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迷宫灌水器旋涡区特性及其影响因素分析

迷宫灌水器旋涡区特性及其影响因素分析

作者：门永南太原理工大学

学位级别：硕士

我国是全球水资源最为匮乏的十三个国家之一。目前我国人口增长与经济社会发展已因水资源缺乏受到了严重的制约。同时，我国水资源利用率较低的现象普遍存在，尤其在农业用水上更加突出。为改变现状，国家在十二五规划将大面积推广节水... 详细信息

我国是全球水资源最为匮乏的十三个国家之一。目前我国人口增长与经济社会发展已因水资源缺乏受到了严重的制约。同时，我国水资源利用率较低的现象普遍存在，尤其在农业用水上更加突出。为改变现状，国家在十二五规划将大面积推广节水灌溉，发展节水灌溉技术作为农业投资的重点。滴灌作为目前行之有效的节水灌溉技术，其具有水的利用率高、灌溉均匀度好的特点。滴灌灌水器是滴灌系统的核心部分，是消能的主要部位。由于滴灌灌水器结构精细，尺寸微小，迷宫流道内易发生堵塞现象影响滴灌系统的灌溉均匀度，甚至导致滴灌系统的报废。堵塞现象主要是从迷宫流道内旋涡区开始的，目前对于迷宫流道内旋涡区缺乏系统性的研究。本文作为山西省自然科学基金项目“滴灌迷宫灌水器中水沙两相流研究”（2008011054）的后续研究内容，以矩形迷宫灌水器为研究对象，通过FLUENT软件模拟了流道内水流流动情况，得到了速度矢量图、速度等值线图、压力分布、切向速度分布图等，通过TECPLOT软件处理，得到了旋涡区面积、旋涡区中心点位置、旋涡区及主流区流速分布、旋涡区涡旋强度、旋涡区内压力分布等旋涡区内特性指标。并分析了流动发展与流量对于旋涡区各特性指标的影响，并得到了如下结论： 1）矩形迷宫灌水器流道内水流可分为速度较大的主流区，位于边壁处的旋涡区和位于拐角处的小涡区。随着流量的增大各区域流速均增大，流线也更加密集。流道内小涡区的数量随着流量的增大而逐渐减少。流道内迎水面的小涡区要明显比背水面的小涡区大。 2）随着流动的发展，旋涡区面积在进口处较大，之后基本不变。旋涡区中心位置偏移量较小，在流动方向上的偏移量相较于法线上的偏移量较大。旋涡中心位于零速区内，表明流动的发展对于旋涡区零速区的影响较小;迷宫灌水器内流量变化对旋涡区水流流动形态没有影响。但随着流量的增大，旋涡区面积也增大，同时旋涡中心点位置偏向灌水器壁面并向流道下游移动，且偏移量较明显。流量的增加无法改变旋涡区中心水流流速几乎为零的现象，不能从根本上消除堵塞的产生。 3）随着流动的发展，旋涡区内各点压力值均减小，压差变化趋势也相同，即边界到漩涡中心压差均大于固壁到旋涡区中心压差。旋涡区内压力由旋涡区边界向中心降低速度较快，至旋涡中心降至最低;随着流量的增大，旋涡区各压差均增大，表明适当增大流量可以提高矩形迷宫灌水器内旋涡区的消能作用。且流量的增大对于旋涡区的消能作用提升较明显。 4）泥沙颗粒在矩形迷宫灌水器进出口段相较于中间段发生堵塞概率更高的现象可能由于泥沙颗粒在流道进口时跟随速度最大易在流道进口处与边界流速相同，泥沙颗粒就易在此进入旋涡区，此处涡旋强度与流道内其他旋涡区相比来说较大，但相差幅度不大即对于泥沙颗粒增加的离心力也是有限的。当离心力不足以让泥沙颗粒重新进入流道，就会在旋涡区发生无休止的涡旋运动，甚至进入旋涡区内的零速区，引起流道的堵塞。泥沙颗粒在流道内随着水流运动时，其颗粒跟随速度逐渐减少，经过一定单元后其跟随速度再次与旋涡区边界流速达到一致，从而进入旋涡区，而涡旋强度随着流动发展而逐渐减小，涡旋运动的减弱同时引起泥沙颗粒的离心力的减小。此时易引起流道的堵塞。 5）流量在5L/h到7L/h之间增加时对于旋涡区内涡旋运动提升最明显，即对流道内消能与抗堵塞提升最明显，因而在矩形迷宫灌水器实际使用中应将进口流量保持在7L/h。 6）在流道优化过程对旋涡区进行去除时应以公称流量下流道内的首个旋涡区为标准进行优化。

