滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其分形流道滴灌灌水器產(chǎn)品的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其分形流道滴灌灌水器產(chǎn)品。該方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能，主要包括模擬方法建立、流道構(gòu)型選擇、結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、流道邊界優(yōu)化等階段；借助最優(yōu)數(shù)值模擬模型確定了滴灌灌水器流道的最優(yōu)流道構(gòu)型及結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍，明確了滴灌灌水器初級(jí)雛形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；提出了一種滴灌灌水器流道邊界的漩渦洗壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了邊界優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制閾值范圍，確定了二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；應(yīng)用本發(fā)明所提出的設(shè)計(jì)方法結(jié)合分形幾何理論，設(shè)計(jì)了片式和圓柱式兩種分形流道灌水器產(chǎn)品，具有極高的水力性能和抗堵塞性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其分形流道滴灌灌水器產(chǎn)品
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及高效節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器 流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其分形流道滴灌灌水器產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002] 滴灌系統(tǒng)的滴灌灌水器（即滴頭)堵塞問(wèn)題解決的好壞程度直接影響系統(tǒng)灌水均 勻度、使用壽命和運(yùn)行效益。尤其是目前全球水資源緊缺和水污染嚴(yán)重并存，再生水、地表 微污染水、高含沙水、微咸水等非常規(guī)水源也常?；赜糜谵r(nóng)田灌溉，其復(fù)雜的水質(zhì)情況極大 的增加了滴灌灌水器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，也使得堵塞機(jī)理更為復(fù)雜。
[0003] 解決滴灌灌水器堵塞問(wèn)題，關(guān)鍵就是提升自身抗堵塞能力。對(duì)滴灌灌水器結(jié)構(gòu)進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升滴灌灌水器對(duì)顆粒物的輸移能力及壁面的自清洗能力是提升滴灌灌水器 自身抗堵塞能力的有效途徑。滴灌灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于消能流道設(shè)計(jì)。迷宮流道是消 能流道設(shè)計(jì)中最為常見(jiàn)的形式，但由于迷宮流道的復(fù)雜性，消能機(jī)理與設(shè)計(jì)理論研究的缺 失，導(dǎo)致傳統(tǒng)的滴灌灌水器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程缺乏設(shè)計(jì)知識(shí)的積累，主要依托注塑模具設(shè)計(jì)與 制造工藝，仿造國(guó)外先進(jìn)的滴頭結(jié)構(gòu)，一個(gè)產(chǎn)品的定型需要若干次反復(fù)修改，尤其在模具加 工階段，并且若零件試驗(yàn)性能不能滿(mǎn)足產(chǎn)品要求，必須從模具修改開(kāi)始，甚至模具還有報(bào)廢 的風(fēng)險(xiǎn)。這樣的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期一般為4-5個(gè)月，成本一般在5萬(wàn)元以上，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造價(jià) 極高，最為重要的是產(chǎn)品精度得不到保證。
[0004] 也有部分專(zhuān)家學(xué)者提出了滴灌灌水器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。如：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊培嶺 等提出了一種抗堵塞滴灌灌水器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)減小流道特征部位結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了優(yōu)化（中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710063794.6);中國(guó)水利水電科學(xué)研究院王建東等提 出一種低壓滴灌鋸齒形灌水器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法通過(guò)試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方 式對(duì)灌水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201220669437.0)。上述方法均只是 著重于對(duì)灌水器流道邊界進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是并未確定流道邊界設(shè)計(jì)的控制閾值范圍，更 未提出面向流量設(shè)計(jì)需求的一整套滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明在已有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)理論與過(guò)程中存在弊端的基 礎(chǔ)上，提出了一種面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法在設(shè)計(jì)過(guò)程 中綜合考慮了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能，本發(fā)明應(yīng)用該方法開(kāi)發(fā)了片式和圓柱 式兩種水力性能與抗堵塞性能倶優(yōu)的分形流道滴灌灌水器產(chǎn)品，本發(fā)明使得在國(guó)際范圍內(nèi) 滴灌灌水器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生質(zhì)的提升。
