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基于动网格技术的压力调节器弹簧参数快速设计方法

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灌溉排水学报 2024年第5期43卷 63-70页

作者：王笑然张琛李光永国家开放大学北京100039 中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 水利部牧区水利科学研究所呼和浩特010020

【目的】提出一种高效的压力调节器弹簧参数快速设计方法,加快相关设备的研发速度和设计精度。【方法】该文基于动网格技术,以一种移动部件为“杯”式结构的压力调节器为例,根据力的平衡原理和胡克定律,构建了弹簧参数求解模型。通过3D... 详细信息

【目的】提出一种高效的压力调节器弹簧参数快速设计方法,加快相关设备的研发速度和设计精度。【方法】该文基于动网格技术,以一种移动部件为“杯”式结构的压力调节器为例,根据力的平衡原理和胡克定律,构建了弹簧参数求解模型。通过3D打印试样进行水力性能实测,验证了弹簧参数设计结果的可靠性和精准程度【结果】在所建立模型的基础上,提出了弹簧参数快速设计方法,该方法的预置压力设计绝对误差RE小于2%;得到了预置压力设计值0.10 MPa条件下,压力调节器主要结构参数对配置弹簧参数的影响规律并构建了弹簧参数回归模型。【结论】对于某一固定结构的压力调节器,其预置压力随配置弹簧紧力的增大而线性增大。预置压力确定时,弹簧预紧力与移动部件上游受压面面积和调压断面高度线性负相关,与移动部件下游受压面面积线性正相关。在预置压力规格、调压稳定性、调压范围和适用流量均满足设计要求的前提下,压力调节器结构参数对弹簧预紧力的交互影响不显著,但对弹簧刚度和弹簧压缩长度存在显著的交互影响,因此导致了传统压力调节器设计中,优化某一性能指标而导致其他性能指标劣化的问题。

关键词：微灌压力调节器弹簧 CFD 动网格

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微灌砂石过滤器滤层泥沙的沉积与迁移特征

农业工程学报 2023年第4期39卷 76-83页

作者：宋蕾蔡九茂翟国亮冯俊杰张文正中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室新乡453002 中国农业科学院研究生院北京100081

为探明泥沙颗粒在砂石过滤器滤层中沉积与迁移的规律,选用3种粒径(>0.90~1.25、>1.25~1.60、>1.60~2.00 mm)的石英砂作为滤料,通过滤柱模型开展0.4‰的浑水过滤试验,分析滤层沉积与迁移的泥沙质量、泥沙粒度分布以及过滤时的水力性能。... 详细信息

为探明泥沙颗粒在砂石过滤器滤层中沉积与迁移的规律,选用3种粒径(>0.90~1.25、>1.25~1.60、>1.60~2.00 mm)的石英砂作为滤料,通过滤柱模型开展0.4‰的浑水过滤试验,分析滤层沉积与迁移的泥沙质量、泥沙粒度分布以及过滤时的水力性能。结果表明:过滤过程3种滤柱泥沙截留率分别为97.07%、94.53%、90.50%,滤后水均满足微灌水质要求,但构成砂滤柱的滤料粒径越大,泥沙在滤层中分布越均匀。各砂滤层截留泥沙的粒径分布宽度自上向下分别为1.86、3.37、4.12、4.21,随滤层深度增加,截留泥沙颗粒粒径减小;在>0.90~2.00 mm范围内,随滤料粒径增大,更多的细颗粒泥沙可以随水流排出过滤器,但中砂与粗砂全部截留在滤层中。综上,3种砂滤柱过滤效率的差异主要体现在小粒径泥沙截留量上,而在满足微灌水质标准的情况下,该部分小颗粒泥沙并不会使灌水器流道产生物理堵塞。同时,根据流速与压强分析得,大粒径的砂滤柱不仅流速稳定,压强升高较慢,而且纳污能力强。因此,在滤后水满足微灌水质的情况下,应当优先采用大粒径滤料,这样不仅可以提升过滤效率,而且节能省材。研究结果对砂石过滤器滤料粒径及滤层高度的优化具有重要意义。