关键词：迷宫灌水器堵塞旋涡数值模拟涡旋强度

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迷宫灌水器水流流态试验及压力场数值模拟

迷宫灌水器水流流态试验及压力场数值模拟

作者：马静太原理工大学

学位级别：硕士

水是人类社会生存与发展最宝贵的自然资源之一,同时也是战略性的经济资源,是国家综合国力的重要组成部分。随着经济的发展和人口的激增,水资源短缺已成为世界许多国家和地区共同面临的世界性问题。水资源短缺成为当今世界经济和社会发... 详细信息

水是人类社会生存与发展最宝贵的自然资源之一,同时也是战略性的经济资源,是国家综合国力的重要组成部分。随着经济的发展和人口的激增,水资源短缺已成为世界许多国家和地区共同面临的世界性问题。水资源短缺成为当今世界经济和社会发展的重要制约因素,因此,节水技术日趋紧迫。我国是农业大国,农业用水占国民总用水量的73%,农业用供水之间存在严重的矛盾,成为制约我国农业发展的瓶颈问题,因此发展节水灌溉技术势在必行。在众多节水灌溉技术中,滴灌技术是最先进、最行之有效的,但由于滴灌灌水器结构精细复杂、流道尺寸小,所以其流道内部压力场的微观化分析较少。本文通过实验得出迷宫流道内水流流态为紊流或过渡区;同时利用流体力学软件(CFD)进行数值模拟研究其内部压力场的分布情况,为解决迷宫流道内部的抗堵塞问题提供一些参考依据。本文结合山西省自然科学基金项目《滴灌迷宫灌水器中水沙两相流研究》(2008011054),在对滴灌灌水器研究成果进行较详细综述的基础上,通过试验手段与数值模拟对其水流流态及压力场进行了研究。通过对试验成果与数值模拟结果进行分析,可得出以下结论：(1)迷宫灌水器流道内存在“低速区”和漩涡区,其中“低速区的存在会使泥沙颗粒在此处发生沉积;(2)迷宫灌水器中不断转折的流道对其内部水流干扰很大,可以使其中水流在较小雷诺数时就失去稳定转变为紊流;从整体来看,可认为迷宫灌水器中水流流态为紊流或过渡区;由此可知,本文对压力场的数值模拟均是在紊流中进行的。(3)与经典雷诺试验不同,迷宫流道中水流的水头损失与断面平均流速的2.0-2.5次方成比例;迷宫灌水器的流态指数可达到0.5以下;(4)在本试验情况下,迷宫流道中水流过渡区与紊流区相互转换的临界雷诺数为87.5-125.0。(5)由压力场的数值模拟结果可知,在相同的流量下,迷宫流道中心线上的压力随着过流面积的减小,压力变化范围越来越大,压力值也随之增大,能量损失越来越小;(6)由压力场的数值模拟结果可知,在同一过流断面下,迷宫流道中心线上的压力随着流量的增大,压力变化范围越来越大,且压力值也越来越大,压力最大点及其两端的压力较高点之间的差值越来越大;在漩涡处存在着压力突变点,该点压力急剧降低;(7)在迷宫流道内产生漩涡处沿Y轴方向中心线上,在迷宫“几”字形外侧壁面处与漩涡处中心线沿Y轴方向上最大流速点之间,流速与压力之间存在负相关关系;在迷宫流道内产生漩涡处沿Y轴方向中心线上,在迷宫“几”字形内侧壁面与漩涡处中心线沿Y轴方向上最大流速点之间,流速与压力之间存在正相关关系。

关键词：迷宫灌水器流态水力性能漩涡压力场

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迷宫灌水器水流阻力特征研究

迷宫灌水器水流阻力特征研究

作者：王子凯西北农林科技大学

学位级别：硕士

迷宫灌水器水流阻力特征是水力性能研究的一部分，主要受水流特性和灌水器结构参数的影响。本文以自主设计的流道和迷宫齿形流道为研究对象，采用PIV实验和CFD数值模拟相结合的方法研究了灌水器流道尺寸的水流运动特性、灌水器内部压力... 详细信息