[0006]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，根據(jù)用戶(hù)所提出的流量設(shè)計(jì)需求，在若干用戶(hù)所提出的流道構(gòu)型中，確定 最優(yōu)流道構(gòu)型；
[0009] 步驟2,通過(guò)試算抗堵塞性能評(píng)估參數(shù)P的值和流量系數(shù)k的值，來(lái)確定最優(yōu)流道構(gòu) 型的最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0010] 所述流道結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:寬度W、長(zhǎng)度L和深度D;
[0011] 所述抗堵塞性能評(píng)估參數(shù)P用于評(píng)估滴灌灌水器的抗堵塞性能的優(yōu)劣，P的值越 尚，抗堵塞性能越好；
[0012] 所述流量系數(shù)k用于評(píng)估滴灌灌水器的出流流量隨進(jìn)口壓力波動(dòng)的敏感程度，k的 值越小，滴灌灌水器的出流流量隨進(jìn)口壓力波動(dòng)的敏感程度越小，水力性能越好；
[0013] 步驟3,通過(guò)最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形。
[0014] 所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的單位為mm。
[0015] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，試算抗堵塞性能評(píng) 估參數(shù)P的值和流量系數(shù)k的值時(shí)，選擇若干組流道結(jié)構(gòu)參數(shù)參與試算。
[0016] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，所述步驟1包括如 下步驟：
[0017] 1)使用初始粗糙度條件下的模擬模型，分別以若干用戶(hù)所提出的流道構(gòu)型（如分 形流道、齒形流道、三角形流道、矩形流道和梯形流道)為模擬對(duì)象，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆 粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣三相流動(dòng)模擬，得到各不同的流道構(gòu)型的內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均 值?(單位為Pa)模擬結(jié)果；
[0018] 所述初始粗糙度條件下的模擬模型中的邊壁粗糙度均值為默認(rèn)值；
[0019] 2 )將步驟1 )得到的f的模擬結(jié)果分別代入公式（1 ) : & = -11.43f2 + 7.51? + 0J1中，得到各不同的流道構(gòu)型的堵塞物質(zhì)粗糙度均值^(單位 為Ml);
[0020] 所述公式（1)為本發(fā)明發(fā)明人通過(guò)對(duì)再生水、高含沙水、地表微咸水、高含沙水和 地表微咸水混配水等多水源滴灌條件以及常用的片式、圓柱式、單翼迷宮式、貼條式等多類(lèi) 型灌水器抗堵塞試驗(yàn)，得到的在滴灌灌水器堵塞程度為5%時(shí)滴灌灌水器流道的內(nèi)壁近壁 面流動(dòng)剪切力均值f(Pa)和堵塞物質(zhì)粗糙度均值Sg ( P m)的相關(guān)關(guān)系；
[0021] 所述公式（1)適用于不同類(lèi)型(如片式、圓柱式、單翼迷宮式)的滴灌灌水器及滴灌 灌水器不同的流道構(gòu)型；
[0022] 3)將步驟2)得到的各&作為對(duì)應(yīng)的流道構(gòu)型的邊壁粗糙度均值，代入初始粗糙度 條件下的模擬模型，得到各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型；
[0023] 4)使用步驟3)得到的各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，分別以若干用 戶(hù)所提出的流道構(gòu)型為模擬對(duì)象，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣三相流動(dòng) 模擬，得到各流道構(gòu)型內(nèi)部的湍流強(qiáng)度；
[0024] 選擇湍流強(qiáng)度最大的流道構(gòu)型確定為最優(yōu)流道構(gòu)型。
[0025] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，所述步驟2包括如 下步驟：
[0026] 5)使用最優(yōu)流道構(gòu)型對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，在滿(mǎn)足流道消能需求 (即不產(chǎn)生射流)和流態(tài)指數(shù)X為〇. 50-0.55，且流道消能需求和流態(tài)指數(shù)X隨所述最優(yōu)流道 構(gòu)型的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化不敏感的前提下，確定所述最優(yōu)流道構(gòu)型的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值 范圍（即控制閾值），具體包括:寬度W的取值范圍、長(zhǎng)度L的取值范圍和深度D的取值范圍；
[0027] 6)在步驟5)得到的取值范圍內(nèi)，分別在寬度W的取值范圍、長(zhǎng)度L的取值范圍和深 度D的取值范圍中，取相同個(gè)數(shù)的代表值(代表值的個(gè)數(shù)越多，最后得到的最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參 數(shù)越準(zhǔn)確），且各代表值按均等間距選??；
