基于计算流体动力学的迷宫型灌水器流量预测.pdfVIP

第43卷第4期 机械工程学报 v01．43No．4 2007年4月CHINESE 2007 JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGApr． 基于计算流体动力学的迷宫型灌水器流量预测木 张俊赵万华 醋强一唐一平卢秉恒 (西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049) 摘要：通过反求迷宫型灌水器注塑产品的实物结构，建立其流量数值预测的物理模型，分别采用层、紊流模型对 40～150 l(Pa压力下的灌水器流量进行数值计算，并相应开展该灌水器流量与压力关系的试验测试。试验结果验 证了计算流体动力学(CFD)方法预测灌水器流量的可行性，同时对比发现紊流模型的计算值更接近于试验值。通 过对迷宫流道内流场分布的研究表明，由于流道曲折度较大，其内流体流动状态的转折点大幅度提前，在雷诺数 R萨250～300之间时，流动就开始过渡到紊流状态，从而导致灌水器内的流动在40～150l【Pa压力测试范围内均 处于一种紊流状态。 关键词：灌水器计算流体动力学迷宫流道雷诺应力模型 S277．9 中图分类号：TKl24 无理论依据的单一假设(假设为层测31或紊涮41)。鉴 O前言 于此，本文根据灌水器的结构特点，建立起流量预 测的全结构物理模型，分别采用层、紊流模型对其 灌水器是将毛管(滴灌系统的最后一级管路)中 进行计算，与试验结果进行对比并从内部流动特性 具有一定压力水头的水均匀而稳定地滴入作物附近 的角度分析了原因。 土壤的一种器件。灌水器的流量Q随压力p变化的 波动程度是衡量其水力性能优劣的一大指标。二者 1 CFD数值分析 之间的关系通常用水力性能关系式9-幻攻七为流量 系数，x为流态指数)来表示。目前对新型结构灌水 1．1物理模型和网格划分 器的研究与开发通常都是在完成结构设计后，用模 为便于用试验验证分析的可行性和准确性，从 具注塑出实物产品，之后在生产线上与外管进行装 某节水灌溉产品生产企业选取了一种已与外管装配 配，最后将其接入试验装置测出流量与压力之间的 好的迷宫型灌水器为研究对象。为得到灌水器的结 对应关系。整个过程周期长而且成本高，如果试验 构尺寸，将外管剥离得到灌水器的实物结构，如图 结果不符合设计要求，则需返回修改灌水器结构以 1所示。在VH．8000光学显微系统下对灌水器结构 及相应的模具结构，势必导致更大的浪费。 尺寸进行测量，深度方向尺寸则由光学微型轮廓测 如今计算流体动力学(CFD)作为一种有效的方量仪【5J获得，考虑过滤栅格影响，略微延长出口以 法已广泛用于流体流动的数值模拟。近年来部分学 便于流体的充分发展，通过反求得到灌水器流量数 者已将此方法引入灌水器这一微小结构的研究上 值预测的物理模型，如图2所示。 来，王尚锦等…采用加罚有限元法对灌水器内流动 进行了二维数值模拟，分析了不同流量下的流动特 性，研究了雷诺数对流场的影响，并根据流场特点 对流道的局部结构进行了优化。孟桂祥等(2】对灌水 器的迷宫流道内进行三维流动分析，并根据流线分 图1 迷宫型灌水器的注塑产品实物 布对流道结构进行优化以达到自清洗目的。然而这 些工作仅仅局限于灌水器内部的流场分布状况研 究。PALAu掣3J曾进行过灌水器流量与压力之间的 关系预测分析，但计算模型却未考虑灌水器进、出口 等结构的影响，而且对其内部的水流流动状态做了