专利名称：一种迷宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法
技术领域：
本发明涉及农业灌溉经常使用的滴灌灌水器的设计方法，特别涉及一种 迷宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法。
背景技术：
滴灌灌水器是滴灌系统的核心部件，灌水器的水力性能与抗堵塞能力直 接决定了滴灌工程的灌溉质量与系统寿命，因此合理设计滴灌灌水器，提高 其抗堵塞能力与水力性能对改善滴灌系统性能，提高系统使用寿命，降低系 统成本都具有重要的意义。目前滴灌灌水器的流道结构形式常采用迷宫结构 形式，该结构生产的滴灌灌水器水力性能和抗堵塞能力是一对矛盾，当水力 性能达到一定程度时，必然导致其抗堵塞能力下降，反之依然。科学的灌水 器结构设计方法是在保证一定水力性能的基础上，完善结构参数设计，使其 抗堵塞能力达到最大化，或者在保证一定抗堵塞能力的基础上，实现水力性 能的最大化。为了提高滴灌系统的抗堵塞能力，目前采用的方法为-
方法一，提高过滤装置的过滤能力。该方法是通过网式、叠片式或者离 心式等过滤装置过滤水中的固体物质，减少进入灌水器中固体颗粒。这些过 滤装置是目前滴灌系统的必备装置，但其过滤能力只能保证在一定范围内， 不可能完全消除水中的固体颗粒。另外，随着这些过滤装置过滤能力的提高， 必然导致水头损失的急剧升高，灌溉成本(设备投资与运行费用)也急剧升 高。因此，该方法是必须的，但不是唯一的，也无法根本解决系统堵塞问题。
方法二，研制特殊材料与结构的灌水器，如日本、埃及等提出了用陶瓷 材料制造专门滴头，使水流渗入土壤，基本排除了颗粒堵塞与负压吸泥堵塞 等现象。但该装置体积庞大，安装使用非常烦琐，使用范围非常小(只能适用于果树灌溉或者单株作物灌溉)，不宜生产、运输与安装。
方法三，在滴头上加装附加设备，以提高水流的紊动或者增加过滤能力。 例如，已经公开的中国专利"利用波动防止滴头堵塞的方法及波动防堵滴头"
(申请号:98110554.8)，"多变量抗堵塞滴头"(申请号:200810017757.6)
等通过安装水流波动或者滴头套过滤装置来提高抗堵塞能力。这些技术方案 的缺点是增加了专门的装置，造成成本的增加，而且，这些滴头的结构复杂， 也不利于在目前的滴灌企业生产线生产，产品安装使用也非常不方便。
方法四，人为縮短系统设计寿命，降低堵塞的影响。该方法必然提高了 滴灌带的更新频率，导致劳动力与经费的浪费，也对农田环境造成更大的污 染压力。
为了提高滴灌工程的抗堵塞能力，延长系统寿命，其根本方法应该是综 合考虑过滤装置和灌水器抗堵塞能力，以及系统的设计寿命。而灌水器本身 的抗堵塞能力是解决问题的关键。为此，我国有关学者提出了消除流道内旋 涡区的流道设计方法以及弧形流道结构形式的灌水器，这些方法在提高灌水 器抗堵塞能力的同时， 一定程度上降低了灌水器的水力性能，不是最科学的 灌水器抗堵塞设计方法。
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，提供一种迷 宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法，该方法利用CFD模拟灌水 器流道内含沙量分布，并以较小含沙量等值线作为流道的新边界线，进一步 重新进行流道结构设计，该方法设计的灌水器可有效提高固体颗粒在流道内 分布的均匀程度，大幅度提高灌水器的抗堵塞能力。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案
一种迷宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法，其特征在于，包
括下列步骤第一步，按照常规灌水器迷宫结构图样设计出整个灌水器的流道和流道
边界线；