[0028] 使用最優(yōu)流道構(gòu)型對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，在不同進(jìn)口壓力Η條件 下，分別模擬各代表值從小到大依次組合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2) :Q =kHx，公式⑵中的Q為出流流量，k為流量系數(shù)，Η為進(jìn)口壓力，X為流態(tài)指數(shù)；
[0029] 得到各組合所代表的滴灌灌水器的流量系數(shù)k，將各組合所代表的流道結(jié)構(gòu)參數(shù) 與流量系數(shù)k進(jìn)行擬合，得到滴灌灌水器流量系數(shù)k的預(yù)報(bào)模型；
[0030] 7)將步驟6)各組合或按照步驟6)的方法設(shè)置的各組合按照流道結(jié)構(gòu)參數(shù)從小到 大的順序排列，計(jì)算各組合抗堵塞評(píng)估指數(shù)P值，再計(jì)算相鄰兩個(gè)組合的P值間的偏差（即
，從相鄰兩個(gè)組合的P值間的偏差小于s%(s為小于100的正數(shù)，可取s為1)的流道結(jié) 構(gòu)參數(shù)較小的若干組合（
時(shí)的第i個(gè)組合，i代表不同組合）中，選取一定數(shù)量 的組合，將其結(jié)構(gòu)參數(shù)的值分別代入步驟6)滴灌灌水器流量系數(shù)k的預(yù)報(bào)模型中，計(jì)算流量 系數(shù)k，將k值最小的組合中的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0031] 在最優(yōu)流道構(gòu)型的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍（即控制閾值）內(nèi)，水力性能參數(shù)即流 態(tài)指數(shù)X僅受流道構(gòu)型的影響，對(duì)于流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變較為不敏感，但對(duì)滴灌灌水器抗堵 塞性能產(chǎn)生顯著影響，因此本發(fā)明主要通過(guò)試算抗堵塞性能評(píng)估參數(shù)P值來(lái)確定最優(yōu)的滴 灌灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而得到滴灌灌水器流道最優(yōu)結(jié)構(gòu)原形。具體為選擇多組長(zhǎng)度、寬 度、深度組合進(jìn)行抗堵塞評(píng)估參數(shù)P的試算。
[0032] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，步驟6)滴灌灌水器 流量系數(shù)k的預(yù)報(bào)模型為公式(3):
，其中，a、b、c為待定系數(shù)，L、W、D分別為 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)中的長(zhǎng)度、寬度和深度。
[0033]在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，步驟7)中抗堵塞評(píng) 估指數(shù)P值的計(jì)算方法如下：
[0035] 公式(4)中的d和f為待定系數(shù);L、W、D分別為流道的長(zhǎng)度、寬度和深度，單位為mm; 〇1旋代表滴灌灌水器額定設(shè)計(jì)流量即用戶(hù)所提出的流量設(shè)計(jì)需求，單位為L(zhǎng)/h。
[0036] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，步驟7)中，當(dāng)?shù)喂?灌水器的類(lèi)型為片式時(shí)，所述抗堵塞評(píng)估指數(shù)P的計(jì)算公式（4)中的d為-15.723，f為 21.093，
[0037] 當(dāng)?shù)喂喙嗨鞯念?lèi)型為圓柱式時(shí)，所述抗堵塞評(píng)估指數(shù)P的計(jì)算公式(4)中的(1為_(kāi) 0.167，f 為1.243,即為式(6)
[0038] 當(dāng)?shù)喂喙嗨鞯念?lèi)型為單翼迷宮式時(shí)，所述抗堵塞評(píng)估指數(shù)P的計(jì)算公式(4)中的 d 為-1.345，f 為3.489,即為式（7):
[0039] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，還包括步驟4:
[0040] 對(duì)步驟3所述最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形進(jìn)行二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將所述最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原 形的流道中內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力處在〇. 2-0.4Pa間的內(nèi)壁位置優(yōu)化為內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪 切力不在〇 · 2-0 · 4Pa間。
[0041 ] 所述內(nèi)壁位置分為齒尖迎水區(qū)、齒跟迎水區(qū)、齒尖背水區(qū)和齒跟背水區(qū)。
[0042] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，步驟4所述優(yōu)化使 用漩渦洗壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：
[0043] 分析步驟3的所述最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形流道內(nèi)漩渦分布，根據(jù)漩渦外邊緣的形狀和 大小，將流道中內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力處在〇. 2-0.4Pa間的內(nèi)壁位置設(shè)計(jì)為與漩渦外邊緣 形狀和大小相近或相同的圓弧。
[0044]該漩渦洗壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以使漩渦充分發(fā)展，提升水流對(duì)流道壁面的自清洗能 力，進(jìn)而提升滴灌灌水器的抗堵塞能力。