迷宫灌水器水流阻力特征是水力性能研究的一部分，主要受水流特性和灌水器结构参数的影响。本文以自主设计的流道和迷宫齿形流道为研究对象，采用PIV实验和CFD数值模拟相结合的方法研究了灌水器流道尺寸的水流运动特性、灌水器内部压力损失与速度的关系，通过确定的模拟方案进一步研究了不同结构参数转变对迷宫结构灌水器水流阻力特性的影响。通过上述研究，得出了以下主要结论： 1、灌水器流道尺寸介于微流道和宏观流道之间，对于直管段，流态转换的雷诺数为1700-2300，仍然符合宏观水力学理论;对于迷宫段，示踪粒子观测的方法只能大概分析出其内部水流运动情况，不能判断水流所处流态。 2、直管段中，沿程水头损失与断面平均流速呈线性关系;迷宫段中，局部水头损失与断面平均流速呈指数关系，指数系数介于1.67到3.1之间，与宏观水力学紊流时指数系数为1.75-2存在差异。迷宫灌水器的水头损失主要为局部水头损失，局部水头损失占到了总水头损失的90%以上。 3、CFD是解决流体流动问题的强有力工具，本章采用紊流模型对四种型式的流道进行了模拟，与实验获得的数据相比在误差范围内，能够作为可行的模拟方案进行下一步的研究。迷宫流道内部流场可以分为主流区、低速区和漩涡区，低速区易造成堵塞。 4、极差分析结果显示，齿角度α对流量系数的影响最大，其次是偏差量J，齿高h对其影响最小;齿角度α对流态指数的影响最大，其次是偏差量J，齿高h对其影响最小。当h为1mm，α为65°，J为0时，灌水器的水力性能最优。方差分析结果与极差分析结果一致，回归分析出k和x与三个参数之间的公式。 5、压力损失在整个迷宫流道的长度上符合线性叠加规律，偏差量J和齿角度α水头损失系数影响较大。

关键词：迷宫灌水器水力性能水流阻力 PIV实验 CFD模拟

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流量对矩形迷宫灌水器旋涡的影响分析

太原理工大学学报 2015年第4期46卷 465-469页

作者：门永南李治勤太原理工大学水利科学与工程学院太原030024

以流道内旋涡区为研究对象,采用计算软件FLUENT,选用标准k-ε模型对4种流易下的矩形迷宫灌水器流场与旋涡区涡旋强度、压力变化等进行数值模拟分析,将计算结果使用TECPLOT以及AUTOCAD进行处理。结果表明,矩形迷宫灌水器内水流由较大流... 详细信息

以流道内旋涡区为研究对象,采用计算软件FLUENT,选用标准k-ε模型对4种流易下的矩形迷宫灌水器流场与旋涡区涡旋强度、压力变化等进行数值模拟分析,将计算结果使用TECPLOT以及AUTOCAD进行处理。结果表明,矩形迷宫灌水器内水流由较大流速的主流区与封闭的旋涡区组成,旋涡区一方面可以增强灌水器的消能效率与抗堵塞性能,另一方面由于零速区的存在易引起灌水器堵塞,流量变化对旋涡区流动没有影响;流量与旋涡区面积和涡旋强度呈正相关关系,同时旋涡中心点位置随着流量增大逐渐偏离灌水器壁面并向下游移动,所以在流道优化中应对公称流量下流道内旋涡区进行优化,旋涡区压力由边界向中心逐渐降低,在旋涡中心处降至最低,压力降低速度随着流量的增大而加快。

关键词：迷宫灌水器流场堵塞旋涡

矩形迷宫灌水器流量对水流流场与压力场的影响

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太原理工大学学报 2014年第4期45卷 496-499页

作者：杨爽李治勤太原理工大水利科学与工程学院太原030024

基于CFD（Computational Fluid Dynamics）流体分析软件FLUENT,以同一结构参数的矩形迷宫灌水器为研究对象。在1~10L/h范围内的5种流量条件下,对灌水器内水流流动进行数值模拟得到其水流流场与压力场。结果表明：随着流量的增大,漩涡区... 详细信息

基于CFD（Computational Fluid Dynamics）流体分析软件FLUENT,以同一结构参数的矩形迷宫灌水器为研究对象。在1~10L/h范围内的5种流量条件下,对灌水器内水流流动进行数值模拟得到其水流流场与压力场。结果表明：随着流量的增大,漩涡区流速增加导致该区扰动增强,其内存在的零速度区范围变小,流体内颗粒不易在此沉积;漩涡区的消能能力也有所增强。故在1~10L/h范围内,可适当增加流量提高迷宫灌水器抗堵塞性能及消能能力。

