专利名称：基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法
技术领域：
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种用于农业节水灌溉的基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1)构建灌水器迷宫型流道流态分析模型用Fluent流体分析软件专用的CFD前置处理器-GAMBIT进行流道几何建模和网格生成；
2)网格划分和边界条件设定根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，横截面采用矩形网格划分，轴向因弯曲变化剧烈，采用三角形网格划分；在流道拐弯连接处，网格取点密度为所划分尺寸的10％以下；在进出口段和两排迷宫的连接段，网格取点密度为所划分尺寸的25％～35％；同时采用加密边界层网格划分；边界条件设定入口条件Velocity-inlet为入口速度，即灌水器流量为Q＝2-4L/h时的速度值V＝0.556-1.111m/s；出口条件Pressure-outlet为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压gauge pressure为OPa。
管径L取方管的当量直径DeL=De=4ab2(a+b)=4×1×12(1+1)=1(mm)]]>其中a，b为流道横截面长和宽流量Q＝2L/h， 流体的雷诺数为Re＝554＜2100Q＝4L/h，Re＝1108＜2100进口段均为层流3)迷宫型流道流体的流动模拟用FLUENT流体分析软件中的基于非结构化网格的通用CFD求解器-FLUENT基于流体分析理论进行模拟计算，模拟结果为偏离速度主流区的弯角处都存在速度死区；4)迷宫型流道防堵结构分析及优化根据迷宫流道流体的流动模拟结果，依照流道中主流体的流线形状分布，针对存在速度死区处的流道结构去除速度死区。
采用本发明设计方法设计的圆弧迷宫型流道，其整体流动特性有很大的改善，在偏离速度主流区的弯角处的速度逆流区即流动滞止区已没有了，流道出口处上侧的速度逆流区已不存在，所以不存在速度“死区”，因而采用优化的圆弧迷宫型流道的灌水器，可提高圆弧迷宫型灌水器的抗堵性能。
2.进行网格划分和边界条件设定其网格划分如图3所示其中图3b的x、y轴为单位尺寸米；根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，进出口面为方形，采用矩形网格划分，轴向因弯曲变化剧烈，采用三角形网格划分；在流道拐弯连接处，网格取点密度为所划分尺寸的10％以下；在进出口段和两排迷宫的连接段因为形状简单，网格取点密度为所划分尺寸的25％～35％；同时采用加密边界层网格划分，便于分析沿壁面速度的变化以及观察涡旋的产生。
边界条件设定入口条件Velocity-inlet为入口速度，即灌水器流量为Q＝2-4L/h时的速度值V＝0.556-1.111m/s；出口条件Pressure-outlet为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压gauge pressure为OPa。
管径L取方管的当量直径DeL=De=4ab2(a+b)=4×1×12(1+1)=1(mm)]]>其中a，b为流道横截面长和宽流量Q＝2L/h， 流体的雷诺数为Re＝554＜2100Q＝4L/h，Re＝1108＜2100 进口段均为层流3.进行迷宫型流道流体的流动模拟应用FLUENT流体分析软件中的基于非结构化网格的通用CFD求解器-FLUENT基于流体分析理论进行模拟计算，其速度等值分布线和速度矢量分布图如图4、图5所示，偏离速度主流区的弯角处A区、B区、C区都存在速度死区；
4.迷宫型流道防堵结构分析及优化由图4、5中偏离速度主流区的弯角处A区、B区、C区可以看出流道中存在速度“死区”，因为灌水器流道宽度只有1mm，水质不好便很容易堵塞，整个灌溉系统都将会受到影响。
图6给出了两个转弯处的局部矢量图，从图中很明显可以看出在偏离速度主流区的弯角处A区、B区都有一定的速度逆流区存在，流道出口处上侧C区涡漩尤为明显，所以在设计的时候应尽量避免。
从以上分析可以看出，上述的圆弧迷宫型流道结构存在速度“死区”，根据灌水器抗堵塞结构的设计要求，参照流道内流动特性的数值模拟结果，依照流道中主流体的流线形状分布，针对存在速度“死区”处的流道结构进行优化设计，去除流道中的速度死区，优化设计的流道结构如图7，图7中R为圆弧半径。
优化的圆弧迷宫型流道的流态分析如图8，其整体流动特性有很大的改善，在偏离速度主流区的弯角处的速度逆流区即流动滞止区已基本上没有了，见图8的A区、B区，流道出口处上侧的速度逆流区已不存在，见图8的C区，所以不存在速度“死区”。因而采用优化的圆弧迷宫型流道的灌水器，可提高圆弧迷宫型灌水器的抗堵性能。
根据此优化的圆弧迷宫型流道设计抗堵结构灌水器，其设计图如图9所示，而且优化的圆弧型灌水器迷宫流道结构，减少了迷宫流道的圆弧段，且改进后的圆弧尺寸相同如图7，这可大大降低迷宫型灌水器设计和模具制造的复杂程度，节约成本并相应缩短灌水器研制周期。
权利要求
1.基于流态的微灌灌水器抗堵流道的设计方法，其特征在于1)构建灌水器迷宫型流道流态分析模型用Fluent流体分析软件专用的CFD前置处理器-GAMBIT进行流道几何建模和网格生成；2)网格划分和边界条件设定根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，横截面采用矩形网格划分，轴向因弯曲变化剧烈，采用三角形网格划分；在流道拐弯连接处，网格取点密度为所划分尺寸的10％以下；在进出口段和两排迷宫的连接段，网格取点密度为所划分尺寸的25％～35％；同时采用加密边界层网格划分；边界条件设定入口条件Velocity-inlet为入口速度，即灌水器流量为Q＝2-4L/h时的速度值V＝0.556-1.111m/s；出口条件Pressure-outlet为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压gauge pressure为OPa。管径L取方管的当量直径DeL=De=4ab2(a+b)=4×1×12(1+1)=1(mm)]]>其中a，b为流道横截面长和宽流量Q＝2L/h， 流体的雷诺数为Re＝554＜2100Q＝4L/h，Re＝1108＜2100进口段均为层流3)迷宫型流道流体的流动模拟用FLUENT流体分析软件中的基于非结构化网格的通用CFD求解器-FLUENT基于流体分析理论进行模拟计算，模拟结果为偏离速度主流区的弯角处都存在速度死区；4)迷宫型流道防堵结构分析及优化根据迷宫流道流体的流动模拟结果，依照流道中主流体的流线形状分布，针对存在速度死区处的流道结构去除速度死区。
全文摘要
一种基于流态的微灌灌水器抗堵流道的优化设计方法，通过对灌水器流道进行流动特性分析和数值模拟计算，分析流道中流体存在的明显的速度“死区”即流动滞止区，在这些流动滞止区域中水中的杂质就很容易沉积下来，作为生物滋长和化学沉积的载体，各种堵塞相互作用就会造成灌水器乃至微灌系统的堵塞，使微灌效率大大降低。因此基于流态的微灌灌水器抗堵流道设计优化方法，可针对流道中存在的速度“死区”结构进行优化设计，可使迷宫流道中流体基本可充盈整个流道，在流道中无明显的流动死区，因而进入灌水器中的杂质就不会沉积下来造成流道的堵塞，形成流态性能优异的抗堵灌水器。
文档编号A01G25/00GK1454458SQ03134229
公开日2003年11月12日 申请日期2003年6月2日 优先权日2003年6月2日
发明者卢秉恒, 魏正英, 张明远, 赵万华, 唐一平, 李涤尘 申请人:西安交通大学