纳米滴管通道表面浸润性对杂质沉积影响的研究

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水与生命密切相关,是生命体生存依赖的重要资源,也是生命体不可或缺的重要组成部分。目前中国的水资源情况不容乐观,虽然水资源占有总量达到全球水资源的6%,但是我国的人均水资源水平只达到现有人口平均水平的25%,中国又是世界用水量最多的国家,所以综合来看缺水情况较为严重。而随着经济发展,中国的用水量逐年增长,水资源短缺与需求量增大的矛盾日益尖锐,因此就迫切需要提高各行业的用水效率。其中,农业用水量占全国用水量的比例高达70%,但是现有的农田灌溉用水使用效率只有45%左右,利用率极低,导致我国许多的农业用地连基本的灌溉需求都无法满足,也无法满足国家整体节水要求。因此,近年来我国正在大力发展新颖且实用的节水技术,其中应用较多的包括渠道防渗技术、管道输水技术、微喷技术以及微灌技术等。滴灌技术是较为热门的节水技术,属于微灌的一种,目前已经取得诸多建设性成果。滴灌实现了水肥一体化,节水增肥更能提高产量,方便统一化管理,但是同时也存在一些实际问题。其中较为棘手的问题是滴灌滴头在灌溉过程中的堵塞问题,滴灌滴头作为整个滴灌系统的重中之重,出现堵塞会影响整个滴灌的运行同时也提高了维修成本,所以研究人员一直致力于解决滴头堵塞。滴灌滴头的堵塞问题除了可以通过对灌溉水源和输运过程的严格过滤等措施解决,更为重要的是着手设计出更不易堵塞的滴灌滴头。对于这个问题的探究,现有的研究方向大多是从滴灌滴管的整体结构优化、创新流道设计和外加处理装置等方面进行,本文从滴灌滴管的材料浸润性这个新的角度着手,通过改变滴灌滴管的浸润性助力滴头堵塞问题的解决。本文基于实际滴灌滴头模型通道模型,对模型等比例缩小建立纳米滴管通道模拟模型,使用分子动力学模拟的方法,研究纳米滴管通道浸润性对通道中杂质的输运和沉积影响,研究成果如下:(1)研究了在亲水性通道、中性通道、疏水性通道三种纳米滴管通道中水的不同输运情况。通过分别研究在三种不同浸润性通道中水的均方位移、速度分布情况和界面流场情况,得到了水在三种浸润性纳米滴管通道中的输运结果,在疏水性滴管通道中水的输运速度最快,中性通道次之,亲水性通道水的输运速度最慢。(2)在纳米滴管通道水体系的基础上加入杂质粒子,研究了三种不同浸润性纳米滴管通道中杂质的沉积情况。通过分析纳米滴管通道中粒子的密度分布,发现在三种不同浸润性的纳米滴管通道中,杂质粒子都是倾向于沿着纳米滴管通道边缘运动。(3)研究了杂质粒子在三种不同浸润性纳米滴管通道的输运情况。通过对均方位移、速度分布图和流场矢量图的分析,可见杂质粒子在亲水性通道、中性通道、疏水性通道的运动速度依次增大,即疏水性通道更利于杂质粒子的输运。从研究结果中可以看出,选择疏水性材料制作滴灌滴头,更利于杂质粒子的输运,从而避免滴灌滴头通道的堵塞;而在过滤通道中的杂质时,选取亲水性材料制作滴灌滴头,可以提高对杂质粒子的过滤效果。
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