关键词：迷宫灌水器压力场流场抗堵塞性能漩涡

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有涡和无涡流道迷宫灌水器水力性能比较

人民黄河 2016年第2期38卷 142-144,148页

作者：麻江峰李治勤太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

分析迷宫灌水器流道内旋涡存在与否的压力流量情况,得出其对灌水器水力性能的影响。以矩形、三角形、梯形3种有涡流道灌水器模型为基础,并进行结构优化,形成相应的3种无涡流道灌水器模型,利用FLUENT软件模拟和分析6种迷宫流道内水流运... 详细信息

分析迷宫灌水器流道内旋涡存在与否的压力流量情况,得出其对灌水器水力性能的影响。以矩形、三角形、梯形3种有涡流道灌水器模型为基础,并进行结构优化,形成相应的3种无涡流道灌水器模型,利用FLUENT软件模拟和分析6种迷宫流道内水流运动情况,得出各种迷宫灌水器的压力流量关系,从而可知流量系数和流态指数。通过分析可知:同等条件下,3种有涡流道灌水器中,三角形灌水器的流量系数最小,但其流态指数最大;优化后的3种无涡流道灌水器中,三角形灌水器的流量系数最小,其流态指数也最小,说明灌水器流道结构优化后,三角形灌水器的流态指数明显降低,其水力性能得到很大提高,故应优先选用三角形无涡流道灌水器。

关键词：迷宫灌水器流道结构数值模拟旋涡水力性能

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单齿型矩形迷宫灌水器水力性能的数值分析

节水灌溉 2017年第1期 20-24页

作者：马炎超李治勤金龙王超太原理工大学水利科学与工程学院太原030024

以矩形流道灌水器以及加齿后矩形流道模型为研究对象,借助CFD流体分析软件FLUENT对不同尺寸的流道模型进行压力流量模拟分析,将分析后的结果以流道内最小过流断面为控制因素,进一步利用TECPLOT软件分析灌水器内速度流场的变化。结果表明... 详细信息

以矩形流道灌水器以及加齿后矩形流道模型为研究对象,借助CFD流体分析软件FLUENT对不同尺寸的流道模型进行压力流量模拟分析,将分析后的结果以流道内最小过流断面为控制因素,进一步利用TECPLOT软件分析灌水器内速度流场的变化。结果表明,单齿型矩形流道迷宫灌水器的水力性能优于矩形流道迷宫灌水器;在同一种尺寸的矩形流道内加齿,随着齿高的增加,流量系数和流态指数均减小;当流道内加齿处的过流断面比保持一致时,流道的流量系数随尺寸的增加而增大;并且流道尺寸越大,加齿后流态指数降低程度越大,越有利于提高灌水器的灌水质量;相比于矩形流道灌水器,单齿型矩形流道具有较好的消能效率,为进一步研制高水力性能的灌水器提供一定的理论基础。

关键词：迷宫灌水器流道结构漩涡流态指数水力性能

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不同型式迷宫灌水器水流流场与压力场比较

不同型式迷宫灌水器水流流场与压力场比较

作者：杨爽太原理工大学

学位级别：硕士

水是一种极其珍贵的天然资源,人类社会的生存和发展都离不开水。我国属于十三个严重缺水的国家之一,水资源十分紧缺。随着我国经济和人口的快速发展,人类社会对水的需求量加大,也加剧了水资源紧张的局面。因此,我国政府和相关部门提倡... 详细信息

