微灌压力调节器流场流固耦合数值分析与试验研究

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压力调节器是微灌系统中的重要设备之一,在农业灌溉中广泛应用。当上游进口端压力改变时,通过压力调节器,保持出口压力稳定。目前,我国对压力调节器的调压机理研究较少,且对微灌压力调节器的内部流态等研究少有涉及。通过数值模拟软件对压力调节器的调压过程进行数值计算,可以对调压过程的内部流场分布等进行分析,明确调压过程中各部件的运动过程,对于压力调节器的研制与开发具有指导意义。本文以弹簧式压力调节器和弹簧膜片式压力调节器为研究对象,通过流固耦合数值计算与样品试验相结合的方法研究压力调节器的调压过程,进而探讨压力调节器的调压机理。取得的主要结论如下:(1)通过流固耦合模拟计算和样品试验比较,发现通过流固耦合方法获得的直动式压力调节器的出口压力及流量与样品试验得到结果基本一致,平均误差在10%以内,通过流固耦合数值计算方法研究微灌压力调节器调压过程可行。(2)对典型弹簧直动式压力调节器的调压过程进行数值分析后发现:当进口压力小于初始起调压力时,腔内流场分布均匀;达到初始起调压力时,腔内涡漩面积增大,涡漩处流速增大;腔内最大流速发生在调节组件背水面,且随着进口压力的增大而迅速增大;调节组件开始轴向运动,调节组件表面压力差逐渐增大。进口压力处于该值与稳定调节压力之间时,调节组件移动速度较大;进口压力达到稳定调节压力后,调节组件轴向位移随着进口压力的变化而最后稳定在13mm~13.8mm之间并呈波动性变化,从而保持出口压力的稳定。(3)通过对弹簧膜片式压力调节器进行三维流固耦合计算与水力性能对比验证,发现两者压力的相对误差为4%以内,流量的相对误差为10%以内,流固耦合方法适合研究弹簧膜片式压力调节器的调压过程。(4)弹簧膜片式压力调节器在进口压力增加到115KPa前,调节组件的轴向位移非常小,但弹性膜片由于受水压的影响,变形较为明显。两者在达到起调压力前的过程中,位移增速比较平缓。当进口压力达到起调压力时,调节组件和弹性膜片的轴向位移迅速增大,分别由115KPa时的1.59E-05mm和0.5mm增加到118KPa时的3.77mm和3.58mm,且移动速率在进口压为118KPa时达到极值,而后增幅相对减小。进口压力达到调节压力之前,压力损失主要发生在调节组件内;调节器进入稳定工作状态后,压力损失主要发生在调节组件与进口花篮堵头附近,该处压力损失占进口压力的20.6%,且随进口压力的增加而进一步增大。
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