专利名称：：一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法
技术领域：
：本发明涉及到一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，属节水灌溉、生态建设及农业装备制造
技术领域：
。
背景技术：
：堵塞一直是困扰滴灌技术发展的关键难题。因堵塞导致滴灌系统寿命下降，使用成本提高，灌溉质量下降。造成堵塞的原因除水质外，主要是由于不合理的流道结构形式。为此，研究滴灌灌水器的抗堵塞设计对于提高系统寿命、节约成本、提高灌溉质量具重要意义。为解决上述问题，前人也提出了许多流道结构设计方法，例如，应用流道内主航道思想，降低流道内O流速区域的方法，降低流道内旋涡区域办法等。上述这些方法为解决灌水器的堵塞问题提供了非常有益的探索，但均很难从根本上消除堵塞问题，而且上述优化设计方法的实际操作难度较高，有些在提高抗堵塞能力的同时，牺牲了灌水器的水力性能。另外，发明专利"一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法"(ZL200610018493.7)提供了一种基于两相流模拟的抗堵塞设计方法，该方法的特征是以流道内不出现固体颗粒堆积为判断标准，主要针对菱形绕流迷宫流道结构形式；该发明专利提供的方法虽然对抗堵塞设计提供了参考，但判断方法不具体，适应的范围较小。另外，该发明专利在设计过程中，主要依靠数值模拟方法，缺乏可验证的可视化观测与分析手段，难以保证结果的准确性。
发明内容针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，可用于设计各种抗堵塞流道结构形式，以不牺牲灌水器水力性能为前提，提高灌水器抗堵塞能力。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案—种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于包括下列步骤第一步，根据设计要求，确定初步堵塞滴灌灌水器流道结构形式及参数，流道结构选择梯形、矩形或者弧齿型迷宫结构，流道宽度在0.6mm1.2mm之间，流道深度为0.6mm1.0mm，并按照CFD数值模拟软件要求，选择如下数学模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>模型上方，高速摄像机位于试件模型下方，同时高速摄像机与电脑相连；第六步，按照国际抗堵塞试验标准，进行浑水试验验证，并根据试验结果定型产品，获得标准化的抗堵塞滴灌灌水器的流道结构。本发明基于计算液体动力学(ComputationalFluidDynamics,以下简称CFD)、粒子速度成像仪(ParticleImageVelocimetry，以下简称PIV)与激光快速制造(LaserRipadPrototyping,以下简称LRP)等技术，构建灌水器流道结构参数抗堵塞设计平台技术与方法，通过CFD模拟、LRP试验样品快速制造、PIV可视化测试相结合的方法进行流道结构参数的修正，然后再进行样品加工，按照相关国际标准进行浑水抗堵塞试验，最后实现产品结构定型与开模生产。该方法设计的灌水器流道结构，可实现在不降低水力性能的基础上，提高其抗堵塞能力。利用此方法对滴灌灌水器梯型流道结构进行二次优化，并对优化参数实施标准化后，灌水器正常灌水天数从未优化前的6天增加到11天，且最大含沙量从60%以上下降到5%左右；明显提高到灌水器的抗堵塞性能。图1为粒子速度成像仪可视化试验平台试验装置。图2为滴灌灌水器抗堵塞设计流程图；图3是梯形迷宫流道结构形式及结构参数；图4是固体颗粒分布等值线图；图5流道固体颗粒运动PIV观测结果；图6是按照图4等值线0.04修正后的流道结构形式图7是修正后的固体颗粒分布等值线图；图8是优化前和优化后抗堵塞性能测试对比图；其中图1中的数字分别表示储水容器(l)，潜水泵(2)，阀门(3)，压力表(4)，光源(5)，试件模型(6)，量杯(7)，高速摄像机(8)和电脑(9)。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。具体实施例方式按照本发明的技术方案，一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，具体包括下列步骤第一步，根据设计要求，确定初步的流道结构形式及参数，流道结构选择梯形、矩形或者弧齿型迷宫结构，流道宽度在O.6mm1.2mm之间，流道深度为0.6mm1.0mm，并按照CFD数值模拟软件要求，选择如下数学模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，P为产生项；小ij为应力应变项；Q，C2为系数，且Q=1.8，C2=0.6绘制相应的物理模型，并划分网格，网格数量不小于5000个。在CFD软件中进行单相流数值模拟，确定该结构参数流道的水力性能，如果水力性能能够满足设计要求，即利用数值计算获得流量与压力，按照q=khx回归，得到的流态指数约为0.50.65时，则进入下一步设计；第二步，进行CFD固体、液体两相流数值模拟试验，模拟时选择的颗粒随机轨道模型为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，Us、、、Ws为三个方向颗粒速度的分量，m/s;Ps为颗粒密度，kg/m—3;P工为液体密度，kg/m—3;u、v、w分别为三个方向的液体平均流速的分量，m/s、V'、w'分别为三个方向的液体湍流脉动速度的分量，m/S;t为时间，S;然后通过数值计算确定流道内固体颗粒的分布规律，并绘制固体颗粒分布的等值第三，选择4%的固体颗粒含量等值线修正流道边界，重新确定流道结构参数；第四，对重新确定的流道结构，再次按照第二步、第三步进行CFD数值模拟，直到达到设计要求为止；第五，对二次优化设计的灌水器流道应用LRP技术加工成高透明的测试模型，构建PIV可视化试验装置(图1)，并利用PIV分析固体颗粒及流体的实际运行情况，如果实际效果与第三步的基本相同，则进行下一步，否则修正结构参数再从第二步开始；所述的粒子速度成像仪可视化试验平台至少包括储水容器l，潜水泵2，压力表4，光源5，试件模型6，高速摄像机8和电脑9，其中储水容器1体积为30L50L;潜水泵2扬程为0.5m12m，流量为1L/h6L/h;压力表4误差为2cm水柱；光源5为1500w的新闻灯；试件模型6的材质透光度大于92%;高速摄像机8的拍摄速度大于1000帧/秒；所述的储水容器l，潜水泵2，阀门3，压力表4，试件模型6和量杯7依次相连，光源5位于试件模型6上方，高速摄像机8位于试件模型6下方，同时高速摄像机8与电脑9相连；第六步，制造模具，加工产品，按照国际抗堵塞试验标准，进行浑水试验验证，并根据试验结果定型产品。