[0045] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，所述流道中內(nèi)壁近 壁面流動(dòng)剪切力，是使用最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型或最優(yōu)流 道構(gòu)型的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣三 相流動(dòng)模擬得到的。
[0046] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，所述模擬使用 FLUENT軟件進(jìn)行。
[0047] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，所述初始粗糙度條 件下的模擬模型為同時(shí)使用RNG(重整化群)k-ε模型和V0F(流體體積函數(shù))模型表征灌水器 流道構(gòu)型內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)固-液-氣三相流動(dòng)湍流模擬模型。
[0048] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，初始粗糙度條件下 的模擬模型中的邊壁粗糙度均值以經(jīng)驗(yàn)值作為默認(rèn)值;所述經(jīng)驗(yàn)值具體可為869nm。
[0049] 在上述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，使用所述初始粗糙 度條件下的模擬模型進(jìn)行模擬時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)、氣相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)根據(jù)用戶(hù) 實(shí)際使用的水源水質(zhì)的不同而不同，三者之和為1;
[0050] 在實(shí)施例1中，固相體積分?jǐn)?shù)、氣相體積分?jǐn)?shù)和液相體積分?jǐn)?shù)分別為0.9 %，1.1 %， 98% 〇
[0051] 本發(fā)明保護(hù)上述任一所述面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在 生產(chǎn)滴灌灌水器產(chǎn)品中的應(yīng)用，即將上述任一所述面向流量設(shè)計(jì)需求的灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)方法得到的最優(yōu)流道構(gòu)型的最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)，采用軟件如UG NX系列軟件進(jìn)行3維定型，最 終依據(jù)用戶(hù)應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)高精度模具(精度不低于±5μπι)，選定滴灌管材料、壁厚等其它 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)灌水器新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，獲得滴灌灌水器產(chǎn)品。
[0052]本發(fā)明保護(hù)所述應(yīng)用中的滴灌灌水器產(chǎn)品。
[0053]所述滴灌灌水器的流道構(gòu)型為分形流道，
[0054]所述分形流道為修正的分形-Μ流道，
[0055]所述分形流道的一端口與所述滴灌灌水器的進(jìn)水口相通，另一端口與所述滴灌灌 水器的出水口相通，
[0056]當(dāng)所述滴灌灌水器的類(lèi)型為片式時(shí)，所述分形流道的長(zhǎng)度為39.567mm，寬度為 0.824mm，深度為0.7555mm，流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)為半徑為0.412mm的 圓??；
[0057]當(dāng)所述滴灌灌水器的類(lèi)型為圓柱式時(shí)，所述分形流道的長(zhǎng)度為214.4mm，寬度為 1.27mm，深度為0.745mm，流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)為半徑為0.423mm的圓 弧。
[0058]公開(kāi)所述修正的分形-M流道的文獻(xiàn)為:李云開(kāi)，2005，滴頭分形流道設(shè)計(jì)及其流動(dòng) 特性的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬（學(xué)位論文），第四章第38頁(yè)），所述修正的分形-M流道是以 Minkowski曲線為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的分形流道即分形-M流道為原型（如圖2中的(a)圖所示），考慮 到灌水器流道的設(shè)計(jì)要求，在保持流道消能單元流道的寬、深不變的條件下，根據(jù)消能單元 數(shù)目與順序排列基本符合原型的原則對(duì)分形流道進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到所述修正的分形-M流道 (如圖2中的(b)圖所示）。
[0059]本發(fā)明所述的流道長(zhǎng)度為流道中心線長(zhǎng)度，即指流道邊壁垂直距離中點(diǎn)的連線。 [0060]本發(fā)明的有益效果如下：
[0061] 本發(fā)明可以有效解決以下幾方面的問(wèn)題：
[0062] (1)提出了一種面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)循環(huán)逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方 法。該方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了滴灌灌水器的水力性能(流態(tài)指數(shù)X)和抗堵塞性能(湍 流強(qiáng)度、抗堵塞評(píng)估指數(shù)P)，主要包括模擬方法建立（即步驟1)一3))、流道構(gòu)型選擇（即步 驟4))、結(jié)構(gòu)參數(shù)確定(即步驟5) - 7))、流道邊界優(yōu)化(即步驟4)等階段。
