不同类型滴头毛管局部水头损失研究

发布时间：2017-12-18 15:18

  本文关键词：不同类型滴头毛管局部水头损失研究

  更多相关文章： 局部水头损失 毛管 滴头 量纲分析 数值模拟

【摘要】：滴灌设计时,灌水均匀度是评价滴灌设计是否合理的重要指标,而准确计算滴灌管局部水头损失是确定灌水均匀度的基础。本文以工程实践中常用的装有3种不同类型滴头的毛管为研究对象,采用室内灌水试验结合量纲分析和CFD数值模拟等研究技术,探讨了滴头引入对毛管压力水头的影响机制,通过分析滴头处流速和压力的变化阐明了相关因素对滴头局部水头损失的作用机理,进而优化回归得到不同类型滴头局部水头损失计算表达式,以期为完善和丰富滴灌水力设计理论提供科学依据。主要研究内容包括以下几点:(1)以工程中常见的4种滴头插入式滴灌管为研究对象,通过室内灌水试验和CFD数值模拟相结合的方法,分析了在层流和紊流两种流态下,滴头形状和雷诺数对插入式滴灌管滴头局部水头损失的影响。插入式滴头毛管水头损失数值模拟与试验吻合度较高。层流和紊流流态下,滴头插入式毛管局部水头损失系数均随雷诺数的增大而减小,随滴头毛管断面面积比的增大而增大。局部水头损失主要包括三部分的能量损耗,滴头段水流粘滞阻力消耗的能量,能量转化过程中损失的机械能和由滴头插入引起的尾部回流区消耗的能量,其中滴头尾部回流消耗的能量是引起局部水头损失的主要原因。(2)以前期研究的滴头插入式滴灌管为研究对象,设置6组不同滴头间距进行灌水试验,采用室内试验结合CFD数值模拟研究滴头局部阻力间的相邻影响并分析其影响因素。滴头局部阻力相邻影响系数模拟结果与试验结果基本吻合,CFD数值模拟可呈现滴头附近水流扰动状态,揭示滴头局阻相邻影响发生机理。滴头局部阻力相邻影响系数主要受滴头间距影响,雷诺数对其影响可忽略不计。滴头局部阻力相邻影响系数随滴头间距的减小而减小。滴头前后扰动范围和流速分布的变化是滴头局部阻力产生相邻影响的主要原因。滴灌设计中当插入式滴头间距小于0.5 m时,应考虑滴头局部阻力间的相邻影响,相邻影响系数取值范围为0.85~1。(3)以常见的4种内镶圆柱式滴灌管为研究对象,对其进行灌水试验同时采用CFD数值分析,在验证模拟与试验吻合良好的基础上,对12种滴灌管进行了模拟研究,通过量纲分析研究了毛管局部水头损失影响因素。滴头内径偏差较小时,滴灌管局部水头损失模拟值与试验值吻合度较高,滴头内径偏差较大时,局部水头损失模拟值略小于试验值,实测滴灌管滴头内径存在偏差是造成实测结果与模拟结果存在误差的主要原因。量纲分析可得滴灌管局部水头损失之结构关系式,数值模拟可确定各因式之系数。内镶圆柱式毛管局部水头损失与毛管内径、滴头内径、滴头长度、水流流速、水流运动黏滞系数有关,滴头内径对其影响最大。在不需要精确计算毛管局部水头损失时,可忽略温度对局部水头损失的影响。(4)基于之前对内镶圆柱式滴灌管局部水头损失的深入研究,考虑截面固定圆形滴灌带与工程实际中管径变化非圆形滴灌带断面形状不统一的事实,以6种不同壁厚的滴灌带为研究对象,通过实测压力与滴灌带断面形状的关系,查明了包含滴头断面形状在内的内镶贴片式滴管带局部水头损失影响因素。滴灌带过水断面形状会随压力的改变而改变,当压力值大于形变临界压力时,其过水断面近似为圆形,当压力值小于形变临界压力时,其过水断面近似为椭圆形。滴灌带形变临界压力与滴灌带壁厚呈线性相关,壁厚越大滴灌带形变临界压力越大,壁厚越小滴灌带形变临界压力越小。滴灌带局部水头损失滴灌带断面形状、滴头长度、滴头宽度、滴头厚度有关,滴灌带断面形状对其影响很大。当滴灌带断面形状为圆形时,可直接采用拟合公式计算局部水头损失,当滴灌带断面形状为椭圆时,需先确定滴灌带的扁平程度,再使用拟合关系式计算滴头局部水头损失。(5)依赖前文研究获得的不同类型滴头局部水头损失计算式,通过分段处理和逐步推算的计算方法分析了不同类型滴头毛管局部水头损失对总水头损失的贡献作用及其与沿程水头损失比值关系。滴头局部水头损失与滴头间距、滴头流量密切相关,滴头局部水头损失随滴头间距的减小和滴头流量的增大而增大。对于相同滴头间距、滴头流量和管径的毛管,插入式滴头和内镶圆柱式滴头局部水头损失相对较大,内镶贴片式滴头局部水头损失相对较小。分别得到2种不同类型滴头毛管水头损失扩大系数计算表达式,毛管水头损失扩大系数与滴头间距和滴头流量有关,其中滴头间距对其影响尤其明显;滴灌常见工况下滴头插入式毛管水头损失扩大系数范围为1.37~2.49,内镶圆柱式毛管水头损失扩大系数范围为1.18~2.89,内镶贴片式滴管带水头损失扩大系数范围约为1.1~1.2。对于3种不同类型滴头,层流流态下毛管水头损失值均相对较小,在无需精确计算时可忽略层流段毛管水头损失。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S275.6

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