设计实施例遵循本发明的上述技术步骤，申请人设计了一种梯形迷宫抗堵塞滴灌灌水器流道结构，其具体的模拟实验效果如下。图3是某梯形迷宫流道结构及结构参数，按照上述方法绘制CFD数值模拟模型，然后进行固体、液体两相流数值模拟试验，获得如图4的固体颗粒分布等值线图，并制作相应的可视化物理模型进行PIV观测实验(图5)，结合PIV观测选取图4中较小等值线(0.04的等值线)进行边界修正，对修正后的模型进行数值模型设计(图6)、固体、液体两相流数值模拟试验获得了新的固体颗粒等值线分布图(图7)，制作物理模型进行PIV观测验证后，开发模具生产样品进行浑水抗堵塞试验，结果见图8。流道最大含沙量从原型(图4)的60%以上下降到5%左右(图7)，该流道的设计流量为2.21/h，当流量降低到1.651/h以下时，即认为发生堵塞，试验结果表明，原形的持续灌溉时间为5-6天，而优化后持续灌溉天数为11-13天，持续灌溉时间成倍增加，其抗堵塞性能得到显著改善。权利要求一种抗堵塞滴灌灌水器流道结构设计方法，其特征在于包括下列步骤第一步，根据设计要求，确定初步堵塞滴灌灌水器流道结构形式及参数，流道结构选择梯形、矩形或者弧齿型迷宫结构，流道宽度在0.6mm～1.2mm之间，流道深度为0.6mm～1.0mm，并按照CFD数值模拟软件要求，选择如下数学模型<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><mo>∂</mo><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ρu</mi><mi>k</mi></msub><mo>∂</mo><mover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>u</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mo>‾</mo></mover><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>ij</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mi>ij</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mo>∂</mo><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>μ</mi><mi>t</mi></msub><msub><mi>σ</mi><mi>k</mi></msub></mfrac><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover></mrow><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mi>μ</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover></mrow><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><msub><mi>ρϵδ</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>P</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>k</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover><mfrac><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>u</mi></mrow><mi>j</mi></msub><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>k</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover><mfrac><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>u</mi></mrow><mi>i</mi></msub><msub><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow><mi>k</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>ij</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mi>ρ</mi><mfrac><mi>ϵ</mi><mi>k</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>j</mi><mo>′</mo></msubsup></mrow><mo>‾</mo></mover><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>k</mi><msub><mi>δ</mi><mi>ij</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>ij</mi><mo>,</mo><mn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