[0063] (2)依據(jù)數(shù)值模擬和大量的試驗(yàn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，提出了一種滴灌灌水器雛形 初級(jí)循環(huán)設(shè)計(jì)方法（即步驟5) - 7))，借助最優(yōu)數(shù)值模擬模型（即真實(shí)粗糙度條件下的模擬 模型)確定了滴灌灌水器最優(yōu)流道構(gòu)型及結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括長(zhǎng)度、寬度和深度)取值范圍，明確 了滴灌灌水器初級(jí)雛形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
[0064] (3)提出了一種滴灌灌水器流道邊界的漩渦洗壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了滴灌灌水 器邊界優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制閾值范圍（即內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力不在〇. 2-0.4Pa)，確定了滴灌 灌水器二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
[0065] (4)應(yīng)用本發(fā)明所提出的設(shè)計(jì)方法結(jié)合分形幾何理論，設(shè)計(jì)了片式和圓柱式兩種 分形流道灌水器產(chǎn)品（即產(chǎn)品A和B)，具有極高的水力性能(產(chǎn)品流態(tài)指數(shù)介于0.50-0.52) 和抗堵塞性能（系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間可達(dá)680-840h)。
【附圖說(shuō)明】
[0066]本發(fā)明有如下附圖：
[0067]圖1為面向流量設(shè)計(jì)需求的灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法流程圖；其中，多情境模擬即 為固-液-氣三相流動(dòng)模擬；
[0068]圖2為分形-M流道原型及修正的分形-M流道；
[0069] 圖3為滴灌灌水器不同流道構(gòu)型的湍流強(qiáng)度(即抗堵塞性能)結(jié)果；
[0070] 圖4為分形片式FE38#滴灌灌水器流道內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力分布圖；
[0071] 圖5為分形圓柱式CE91#滴灌灌水器流道內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力分布圖；
[0072] 圖6為滴灌灌水器二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后流道內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力分布圖；其中， 左圖為優(yōu)化后的分形片式FE38#，右圖為優(yōu)化后的分形圓柱式CE91#，圖中用不同顏色代表 流道內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力的大小；
[0073]圖7為優(yōu)化后的分形片式FE38#產(chǎn)品3維定型圖；
[0074]圖8為優(yōu)化后的分形圓柱式CE91#產(chǎn)品3維定型圖；
[0075]圖9為本發(fā)明滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，其中，W、L和D分別代表滴灌灌水器 流道寬度、長(zhǎng)度和深度。
【具體實(shí)施方式】
[0076] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0077] 以下實(shí)施例公式中的W、L和D分別代表滴灌灌水器流道寬度、長(zhǎng)度和深度(如圖9所 示），單位為代表滴灌灌水器額定設(shè)計(jì)流量(即流量設(shè)計(jì)需求），單位為L(zhǎng)/h。
[0078] 本發(fā)明所述灌水器均為滴灌灌水器。
[0079] 實(shí)施例1、應(yīng)用面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行滴灌灌水 器設(shè)計(jì)
[0080] 用戶(hù)所提出的te為1.6L/h，滴灌灌水器類(lèi)型為片式和圓柱式。設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所 示，具體如下：
[0081 ] -、考慮邊壁粗糙度條件下灌水器內(nèi)部固-液-氣三相流動(dòng)模擬模型建立
[0082] 1)使用初始粗糙度條件下的模擬模型，分別以若干用戶(hù)所提出的流道構(gòu)型為模擬 對(duì)象，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣三相流動(dòng)模擬，得到各不同的流道構(gòu) 型的內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均值f(單位為Pa)模擬結(jié)果；
[0083] 2 )將步驟1 )得到的將f的模擬結(jié)果分別代入公式（1 ) : = -11,4辭2 + 7.5lf + 0.81中，得到各不同的流道構(gòu)型的堵塞物質(zhì)粗糙度均值$(單位 為Ml);
[0084] 3)將步驟2)得到的各&(單位為μπι)作為對(duì)應(yīng)的流道構(gòu)型的邊壁粗糙度均值，代入 初始粗糙度條件下的模擬模型，得到各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型；
[0085]所述初始粗糙度條件下的模擬模型為同時(shí)使用RNG(重整化群)k-ε模型和V0F(流 體體積函數(shù))模型表征灌水器流道構(gòu)型內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)固-液-氣三相流動(dòng)湍流模 擬豐吳型；
[0086]使用所述初始粗糙度條件下的模擬模型進(jìn)行模擬時(shí)，具體設(shè)置如下：