水是一种极其珍贵的天然资源,人类社会的生存和发展都离不开水。我国属于十三个严重缺水的国家之一,水资源十分紧缺。随着我国经济和人口的快速发展,人类社会对水的需求量加大,也加剧了水资源紧张的局面。因此,我国政府和相关部门提倡节约用水,更是加大力度推广节水措施。我国是一个农业大国,年灌溉用水量巨大。但由于我国大部分地区使用传统灌溉技术,导致水资源浪费严重。现在,国际上一些国家开始应用推广节水灌溉技术,因其具有合理利用水资源、促进作物增产等优点。其中滴灌是目前较先进的一种节水灌溉技术,与管灌、喷灌等灌水技术相比较,滴灌的水利用率最高。而滴灌灌水器被认为是滴灌技术中最好的设备。滴灌灌水器具有水利用率高、环境适应力强等特点。迷宫流道则是滴灌灌水器最好的流道形式,其复杂的流道结构导致其具有很好的消能能力。水力性能优良的灌水器,其流道抗堵塞性能和灌溉均匀度都会很高。因此对灌水器水力性能的研究是十分重要的。流道结构是影响灌水器水力性能的关键因素。近些年,关于迷宫流道灌水器结构参数对水力性能的影响已做了大量的研究。但大多针对同一型式迷宫流道灌水器进行研究,而对于不同型式迷宫灌水器水力性能的比较则较少。本文选取最为常见的齿形、矩形、三角形以及梯形迷宫灌水器为研究对象。提取四种迷宫灌水器的流道结构参数,借助FLUENT软件对其流道内部水流流动情况进行模拟。模拟条件设定在3m、5m、7m等8种压力水头下,分别得到其速度矢量图、指定断面速度分布图、压力分布图、指定断面压力分布图。并计算得出压力流量关系、压力雷诺数关系、流量系数、流态指数、灌水器水头损失系数、单元流道长度的压力降、漩涡中心速度、漩涡强度等。从上述方面,对四种型式迷宫灌水器的水力性能进行研究。在数值模拟和计算结果的基础上,得出了一下结论：1)流态指数可以作为评价灌水器水力性能的指标,其值越小,灌水器水力性能越好。齿形灌水器的流态指数为四者中最小,说明齿形迷宫灌水器水力性能优于其它三种型式迷宫灌水器。而流量系数值越小,则说明灌水器出流量越稳定。齿形迷宫灌水器的流量指数最小,说明其流量的波动性最小,出流量最为稳定。2)同一压力水头条件下,四种型式迷宫灌水器的雷诺数值均大于临界雷诺数值255,说明这四种型式的迷宫灌水器均处于紊流状态,且具有较好的消能能力和抗堵塞性能。3)对比四种型式迷宫灌水器的速度矢量图发现：同一压力水头下,流道内水流流动的情况基本相似。流道内漩涡数量和位置不同。矩形迷宫灌水器含有3个漩涡,且漩涡体积较小。其它三种迷宫灌水器均含有4个漩涡,且体积很大。矩形迷宫灌水器的漩涡位置位于流道的转角处,其它三种型式迷宫灌水器的漩涡位置均靠近流道壁。齿形和三角形迷宫灌水器的漩涡范围要大于其它两种迷宫灌水器。4)分析四种型式迷宫灌水器的指定断面速度分布图可知：除去含有漩涡的断面,齿形迷宫灌水器的断面水流流动较其它三种迷宫灌水器稳定。5)齿形迷宫灌水器的水头损失系数大于其它三种迷宫灌水器。四种型式迷宫灌水器的水头损失系数均随压力水头的增加,缓慢减小。6)从漩涡强度,漩涡消能能力以及漩涡中心速度三方面比较来看,齿形迷宫灌水器的漩涡相对于其它三种型式迷宫灌水器来说,不易造成堵塞且消能能力较好。7)总体比较来说,在四种型式迷宫灌水器的纵向流道断面面积和形状、流道长度相同的情况下,齿形迷宫灌水器的水力性能优于矩形、三角形、梯形三种型式迷宫灌水器。

关键词：迷宫灌水器流道结构数值模拟水力性能漩涡强度

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迷宫灌水器堵塞与输沙能力实验研究

山西水利科技 2008年第2期 10-12,20页

作者：徐文礼李治勤太原理工大学水利科学与工程学院太原030024

针对含有0.25～0.224 mm与0.224～0.18 mm两种不同粒径泥沙的浑水,在三种灌水器进口压力、四种含沙量以及不同毛管中水流流速等情况下,当其通过迷宫灌水器时所引起的灌水器物理堵塞情况以及灌水器的输沙能力进行了实验研究,结果表明:1)... 详细信息

针对含有0.25～0.224 mm与0.224～0.18 mm两种不同粒径泥沙的浑水,在三种灌水器进口压力、四种含沙量以及不同毛管中水流流速等情况下,当其通过迷宫灌水器时所引起的灌水器物理堵塞情况以及灌水器的输沙能力进行了实验研究,结果表明:1)浑水中泥沙粒径大小是引起迷宫灌水器堵塞的主要因素,其次是灌水器进口压力。浑水中泥沙粒径越大,灌水器进口压力越高,灌水器发生堵塞的可能性越大;2)泥沙对迷宫灌水器的堵塞是一个既突然又逐步发展的过程,且泥沙总是充满灌水器流道的整个横断面;3)对粒径小于灌水器流道尺寸近1/5的泥沙颗粒而言,在一定的运行时段内,当迷宫灌水器流量不变时,其输沙能力会随着浑水含沙量的提高而提高,可以将进入其中的泥沙全部输出灌水器,对某一含沙量的浑水,灌水器输沙能力随着其流量的增大而增大。

关键词：迷宫灌水器堵塞输沙能力