三通管水头损失计算方法及在施肥机中的应用

作     者：柏杨 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱德兰

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：三通管 水头损失 数值模拟 局部阻力系数 旁路式施肥机 

摘      要：为合理匹配水肥一体化施肥机中注肥泵的规格,解决注肥泵匹配不当带来的吸肥效果差、能耗较大等问题。本文通过研究施肥机中三通管的水力特征规律,提出了三通管水头损失计算方法,并对其在施肥机中进行了注肥泵匹配的应用。研究进展主要分为以下几方面:首先,采用数值模拟与试验研究的方法对三通管水力特征进行了研究;其次,建立三通管局部阻力系数的计算模型与注肥前后主灌溉管压力、流量变化量的计算模型;最后,基于未注肥时主灌溉管的压力、流量及文丘里施肥器进口流量、吸肥量大小,推求了三通管注肥压力的大小。本文得到的结论如下:(1)三通管注水工况,选用Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟。通过试验数据与模拟数据进行比对,三通管主管进口压力的平均相对误差为0.11%,三通管侧管进口压力的平均相对误差为0.23%,三通管主管出口流量的平均相对误差为0.002%;三通管注肥工况,采用多相流混合模型Mixture model与湍流模型Realizable k-εmodel模型,经与试验值对比,三通管进口压力的平均相对误差为0.12%,三通管侧管进口压力平均相对误差为0.24%,三通管出口流量平均相对误差为0.004%,模型精确,能够正确模拟三通管注水、注肥工况。(2)为区别注肥、注水对三通管局部阻力系数的影响,以密度与粘度代表水肥的不同工况,明晰了不同水肥对三通管局部阻力系数的影响规律。随着三通管侧管注入水肥的密度增大,局部阻力系数ξ逐渐增大、局部阻力系数ξ逐渐减小。水肥粘度对局部阻力系数影响基本不变。为确保注肥泵的正常运行,选用注水工况推求局部水头损失大小。(3)三通管主管进口与主管出口间局部阻力系数ξ主要受三通管侧管进口与主管出口流量比的影响。随流量比递增,局部阻力系数ξ先增大后减小;三通管侧管进口与主管出口间局部阻力系数ξ受流量比与侧管与主管的管径比影响。局部阻力系数ξ随着流量比递增而增大,随管径比递增而减小。建立了局部阻力系数ξ、ξ的计算模型(R=0.996、R=0.999)。该模型能够准确得到三通管侧管注肥进口压力,达到匹配注肥泵的目的。(4)由于水肥注入主灌溉管后,会影响原有主灌溉管的流量与压力。为便于匹配注肥泵。因此,本文建立了主灌溉管流量变化量回归模型,其相关系数R为0.999;建立了主管压力变化量回归模型,其相关性系数R为0.994。经试验验证,模型精确度较高,可适用于注肥后主灌溉的压力、流量计算。(5)基于局部阻力系数ξ计算模型与主灌溉管流量变化量、压力变化量的计算模型在旁路式施肥机上进行注肥泵的匹配应用。比较旁路式施肥机注肥管压力的试验值与计算值:旁路式施肥机开启单个施肥通道时,注肥管压力平均相对误差为1.39%;旁路式施肥机同时开启两个施肥通道时,注肥管压力平均相对误差为1.79%;旁路式施肥机同时开启三个施肥通道,注肥管压力平均相对误差为0.86%。说明采用该计算方法,能够精确匹配注肥泵扬程。