关键词：泥沙压强流速微灌砂石过滤器粒度分布沉积

考虑灌水均匀性及年费用的不规则微灌单元管网优化布置

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水利学报 2023年第2期54卷 208-219页

作者：张吉娜王珍李敏李久生中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为了评估不规则微灌单元毛管单双向布置时出水桩位置、单元控制面积和单元形状参数对单元水力性能和年费用的影响,利用Matlab和EPANET软件构建了微灌水力设计及评价模型HAPIS(Hydraulic Analysis of Pressurized Irrigation System)。... 详细信息

为了评估不规则微灌单元毛管单双向布置时出水桩位置、单元控制面积和单元形状参数对单元水力性能和年费用的影响,利用Matlab和EPANET软件构建了微灌水力设计及评价模型HAPIS(Hydraulic Analysis of Pressurized Irrigation System)。以直角三角形的不规则微灌单元为例,集成水力性能和年费用计算的评估结果表明,毛管单双向布置模式下,通过出水桩位置优化可使微灌单元流量偏差率分别降低29%和7%,毛管双向布置可有效降低灌水均匀性对出水桩位置的敏感性。出水桩布置在长毛管分布区域有助于降低灌溉年费用。支管直径一定时,随微灌单元控制面积增加,微灌单元流量偏差率和年费用分别呈明显升高和降低趋势。支管公称外径40~63 mm时采用毛管单向布置,支管公称外径≥75 mm时采用毛管双向布置,是提高单元控制面积的有效方法。不规则单元中不宜使用过大直径支管(如公称外径90 mm),以避免支管单价较高造成的灌溉单元年费用明显升高。相同控制面积下,毛管双向布置可降低直角三角形单元底角变化对灌水均匀性的影响,灌水均匀性高于毛管单向布置。基于构建的HAPIS模型可实现微灌单元水力性能和年费用的优化,为规模化滴灌系统的设计和运行提供支撑。

关键词：微灌不规则单元管网优化水力模拟经济评价

微灌方式耦合施肥水平对土壤质量、芒果幼树生长和水肥利用效率的影响

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植物营养与肥料学报 2023年第10期29卷 1896-1910页

作者：蒋诗瑶刘小刚易怀峰赵璐崔宁博李义林昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所云南保山678000 四川大学水利水电学院四川成都610065 云南省农业科学院热区生态农业研究所云南元谋651300

【目的】通过研究芒果土壤微环境和生长特性对不同水肥耦合模式的响应,确定芒果幼树的最优微灌方式耦合施肥量。【方法】以2年生芒果幼树(品种为贵妃芒)为供试材料,在云南昆明理工大学大棚内进行完全随机组合设计田间试验,设置3种微灌方... 详细信息

【目的】通过研究芒果土壤微环境和生长特性对不同水肥耦合模式的响应,确定芒果幼树的最优微灌方式耦合施肥量。【方法】以2年生芒果幼树(品种为贵妃芒)为供试材料,在云南昆明理工大学大棚内进行完全随机组合设计田间试验,设置3种微灌方式:微喷灌(SI)、滴灌(DI)、微润灌(MI),和4个施肥水平:0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2(依次标记为F0、F1、F2、F3)。每次灌溉施肥处理后30天(灌水后第3天),在距树干5~10 cm灌水器一侧采集土壤样品,测定芒果幼树根区土壤养分含量、酶活性、微生物数量,测量果树生长指标,计算水肥利用效率,并采用隶属函数结合因子分析法对芒果幼树土壤质量和生长质量进行综合评价。【结果】微灌方式和施肥水平对芒果幼树根区土壤养分含量(硝态氮、速效磷和速效钾)、酶活性(过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶)、微生物数量(细菌、真菌和放线菌)、形态生长增量(株高、地径、叶片数和冠幅)、根系生长(总长度、表面积、体积和平均直径)和水肥利用效率影响显著(PDI>SI,DI、MI土壤酶活性较SI分别增加了15.09%~26.57%和26.56%~48.86%,微生物数量分别增加了11.46%~30.19%、12.87%~42.45%,灌溉水利用效率(IWUE)分别提高了43.27%、73.17%,肥料偏生产力(PFP)分别升高了33.96%、54.44%。MI处理芒果的株高增量和根系体积的增幅最大,较SI分别显著增加了100.29%、54.06%。土壤过氧化氢酶活性、脲酶活性、微生物数量以及IWUE均在F2水平获得最大值,而土壤养分含量和土壤磷酸酶活性随施肥量的增加而升高,PFP则随之降低。相关性分析结果表明,土壤养分含量、酶活性、微生物数量与芒果生长指标之间均呈正相关关系,且相关程度依次递增。隶属函数结合因子分析结果表明,土壤质量综合指数(SQI)和芒果生长质量指数(GQI)均在MIF2条件下获得最大值。【结论】微润灌耦合施肥水平186.4 kg/hm2(MIF2组合)为改善土壤质量并促进芒果幼树生长的最佳灌溉施肥耦合方式。