第二步，采用通用绘图软件，或者CFD数值模拟FLUENT软件GamBit 模块，绘制流道初始结构，并把绘制好的流道初始结构导入FLUENT软件 的GamBit模块进行网格划分，然后在计算模块中选择数学模型，最后进行 数值模拟，绘制流道内的含沙量等值线所述的数学模型包括模拟迷宫流道内含沙量分布的Eulerian多相流模 型，模拟水力性能的RNG-f湍流模型，确定数值模拟的边界条件，给定平 均含沙量、进口工作压力和出口压力；
第三步，在含沙量等值线图中选择靠近流道边界线且含沙量较小的等值 线作为新的流道边界线，构成新的灌水器流道结构形状；在选择较小含沙量 等值线时，尽量选择连续贯通整个流道的等值线，当有多条含沙量等值线连 续贯通整个流道时，可以任选择一条当作较小含沙量等值线；
第四步，对新的灌水器结构形状，再次按照第二步、第三步的操作进行 CFD数值模拟，并再次绘制含沙量等值线图，当新绘的含沙量等值线图中 最大含沙量值与平均含沙量的比值小于5时，即认为达到设计要求，确定新 的灌水器流道结构形状；否则把第三步获得的新的灌水器流道结构重新作为 初始灌水器结构形状，并重新从第二步开始操作，直到达到设计要求为止；
第五步，为了便于机械加工，对第四步获得的以较小含沙量等值线为流 道边界线的新流道结构，进行标准化设计，标准化设计采用折线近似代替不 规则的含沙量等值线，获得标准化的抗堵塞迷宫流道结构。
本发明实际是一种以CFD (computational fluid dynamics) 二相流模拟 的流道较小含沙量等值线为流道边界线的灌水器抗堵塞设计方法，该方法优 化了灌水器的流道结构参数，设计的灌水器与初始流道结构形状的灌水器相 比较，流道内含沙量分布更加均匀，基本消除了大量固体颗粒堆积在流道壁面的现象，使灌水器的抗堵塞能力提高了 1倍，使用寿命达到原来的2倍， 而其水力性能与原型保持不变，产品的成型工艺及材料用量完全与目前产品 相同。
图l是初始流道结构示意图2是含沙量等值线示意图3是优化后的流道结构示意图4是用直线代替不规则线的近似过程示意图5是标准化设计的优化流道结构示意图6是一个具体设计实例的初始流道结构图7是设计实例的初始结构含沙量分布图8是一次优化后的含沙量分布图9是二次优化后的流道结构形式及含沙量分布图IO是实例标准化设计流道结构及含沙量分布其中，图1至图5中的标号分别表示1、初始结构流道边界线，2、流
道，3、较小含沙量等值线，4、近似代替不规则等值线的折线，5、标准化
设计的新流道边界线。
以下结合附图和发明人给出的设计实施方法对本发明作进一步的详细 说明。
具体实施例方式
参见附图，本发明的迷宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法 法，包括初始流道结构形式的绘制、二相流数值模拟绘制含沙量等值线图、 流道边界线重新设计、流道结构形式定型与流道边界线标准化设计等五部
分，具体设计方法是
第一步，按照常规灌水器迷宫结构图样，设计出灌水器结构的初始结构 如图1所示，图1中虚线框的部分称为灌水器结构的一个流道单元，包括流
7道边界线1和流道2，整个灌水器流道结构就是由多个流道单元通过复制平 移形成的。
第二步，采用通用绘图软件AUTOCAD等，或者CFD数值模拟FLUENT 软件(该软件为美国ANSYS公司的商业软件)的GamBit模块绘制灌水器 的初始结构形式，并把绘制好的灌水器的结构形式导入FLUENT软件的 GamBit模块进行网格划分，然后在计算模块中选择数学模型(采用Eulerian 多相流模型模拟迷宫流道内的含沙量分布、采用RNG- f湍流模型模拟水力 性能，这些模拟方法与模型在计算流体力学相关教材中都有详细介绍)，确 定数值模拟边界条件(壁面条件)，给定平均含沙量、进口工作压力与出口 压力，最后进行数值模拟，绘制含沙量等值线图(如图2所示)。