[0087]在流場(chǎng)計(jì)算中，初始條件設(shè)置:進(jìn)口為壓力進(jìn)口（壓力為0.1 MPa)，固相體積分?jǐn)?shù)為 〇 · 9%，氣相體積分?jǐn)?shù)為1 · 1 %，液相體積分?jǐn)?shù)為98%，出口為壓力出口（壓力為OMPa)。除了 計(jì)算域的進(jìn)水口與出水口，其它所有流體和固體接觸的面均設(shè)置為無(wú)滑移邊界;通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 壁面函數(shù)來(lái)求解;邊壁粗糙度均值為869nm;數(shù)值計(jì)算采用有限體積法離散控制方程;壓力 項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式;壓力與速度的耦合采用SMPLE算法求解；以殘差值作為是否收斂的 依據(jù)，當(dāng)出口流量基本穩(wěn)定且殘差值低于10- 4時(shí)，認(rèn)為迭代計(jì)算達(dá)到收斂。
[0088]以上模型模擬使用FLUENT軟件（軟件版本號(hào)為6.3,軟件開(kāi)發(fā)商為ansys公司）進(jìn) 行。
[0089] 所述若干用戶(hù)所提出的流道構(gòu)型為現(xiàn)有的分形流道、齒形流道、三角形流道、矩形 流道和梯形流道;其物理原型（即模擬對(duì)象)的尺寸分別如下：
[0090] 分形流道:寬度為1mm，長(zhǎng)度為35mm，深度為0.73mm;
[0091] 齒形流道：寬度為1mm，長(zhǎng)度為35mm，深度0.73mm，齒高為0.84mm，齒角度為54°，齒 間距為1.42mm;
[0092] 梯形流道：寬度為1mm，長(zhǎng)度為35mm，深度0.73mm，齒高為0.84mm，齒角度為54°，齒 間距為1.8mm;
[0093] 三角形流道:寬度為1mm，長(zhǎng)度為35mm，深度0.73mm，齒高為1.2mm，齒角度為54°，齒 間距為1.42mm;
[0094] 矩形流道:寬度為1mm，長(zhǎng)度為35mm，深度為0.73mm。
[0095] 其中，所述分形流道為修正的分形-Μ流道(公開(kāi)該修正的分形-Μ流道的文獻(xiàn)為:李 云開(kāi)，2005，滴頭分形流道設(shè)計(jì)及其流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬(學(xué)位論文），第四章第 38頁(yè)），是以Minkowski曲線為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的分形流道即分形-Μ流道為原型（如圖2中的（a)圖 所示），考慮到滴灌灌水器流道的設(shè)計(jì)要求，在保持流道消能單元流道的寬度、深度不變的 條件下，根據(jù)消能單元數(shù)目與順序排列基本符合原型的原則對(duì)分形流道進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即修 正的分形-M流道(如圖2中的(b)圖所示）。
[0096] 通過(guò)分析分形流道內(nèi)流動(dòng)特征，得到內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均值f的模擬結(jié)果為 0.5Pa，代入公式（1)，得到堵塞物質(zhì)粗糙度均值$為1.4μπι，代入初始粗糙度條件下的模擬 模型，得到各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型;進(jìn)行后續(xù)模擬。
[0097]二、滴灌灌水器初級(jí)雛形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0098] 4)使用步驟3)得到的各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，分別以若干用 戶(hù)所提出的流道構(gòu)型為模擬對(duì)象，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣三相流動(dòng) 模擬，得到各流道構(gòu)型內(nèi)部的湍流強(qiáng)度;結(jié)果如圖3所示；
[0099]圖3為使用FLUENT軟件直接輸出的不同滴灌灌水器流道構(gòu)型的湍流強(qiáng)度（即抗堵 塞性能)彩圖結(jié)果，不同顏色的色柱代表不同的湍流強(qiáng)度的數(shù)值。
[0100] 圖3顯示，滴灌灌水器流道構(gòu)型為所述分形流道時(shí)的湍流強(qiáng)度最大(湍流強(qiáng)度是一 個(gè)體現(xiàn)抗堵塞性能的指標(biāo)，湍流強(qiáng)度的大小就代表抗堵塞性能的大小，湍流強(qiáng)度越大，抗堵 塞性能越高），因此確定滴灌灌水器最優(yōu)流道構(gòu)型為分形流道（即完成圖1中的灌水器流道 構(gòu)型選擇）。
[0101] 5)使用步驟3)得到的分形流道的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，在滿(mǎn)足流道消能 需求（即不產(chǎn)生射流)和流態(tài)指數(shù)X為0.50-0.55時(shí)，且流道消能需求和流態(tài)指數(shù)X隨結(jié)構(gòu)參 數(shù)(流道的長(zhǎng)度L、寬度W、深度D)變化不敏感的前提下，確定分形片式和分形圓柱式流道構(gòu) 型的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)控制閾值(即流道寬度W的取值范圍、長(zhǎng)度L的取值范圍和深度D的取值范 圍），結(jié)果如表1所示。
[0102] 6)在步驟5)得到的取值范圍內(nèi)，分別在寬度W的取值范圍、長(zhǎng)度L的取值范圍和深 度D的取值范圍中，取20個(gè)的代表值，且各代表值按均等間距選取；
[0103] 使用分形流道對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，在不同進(jìn)口壓力H(具體為 0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.11、0.13、0.15Mpa)條件下，分別模擬各代表值從小到 大依次組合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2):Q = kHx，公式(2)中的Q為出流流 量，k為流量系數(shù)，Η為進(jìn)口壓力，X為流態(tài)指數(shù)；