关键词：芒果微灌水肥一体化土壤质量水肥利用

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微灌田间管网布置优化及参数分析

农机化研究 2022年第6期44卷 25-30,52页

作者：胡宇祥彭军志殷飞李娜吉林农业科技学院机械与土木工程学院吉林吉林132101

微灌工程是推进农业节水灌溉的重要手段,合理的田间管网参数设计是水利计算中的重要环节。为此,探索了田间灌水单元小区内满足灌溉管道运行安全的田间管网优化布置方案,建立以单位面积管道投入最低为目标函数且满足管道安全运行要求的... 详细信息

微灌工程是推进农业节水灌溉的重要手段,合理的田间管网参数设计是水利计算中的重要环节。为此,探索了田间灌水单元小区内满足灌溉管道运行安全的田间管网优化布置方案,建立以单位面积管道投入最低为目标函数且满足管道安全运行要求的双向布置田间管网优化设计数学模型,并应用遗传算法对永舒榆灌区典型区域进行优化计算。与原设计相比,单位面积工程造价减少64.8%,毛管投入占小区投入70.6%。分析了毛管管径、灌水器设计流量、灌水器间距对田间管网优化结果的影响,结果表明:在灌水单元小区形状不受限制条件下,使用更小管径的毛管、更大管径的支管,相对更经济。在毛管管径一定的情况下,改变灌水器设计流量和灌水器间距对于单位面积管道投入费用影响不大;灌水器设计流量和灌水器间距共同作用下,较小的灌水器设计流量和较大的灌水器间距有利于减小单位面积管道投入费用。研究结果可为不同作物种类、种植方式、供水能力等情况下的滴灌系统设计提供管道选择依据以及管网优化布局方案,也可以为企业开发不同规格灌溉管道提供参考。

关键词：微灌田间管网部署参数优化

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微灌用微压过滤冲洗池的过滤性能计算模型

水电能源科学 2022年第6期40卷 179-182,32页

作者：陶洪飞吴梓境杨圆坤李巧马合木江·艾合买提姜有为杨文新魏建群新疆农业大学水利与土木工程学院新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室水发设计集团有限公司

为研究泵前微压过滤冲洗的一种新型措施--微压过滤冲洗池,以泥沙去除率、滤网截沙质量及过滤时间为过滤性能考核指标,开展了流量、含沙量及滤网面积3个参数的均匀正交物理模型试验,利用数据处理系统(DPS)统计分析试验数据。结果表明,影... 详细信息

为研究泵前微压过滤冲洗的一种新型措施--微压过滤冲洗池,以泥沙去除率、滤网截沙质量及过滤时间为过滤性能考核指标,开展了流量、含沙量及滤网面积3个参数的均匀正交物理模型试验,利用数据处理系统(DPS)统计分析试验数据。结果表明,影响泥沙去除率和截沙质量的因素主次顺序为滤网面积、含沙量、流量;影响过滤时间的因素主次顺序为流量、滤网面积、含沙量。由此,构建了考核指标泥沙去除率、截沙质量、过滤时间与影响因素含沙量、流量、滤网面积的响应多元线性回归计算模型,并指出当含沙量为0.36 kg/m^(3)、流量3 m^(3)/h、滤网面积2000 cm^(2)时,为最优工况。研究结果将为水沙分离机理、结构优化及其应用推广提供理论和设计依据。

关键词：微压过滤冲洗池流量含沙量微灌均匀正交

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微灌用砂石过滤器全流场数值模拟与试验

农机化研究 2022年第4期44卷 183-187页

作者：李家春杨涛王永涛陈跃威贵州大学机械工程学院贵阳550025 贵州省水利科学研究院贵阳550002

为了充分了解微灌用砂石过滤器内部流场分布情况,利用同CFD相同数学原理的FloEFD流体仿真软件,采用多孔介质模型将砂石滤床的阻力特性作为三维数值模型的边界条件,对过滤器内部全流场进行数值模拟。结果表明:过滤器内部元件和出水口边... 详细信息

