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滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟

李云开  
【摘要】:滴头是滴灌系统最关键的部件之一,我国设计主要是以引进和仿制为主,国内还没有一种具有自主知识产权而水力性能和抗堵塞性能俱佳的滴头,究其原因主要是缺乏流道设计理论指导。本文就是利用分形几何理论构造滴头流道,并将数字式粒子图像测速技术(DPIV)、平面激光诱导技术(PLIF)、计算流体动力学(CFD)理论应用于流道研发中,形成了滴头分形流道设计理论和平台,主要的研究内容与成果包括: 建立了基于CAD-CFD联合运用、滴头平面模型的滴头分形流道技术开发平台,提出了基于AutoCAD技术和读数显微镜联合应用的滴头流道几何参数测试方法。 基于分形几何构造复杂分形体的能力以及紊流本质的分形特征,创造性地利用Koch、Minkowski曲线为中心线或边界线构建了能够满足滴头制造的分形流道,实现了滴头流道的全紊流设计。经通径分析发现分形流道流量系数主要与流道横截面面积、流道长度有关;流道几何参数对流态指数影响微小,可以忽略不计,流态指数主要与流道结构形式有关。经量纲分析和圆管紊流理论分析表明流道内部流动的雷诺数R_e对流道摩阻系数λ影响很小,可以忽略不计;λ随R~(D_f)/L_n的增加而线性增加,对于滴头流道这种连续扰动引起的水头损失符合线性叠加规律。 探索性的利用显微镜物镜改装CCD相机构建了滴头流道流场的DPIV测试系统,并合作研发了DPIV示踪的荧光粒子,实现了DPIV技术与PLIF技术的结合,成功解决了流道内流动PIV测试中的图像分辨率与拍摄区域间的矛盾问题以及图像噪声干扰,国内外首次在滴头流道流动研究中实现了全场无扰测试。测试结果表明:在1.0-15.0m压力范围内分形流道与迷宫式流道内部流动为紊流,并未呈现出流态转捩行为,其主要是由于滴头流道边界复杂,更有利于水流从层流向紊流的转变;两种分形流道都存在一定的流动滞止区。 借助所构建的DPIV系统以及CFD方法对迷宫式流道内部断面平均流速以及高速区与二次流动区的大小和分布等进行研究,表明CFD数值模拟方法在滴头流道这种临界尺度流体流动研究中是适用的,并能够较为准确的预报滴头的流量-压力关系。 CFD数值模拟结果表明分形流道的紊流强度比迷宫流道的紊流强度要高,构建分形流道是同时提高水力性能和抗堵塞性能的有效途径之一。借助CFD数值试验研究提出了基于流道内部流速分布的常规滴灌和微重力滴灌用滴头分形流道优化设计方法,并建立了面向不同流量需求的滴头分形流道成型设计模式。


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