合因素与滴头水力性能参数的关系进行分析，结果表明过水断面面积对流量达到了显著影响;流道总长度与滴头流量呈显著负相关的关系;滴头流量与滴头内部水流的弯曲度呈正相关的关系，滴头流量系数与流量相似。
　　滴头流态指数与组合因素之间关系较为复杂，在四个因素中，只有流量总长度与滴头流态指数呈显著的负相关关系，其余三个因素与滴头的流态指数均未达到显著性影响。
　　从线性回归的结果发现，影响滴头流量最大的因素为过水断面面积，其次大小顺序依次是迷宫流道总长度、流道结构宽深比和结构内部水流弯曲度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究的进展

1．2．1 滴头发展的现状与趋势

1．2．2 滴头结构与水力性能理论研究状况

1．2．3 滴头内部流场数值模拟研究

1．3 目前存在的问题

第二章 研究内容与方法

2．1 研究内容

2．2 研究方法

2．2．1．CFD软件概述

2．2．2 齿形迷宫流道结构特征参数的选择与滴头水力性能参数

2．2．3 CFD计算模型与边界条件

2．3 技术路线图

第三章 ANSYS FLUENT湍流模型的选择

3．1 湍流模型概述

3．1．1 k-e模型介绍

3．2 水力性能测试试验

3．3 结果对比与分析

3．3．1 测试结果与模拟结果直观对比

3．3．2 结果分析

3．4 本章小结

第四章 滴头水力性能模拟研究

4．1 滴头水力性能的数值模拟

4．1．1 不同结构参数的流速场分布图

4．1．2 不同结构参数的压力场分布图

4．1．3 数值模拟结果

4．2 滴头结果分析

4．2．1 单因素结构参数与滴头水力性能结果分析

4．2．2 单因素结构参数与滴头流量的回归分析

4．2．3 组合因素结构参数的选取及其对滴头水力性能的结果分析

4．3 结构设计

4．3．1 设计步骤

4．3．2 方案验证

4．4 本章小结

第五章 结论与存在问题

5．1 主要结论

5．2 问题与展望

参考文献

致谢

作者简介