第三步，在含沙量分布等值线图(图2)中选择离流道边界1较近的较 小含沙量等值线3作为新的流道边界，确定新的灌水器流道结构形状如图3 所示。选择较小含沙量等值线时，尽量选择连续贯通整个流道的等值线，当 有多条含沙量等值线连续贯通整个流道时，可以任选择一条当作较小含沙量 等值线。
第四步，对新的灌水器结构形状(图3)，再次按照第二步、第三步的 操作方法进行CFD数值模拟，并再次绘制与图2类似的含沙量等值线图， 当新绘的含沙量等值线图中最大含沙量值与平均含沙量的比值小于5时，即 认为达到设计要求，确定新的灌水器流道结构形状；否则把第三步获得的新 的灌水器流道结构形状(图3)作为初始灌水器结构形状，并重新从第二步 开始操作，直到达到要求(最大含沙量值与平均含沙量的比值小于5)为止。
第五步，上述过程中获得新结构形式(图3)是以较小含沙量等值线为 流道边界线，由于含沙量等值线是不规则线段连接，而且在不同流道单元中 的曲线形状并不完全一样，这种灌水器流道结构形状不便于机械加工，为了 提高流道结构的规范性，并易于机械加工，需要对新的流道结构形状(图3)进行标准化设计。标准化设计过程就是用折线近似代替不规则的含沙量等值
线的过程，其标准化过程如图4所示，即用图4中的折线4近似代替图2 中的较小等值线3，并获得一系列参数x/、x2、;d、……、:c"，^、:^、;d、……、
>;"，z7、 z2、 z3、 ......、 zw及"/、 "2、 "3、 ......、分别取平均值，获
得4个参数jc、y、z、w，即x=(jc7+jc2+x3+......+;cw)/"，:v=(y7+:v2+>^+ '+y")/m
2=(z7+z2+z3+......+z")/"， w=("7+"2+m3+......然后，在初始结构流道
边界线1的基础上，用x、》z、"等4个参数重新设计获得标准化流道边 界线5的抗堵塞迷宫流道结构(图5)。把图5所示的灌水器流道结构形状 作为定型的灌水器流道结构形状，并以型的灌水器流道结构形状开发模具， 生产出的灌水器成品按规范进行水力性能与抗堵塞试验。
为了更清楚地解释上述设计过程，举设计实例如下-
选择如图6所示灌水器迷宫流道结构图样为初始流道结构形状，图中 a=75°， /r=1.0mm， w=1.0mm， d=0.8mm， 6=2.07，流道单元数为9个。
CFD模拟采用Eulerian多相流模型模拟迷宫流道内的含沙量分布、采用 RNG- f湍流模型模拟水力性能。灌水器入口压力50kPa，出水口压力为 0kPa，考虑重力作用，数值计算采用有限体积法离散控制方程，对流项等各 参数的离散都采用二阶迎风格式，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法求 解，收敛精度为10—4。平均含沙量为1%。按照前面的第一步、第二步操作， 绘制的初始流道结构的含沙量等值线如图7。
选择图7中含沙量为0.04的等值线作为流道边界，按照上述第三步与第 四步操作过程，绘制新的灌水器结构形状，并CFD模拟含沙量等值线如图8 所示。
图8中最大含沙量为0.10，是平均值(1%)的10倍，不符合最大含沙 量值与平均含沙量的比值小于5的设计标准，需要进行第二次优化。
第二次优化选择图8中含沙量为0.02的等值线作为新流道边界线，进行前述第一步至第四步的操作，获得新灌水器流道结构图形及含沙量等值线
如图9所示。
图9中的最大含沙量(0.03)为平均含沙量(1%)的3倍，即符合设计 要求。把图9中的灌水器流道边界线与图7中的灌水器流道边界线进行对比， 按照上述第五步的方法，获得标准化设计参数Fl.lmm，尸0.6mm，z^.3mm， 『0.3mm，并进行标准化设计与CFD数值模拟，获得的标准化灌水器流道 结构形状及含沙量等值线如图IO所示。
