插入式滴头对滴灌毛管水头损失影响试验及数值模拟

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在滴灌系统的水力计算当中很少考虑滴头插入导致的局部阻力的相互影响,计算局部水头损失时仅按《微灌工程技术规范》中推荐的局部阻力系数或相应的沿程水头损失的比值进行处理,以此计算出来的水头损失或偏大或偏小,影响滴灌工程设计精度。因此,为了提高滴灌系统水力计算精度,本文选用了两种较为常用的插入式滴头,对滴灌毛管局部水头损失变化规律进行了分析,采用CFD数值模拟对滴头插入引起的局部阻力的相互作用进行了研究。本文得到了如下结论:1)对于插入式滴头,毛管局部水头损失占沿程水头损失比例hj/hf大于微灌工程技术规范规定,若按规范取沿程水头损失的0.1~0.2计算局部水头损失,将导致滴灌工程设计中水头损失偏小。毛管局部水头损失占沿程水头损失比例hj/hf不仅与雷诺数、滴头间距有关,还与滴头类型有关。对于同一类型滴头,hj/hf随滴头间距减小而增大。2)滴灌毛管局部阻力系数与滴头类型、滴头间距、雷诺数有关,迷宫流道滴头基本居于0.6以上,而压力补偿式滴头介于0.3~0.5;毛管局部阻力系数随滴头间距减小而增大,随雷诺数增大而减小,且雷诺数越大,毛管局部阻力系数变化越趋于平稳;同类型滴头,毛管局部阻力系数随滴头间距减小而增大。线性回归的局部阻力系数计算公式,考虑了滴头类型、滴头间距、雷诺数对局部阻力系数的影响,可以较准确地计算因滴头插入造成的毛管局部水头损失。3)利用CFD技术能够模拟滴灌毛管实际出流情况。滴灌毛管中的流态复杂,不同类型滴头,滴头出流量,管段流速都对水头损失有影响。在滴头底部两侧出现低速漩涡区,容易导致泥沙或杂质沉淀、淤积。滴头插入与滴头出流导致毛管流量分配与重组,扰动水流流线,并持续一段范围,这就是滴头插入导致的局部阻力影响范围。4)滴头插入导致的水流紊动长度与管段进口流速、滴头毛管截面面积比,滴头流量有关。紊动长度随进口流速增大,先增大后减小,最终趋于平稳;相同滴头出流量下,紊动长度随截面面积比增大而增大。5)滴灌毛管当量长度随雷诺数增大,先增大后减小,最后趋于平稳;约在雷诺数为2000—3000时(过渡流),当量长度达到最大值。相同面积比的滴灌毛管,在相同雷诺数下,滴头流量越大,相应的当量长度越大;当滴头流量相等时,雷诺数低于10000,面积比较小的滴灌毛管其当量长度较大,雷诺数大于10000后,面积比较大的滴灌毛管其当量长度较大。通过对滴灌毛管当量长度与雷诺数、截面面积比进行方差分析与线性回归,在低雷诺数情况下,滴灌毛管当量长度主要随雷诺数变化,而随着雷诺数增大,滴头几何尺寸对滴灌毛管当量长度的影响增大。通过SPSS线性回归的公式能够估算滴灌毛管的当量长度。
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