为了充分了解微灌用砂石过滤器内部流场分布情况,利用同CFD相同数学原理的FloEFD流体仿真软件,采用多孔介质模型将砂石滤床的阻力特性作为三维数值模型的边界条件,对过滤器内部全流场进行数值模拟。结果表明:过滤器内部元件和出水口边界条件对过滤器的速度流场和压力场分布规律影响较大,基于多孔介质模型的计算流体力学方法对砂石过滤器的数值模拟精度较高,数值模拟结果与试验结果较吻合,可以准确地预测过滤器水力性能。

关键词：砂石过滤器数值模拟多孔介质微灌

微灌用施肥泵施肥比例与肥水比对过滤器堵塞的影响

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农业工程学报 2017年第23期33卷 117-122页

作者：王睿王文娥胡笑涛杨欣黎会仙西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100

为研究微灌用施肥泵施肥比例与肥水比对过滤器堵塞的影响,该文以叠片和网式过滤器为研究对象,结合比例式施肥泵的施肥特点及性能,通过调节不同施肥比例(2%、3%和4%)与吸入的肥水比(1∶4、1∶5和1∶6)对过滤器在施肥条件下的水头损失、... 详细信息

为研究微灌用施肥泵施肥比例与肥水比对过滤器堵塞的影响,该文以叠片和网式过滤器为研究对象,结合比例式施肥泵的施肥特点及性能,通过调节不同施肥比例(2%、3%和4%)与吸入的肥水比(1∶4、1∶5和1∶6)对过滤器在施肥条件下的水头损失、总过水流量及滤网(芯)附着物质量进行分析。结果表明:网式和叠片式过滤器对出口肥液浓度的使用范围不一致,网式过滤器适用于肥液平均浓度在0.117%以下,叠片式过滤器适用于肥液平均浓度在0.067%以下。随着肥液浓度的增大,滤网表面附着物质量差异不显著,滤芯叠片上附着物质量差异显著,最大附着物质量是最小附着物质量的11.4倍;叠片式过滤器抗堵塞性能远远优于网式过滤器,当肥液平均浓度最大为0.296%时,叠片滤芯附着物质量是网式滤网质量的4.75倍,总过水量比网式过滤器大0.1 m^3/h。研究可为水肥一体滴灌设备技术的推广和应用提供依据。

关键词：肥料过滤器泵堵塞水头损失微灌

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微灌离心分离器内部流场分布数值模拟

农业工程学报 2015年第19期31卷 61-67页

作者：邱元锋孟戈罗金耀武汉大学水利水电学院武汉430072 武汉工程大学资源与土木工程学院武汉430073

在缺水地区,利用高含沙水作为微灌水源的条件下,低浓度混合多相流模型已不能适用于微灌用离心分离器的数值模拟。该文以高含沙水作为微灌水源,结合离心分离器的结构参数,在流体力学基本方程基础上,通过网格划分和边界条件设定,采用有限... 详细信息

在缺水地区,利用高含沙水作为微灌水源的条件下,低浓度混合多相流模型已不能适用于微灌用离心分离器的数值模拟。该文以高含沙水作为微灌水源,结合离心分离器的结构参数,在流体力学基本方程基础上,通过网格划分和边界条件设定,采用有限体积法进行离散和求解,控制方程采用k-ε模型模拟分析了离心分离器的内部流场特征,并通过试验验证数值模拟成果,模拟值与试验实测值相对误差在10%以内,说明数值模拟采用的算法和模型是合理的。在试验验证的基础上,模拟分析了高含沙水为微灌水源的条件下,离心分离器的速度、湍动能以及静压分布,结果表明:离心分离器内速度分布主要有切向速度、轴向速度和径向速度,沿径向方向具有一定的对称性;离心分离器内湍动能分布具有一定的对称性,由轴中间向器壁两侧逐渐变小;静压分布具有一定的对称性性,由器壁两侧向轴中心逐渐减少。结果可为微灌用离心分离器特性参数的优化提供依据。

关键词：灌溉流体力学 CFD 微灌离心分离器高含沙水流场分布