双内齿参数对迷宫灌水器水力性能的影响

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水是人类社会赖以生存的资源,也是人类进步与发展的战略性经济资源。但是随着经济发展与人口剧烈增长,水资源短缺已经成为全人类共同面临的问题,我国更是世界上严重缺水的国家之一。同时,由于水体污染和水资源浪费现象普遍存在,我国水资源正处于供需紧张的局面。因此,为了缓解我国水资源紧缺的情况,提高水利用率以及实现水资源的供需平衡,我国必须全面推行节水技术。  作为农业大国,我国每年灌溉用水量巨大,农业用水大约占国民用水总量的73%。但是我国仍然使用传统的大水漫灌技术,水资源浪费十分严重。因此,推广节水灌溉技术是对水资源合理分配、农作物高产的一项重要举措。目前,滴灌作为比较先进的灌溉技术之一,农作物对水资源的吸收率比管灌、喷灌等灌溉技术更高。其中,灌水器是滴灌系统的关键部件,迷宫流道更是凭借其复杂的边壁结构对水流具有较好的消能效果,是滴灌灌水器中最好的结构形式。  目前国内外学者对迷宫流道的研究较多,但是大部分流道断面面积都在1mm左右,抗堵塞性能较差。为了提高灌水器抗堵塞性并且优化其水力性能,本文在矩形迷宫灌水器的竖向、横向流道处均加入内齿,通过改变流道内的边壁结构形成双内齿矩形迷宫流道灌水器。在一个单元的迷宫流道内,竖向流道内的内齿位置位于左上侧与右下侧、左下侧与右上侧,横向流道内齿位置为有涡侧与无涡侧。本文采用物理试验方法验证了内齿相对位置对灌水器水力性能的影响,并且进一步采用数值模拟的方法,研究了断面尺寸分别为1.5×1.5mm、1.7×1.7mm、2.0×2.0mm、2.5×2.5mm的E型双内齿矩形迷宫灌水器,分别命名为E1.5、E1.7、E2.0、E2.5型灌水器;流道宽度与深度均与相对应的双内齿矩形迷宫灌水器加齿处的宽度保持一致的G型普通矩形迷宫灌水器,分别命名为G1.5、G1.7、G2.0与G2.5型灌水器;流道宽度与相对应的双内齿灌水器加齿处的流道宽度相同、流道深度与所对应的双内齿灌水器无齿处的流道宽度相同的F型普通矩形迷宫流道灌水器,分别命名为F1.5、F1.7、F2.0与F2.5型灌水器。主要研究流道内水力性能与内齿相对位置、内齿高度、内齿间距、灌水器断面尺寸的变化关系,最后通过上述各个灌水器的压力~流量曲线、流量系数以及流态指数,可以分析内齿参数与断面尺寸对其水力性能的影响。通过以上分析,可以得出以下结论:  1)E、F、G型迷宫流道内流量与压力水头的变化保持一致,呈正相关变化关系。  2)内齿参数对双内齿矩形迷宫灌水器流态指数的影响顺序为:内齿相对位置>内齿高度>内齿间距;其中,在E1.7、E2.0与E2.5型灌水器中,内齿位置与内齿高度对流态指数影响显著,内齿间距对流态指数不具有显著影响;在E1.5型灌水器中,只有内齿位置对流态指数影响显著。  3)在双内齿矩形迷宫灌水器中,内齿参数对流量系数的影响顺序为:内齿高度>内齿间距>内齿相对位置;并且这三个内齿参数均对流量系数影响显著。  4)在E1.5、E1.7、E2.0与E2.5型灌水器中,流态指数最小的内齿参数水 平组合为A1B1C3,即在竖向流道左上侧与右下侧、横向流道无涡处加入内齿,内齿间距为流道宽度的29.4%,内齿高度占流道宽度的52.9%;流量系数最小的水平组合为A1B1C4,即在竖向流道左上侧与右下侧、横向流道无涡处加入内齿,内齿间距为流道宽度的29.4%,内齿高度占流道宽度的64.7%。  5)对于双内齿矩形迷宫灌水器与普通矩形迷宫灌水器而言,流量系数随着流道断面尺寸的增大而增大,流态指数随着断面尺寸的增大而减小,从变化程度来分析,断面尺寸对流量系数的影响高于其对流态指数的影响。  6)对于相同形式、不同断面尺寸的双内齿矩形迷宫灌水器,同压力下的流量随断面尺寸的缩小而降低;根据压力~流量变化曲线可知,断面尺寸越小,曲线更加平缓,即流量随压力的变化更小,水力性能更好。  7)通过对E、F、G这三种类型的灌水器进行数值模拟可以得出:G型灌水器的压力~流量曲线最为平缓,即流量随压力的波动最小,但是其流态指数在三种灌水器中是最大的,流量系数最小;E型灌水器的压力流量曲线排名第二,其流态指数是最小的,流量系数仅次于G型灌水器;F型灌水器的压力~流量曲线最陡,水力性能最差。这说明灌水器的水力性能不仅与流态指数有关,也与流量系数有关,应该综合考虑这两方面的因素。  8)E型灌水器的压力~流量曲线的平缓程度仅次于G型灌水器,但是其断面面积却大于G型,可以预期E型灌水器的抗堵塞性能会优于G型,由此可以推断出E型双内齿迷宫灌水器的水力性能较优。
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