[0104]得到各組合所代表的滴灌灌水器的流量系數(shù)k，將各組合所代表的流道結(jié)構(gòu)參數(shù) 與流量系數(shù)k采用excel進(jìn)行擬合，得到滴灌灌水器流量系數(shù)k的預(yù)報(bào)模型分別為：
[0107] 7)按照步驟6)的方法設(shè)置設(shè)100個(gè)代表值，將各代表值從小到大依次進(jìn)行參數(shù)間 組合，將各組合按照流道結(jié)構(gòu)參數(shù)從小到大的順序排列，根據(jù)公式(5)和(6)計(jì)算各組合的 抗堵塞評(píng)估參數(shù)P(結(jié)果如表2和表3所示），再計(jì)算相鄰兩個(gè)組合的P值間的偏差，從相鄰兩
個(gè)組合的P值間的偏差小于1% (即s為1)的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)較小的若干組合（ 時(shí)的第i個(gè)組合，i代表不同組合）中，取一定數(shù)量的組合，將其結(jié)構(gòu)參數(shù)的值分別代入步驟 6)相應(yīng)的公式(8)或公式(9)中，計(jì)算流量系數(shù)k，將k值最小的組合的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為 滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0112] 分形片式滴灌灌水器當(dāng)試算至第38個(gè)組合（即i = 38)至第99個(gè)組合（即i = 99)時(shí)，
均小于1 %，將第38個(gè)組合至第42個(gè)組合結(jié)構(gòu)參數(shù)的值分別代入公式(8)中計(jì)算kFE 即k值，將k值最小的第38個(gè)組合即FE38#的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，其分形 流道的長(zhǎng)度為39.567mm，寬度為0.824mm，深度為0.7555mm;
[0113]分形圓柱式滴灌灌水器當(dāng)試算至第91個(gè)組合（即i = 91)至第99個(gè)組合（即i = 99) 時(shí)，
：均小于1%，將第91個(gè)組合至第96個(gè)組合結(jié)構(gòu)參數(shù)的值分別代入公式(9)中計(jì)算 kCE即k值，將k值最小的第91個(gè)組合即CE91#的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，其分 形流道的長(zhǎng)度為214.4mm，寬度為1.27mm，深度為0.745mm;
[0114] 將FE38#和CE91#確定為灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形，進(jìn)行下一步的二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)。
[0115] 表1.滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)閾值
[0117]表2.分形片式滴灌灌水器抗堵塞性能特征值結(jié)果
[0119]表3.分形圓柱式滴灌灌水器抗堵塞性能特征值結(jié)果
[0122] 三、灌水器二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0123] 8)漩渦洗壁流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
[0124] 使用步驟3)得到的分形流道的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型，分別以FE38#和 CE91#為模擬對(duì)象，對(duì)滴灌灌水器流道內(nèi)部水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣三相流動(dòng)模擬， 得出滴灌灌水器內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力分布情況，結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4和圖5為使用 FLUENT軟件直接輸出的不同滴灌灌水器流道構(gòu)型的內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力分布的彩圖結(jié) 果，色柱的不同顏色代表不同內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力的數(shù)值。
[0125] 從圖4和圖5中可以看出，在流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)，內(nèi)壁近壁 面流動(dòng)剪切力處在0.2-0.4Pa間（已用箭頭標(biāo)出，本申請(qǐng)的發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁近壁面 流動(dòng)剪切力在0.2-0.4Pa區(qū)間內(nèi)，堵塞物質(zhì)生長(zhǎng)最快，所以要避免這個(gè)區(qū)間的出現(xiàn)），故采用 漩渦洗壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)該內(nèi)壁位置進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：
[0126] 分析流道內(nèi)漩渦分布，根據(jù)漩渦外邊緣的形狀和大小，將流道的齒尖迎水區(qū)和齒 跟迎水區(qū)設(shè)計(jì)為與漩渦外邊緣形狀和大小相近或相同的圓弧，對(duì)滴灌灌水器流道的齒尖迎 水區(qū)和齒跟迎水區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，
[0127] 然后使用步驟3)得到的分形流道的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型對(duì)該優(yōu)化后的 滴灌灌水器進(jìn)行固-液-氣三相流動(dòng)模擬，當(dāng)?shù)喂喙嗨鞯膬?nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均不處于 0.2-0.4Pa區(qū)間內(nèi)時(shí)，將該優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)確定為滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)，