从图10中可以看出，最大含沙量为0.04，是平均含沙量(1%)的4倍， 约是初始结构流道形状的最高含沙量(图7) 0.61的1/15。为了检验其水力 性能及实际抗堵塞能力，分别对图7与图10的灌水器流道结构形状开发模 具，生产了相应的迷宫结构的滴灌带，并按照国家灌水器性能测试的标准方 法(GB/T 17187-1997农业灌溉设备滴头技术规范和试验方)与短周期堵 塞测试程序(ISO标准ISO/TC23/SC18/WG5N4)进行性能测试，结果见 下表。
表实例灌水器水力性能测试结果
测试对象流量系数流态指数堵塞前浑水 试验次数
实例初始流道结构0.980.4915次
实例标准化流道结构0.980.48711次
从上表可以看出，采用本发明的方法设计的灌水器流道结构的流态指数
略小于实例中初始流道结构，而可使用次数是实例中初始流道结构的2倍， 说明按照本发明设计的新灌水器流道结构形状可以有效地提高灌水器的抗 堵塞能力，显著提高灌水器的寿命，并保持原型灌水器的水力性能。
10
权利要求
1、一种迷宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法，其特征在于，包括下列步骤第一步，按照常规灌水器迷宫结构图样设计出整个灌水器的流道和流道边界线；第二步，采用通用绘图软件，或者CFD数值模拟FLUENT软件GamBit模块，绘制流道初始结构，并把绘制好的流道初始结构导入FLUENT软件的GamBit模块进行网格划分，然后在计算模块中选择数学模型，最后进行数值模拟，绘制流道内的含沙量等值线图；所述的数学模型包括模拟迷宫流道内含沙量分布的Eulerian多相流模型，模拟水力性能的RNG-ε湍流模型，确定数值模拟的边界条件，给定平均含沙量、进口工作压力和出口压力；第三步，在含沙量等值线图中选择靠近流道边界线且含沙量较小的等值线作为新的流道边界线，构成新的灌水器流道结构形状；在选择较小含沙量等值线时，尽量选择连续贯通整个流道的等值线，当有多条含沙量等值线连续贯通整个流道时，可以任选择一条当作较小含沙量等值线；第四步，对新的灌水器结构形状，再次按照第二步、第三步的操作进行CFD数值模拟，并再次绘制含沙量等值线图，当新绘的含沙量等值线图中最大含沙量值与平均含沙量的比值小于5时，即认为达到设计要求，即确定新的灌水器流道结构形状；否则把第三步获得的新的灌水器结构重新作为初始灌水器流道结构，并重新从第二步开始操作，直到达到设计要求为止；第五步，为了便于机械加工，对第四步获得的以较小含沙量等值线为流道边界线的新流道结构，进行标准化设计，标准化设计采用折线近似代替不规则的含沙量等值线，获得标准化的抗堵塞迷宫流道结构。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的标准化过程是用多段相互连接的直线近似代替较小含沙量等值线，获得灌水器流道边界型线的 系列参数，分别对各个系列参数求取平均值，获得流道边界型线的各个标准 化设计参数，然后，以初始流道结构形状为基础，用流道边界型线的标准化 设计参数获得标准化的抗堵塞迷宫流道结构。
全文摘要
本发明公开了一种迷宫流道结构灌水器的抗堵塞流道结构设计方法，包括初始流道结构形状的绘制、二相流数值模拟绘制含沙量等值线图、流道边界线重新设计、流道结构形状定型与流道边界线标准化设计等五部分，该方法优化了灌水器的流道结构参数，设计的灌水器与初始流道结构形状的灌水器相比较，流道内含沙量分布更加均匀，基本消除了大量固体颗粒堆积在流道壁面的现象，使灌水器的抗堵塞能力提高了1倍，使用寿命达到原来的2倍，而其水力性能与原型保持不变，产品的成型工艺及材料用量完全与目前产品相同。
文档编号G06F17/50GK101551828SQ20091002166
公开日2009年10月7日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者吴普特, 喻黎明, 牛文全, 范兴科 申请人:西北农林科技大学