压力补偿滴头流道流场的数值模拟与补偿元件分析

摘要

滴灌是目前农业节水灌溉中效率最高的灌溉方式。滴头是滴灌系统中最关键的设备，其性能的优劣直接决定灌溉质量和滴灌工程的造价。因此，对滴头水力性能研究有着极为重要的意义。压力补偿滴头具有出水流量不受压力变化影响、抗堵性较好、具有自冲洗功能等优点，已成为世界各国研发的热点。 本文建立了压力补偿滴头流道模拟的CFD模型，采用ANSYS商业软件进行流固耦合分析计算，并结合传统滴头水力性能实测结果，对CFD数值模拟进行验证。结果表明，利用CFD数值模拟方法代替传统滴头水力性能试验，并对压力补偿滴头内部流场进行数值模拟，模拟流量多数大于实测流量，偏差在10％以内。通过流场压力、速度分布，使流场中的复杂流动“可视化”，减少了实物实验的次数，可以实现了滴灌滴头低成本、高效率开发。 采用CFD模拟计算的方法得到了压力补偿滴头的水力性能数据。对影响CFD模拟精度的网格单元尺寸、计算物理模型和求解处理方法三个主要因素进行了正交实验，分析了各因素对模拟精度的影响显著性，由高到低依次为网格单元尺寸、计算物理模型、求解处理方法。其最佳因素水平组合是采用瞬态求解方法、0．15mm尺寸的网格和层流计算模型。 通过理论分析、单因素和正交实验，研究了弹性膜片的厚度及硬度对压力补偿滴头水力性能的影响。在一定流道结构形式下，得到压力补偿滴头标称流量与弹性膜片厚度和硬度之间的线性回归方程，对于压力补偿滴头的开发有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状及进展

1.2.1国内外滴灌滴头的发展现状与趋势

1.2.2滴头的种类及工作原理

1.2.3滴头流道内流体流动机理的研究概括

1.2.4滴头的水力性能理论研究现状

1.2.5滴头的水力性能的试验研究方法

1.2.6滴头的水力性能数值分析方法

1.2.7快速成型技术在滴灌滴头开发过程中的应用

1.3存在问题

1.4研究目标和内容

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

第二章 压力补偿滴头补偿元件分析及水力性能试验

2.1典型的压力补偿滴头结构形式

2.1.1孔口式压力补偿滴头

2.1.2扁平式压力补偿滴头

2.1.3圆柱式压力补偿滴头

2.1.4流道长度补偿式压力补偿滴头

2.2试验用压力补偿滴头的结构形式

2.3压力补偿区弹性膜片的分析

2.3.1弹性膜片的材料分析

2.3.2弹性膜片的参数分析

2.4弹性片试验参数的确定

2.4.1橡胶的力学特性分析

2.4.2橡胶的硬度与弹性模量之间的关系

2.5压力补偿滴头水力性能测试

2.5.1压力补偿滴头水力性能试验装置

2.5.2试验内容与方法

2.5.3试验结果

第三章压力补偿滴头内流场的数值模拟及结果

3.1软件介绍

3.1.1 ANSYS Workbench介绍

3.1.2 ANSYS CFX 11.0介绍

3.2流固耦合力学的分析方法

3.3压力补偿滴头内流场的CFD模拟

3.3.1 CFD数学模型及其参数选择

3.3.2计算区域和参数的选择

3.3.3网格划分

3.3.4边界条件

3.3.5数值模拟结果

3.4 CFD数值模拟精度影响因素分析

3.4.1试验设计与方法

3.4.2试验结果分析

3.4.3网格单元尺寸对CFD模拟精度的影响

3.5本章小结

第四章 弹性膜片参数对水力性能影响的试验研究

4.1弹性膜片的参数对水力性能影响的单因素试验

4.1.1试验因素与水平

4.1.2压力补偿滴头水力性能评价参数的的确定

4.1.3弹性膜片性能参数及尺寸的单因素试验

4.2弹性膜片的参数对滴头水力性能影响的正交试验

4.2.1试验设计与方法

4.2.2试验结果与讨论

4.2.3滴头标称流量与弹性膜片参数的回归方程

4.3流量回归公式的验证

4.4本章小结

第五章结论

5.1本课题完成的工作

5.2存在的不足及有待继续研究的方向

参考文献

致 谢

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