[0128] 當(dāng)?shù)喂喙嗨鞯膬?nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力還存在0.2-0.4Pa區(qū)間時(shí)，按照上述方法 進(jìn)行再次優(yōu)化和模擬，直到滴灌灌水器的內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均不處于〇. 2-0.4Pa區(qū)間 內(nèi)。
[0129] 本實(shí)施例首先分別采用圓弧半徑為流道寬度的1、1/2、1/3的圓弧對(duì)FE38#滴灌灌 水器和CE91#滴灌灌水器分別進(jìn)行優(yōu)化，使用步驟3)得到的分形流道的真實(shí)粗糙度條件下 的模擬模型對(duì)本次優(yōu)化的FE38#和CE91#滴灌灌水器流道內(nèi)部水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行 固-液-氣三相流動(dòng)模擬；
[0130] 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用圓弧半徑為流道寬度的1/2的圓弧對(duì)流道的齒尖迎水區(qū)和齒跟 迎水區(qū)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，F(xiàn)E38#滴灌灌水器內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均不處于0.2-0.4Pa區(qū)間內(nèi) (圖6中的左圖），將此時(shí)的FE38#滴灌灌水器經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)確定為滴灌灌水器最優(yōu) 流道結(jié)構(gòu)；
[0131] 當(dāng)采用圓弧半徑為流道寬度的1/3的圓弧對(duì)流道的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)進(jìn)行 優(yōu)化時(shí)，CE91#滴灌灌水器內(nèi)壁近壁面剪切力均不處于0.2-0.4Pa區(qū)間內(nèi)（圖6中的右圖），將 此時(shí)的CE91 #滴灌灌水器經(jīng)過(guò)優(yōu)化的流道結(jié)構(gòu)確定為滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)。
[0132] 9)滴灌灌水器設(shè)計(jì)流量校核
[0133] 以步驟8)得到的兩種滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)為物理原型即模擬對(duì)象，采用步驟 3)得到的分形流道的真實(shí)粗糙度條件下的模擬模型進(jìn)行模擬，直接在FLUENT中輸出流量， 得到優(yōu)化后模擬的流量值，為1.58L/h，與滴灌灌水器額定設(shè)計(jì)流量1.6L/h的偏差為 1.25%，說(shuō)明邊界優(yōu)化(即漩渦洗壁流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì))對(duì)流量基本沒(méi)有產(chǎn)生影響。
[0134] 10)滴灌灌水器產(chǎn)品定型
[0135] 分別以步驟8)獲得的兩種滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)，采用UG NX系列軟件進(jìn)行3維 定型，開(kāi)發(fā)高精度模具，最終依據(jù)用戶(hù)應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)高精度模具(精度不低于±5μπι)，選定 滴灌管材料、壁厚等其它參數(shù)，實(shí)現(xiàn)滴灌灌水器新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，獲得兩種滴灌灌水器產(chǎn) 品：
[0136] 滴灌灌水器產(chǎn)品A:類(lèi)型為片式，分形流道的長(zhǎng)度為39.567mm，寬度為0.824mm，深 度為0.7555mm流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)為半徑為0.412mm的圓弧;如圖7所 示；
[0137] 滴灌灌水器產(chǎn)品B:類(lèi)型為圓柱式，分形流道每個(gè)流道結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為 214.4mm，寬度為1.27mm，深度為0.745mm;流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)為半徑 為0.423mm的圓弧;如圖8所示。
[0138] 將圖7和圖8所示的滴灌灌水器產(chǎn)品A和B在實(shí)際大田中進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)這 兩個(gè)滴灌灌水器驗(yàn)證了應(yīng)用本發(fā)明所提供的方法開(kāi)發(fā)的滴灌灌水器具有極高的水力性能 (產(chǎn)品流態(tài)指數(shù)介于0.50-0.52)和抗堵塞性能（系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)680-840h)。
[0139] 本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟： 步驟1，根據(jù)用戶(hù)所提出的流量設(shè)計(jì)需求，在若干用戶(hù)所提出的流道構(gòu)型中，確定最優(yōu) 流道構(gòu)型； 步驟2,通過(guò)試算抗堵塞性能評(píng)估參數(shù)P的值和流量系數(shù)k的值，來(lái)確定最優(yōu)流道構(gòu)型的 最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)； 所述流道結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:寬度W、長(zhǎng)度L和深度D; 所述抗堵塞性能評(píng)估參數(shù)P用于評(píng)估滴灌灌水器的抗堵塞性能的優(yōu)劣，P的值越高，抗 堵塞性能越好； 所述流量系數(shù)k用于評(píng)估滴灌灌水器的出流流量隨進(jìn)口壓力波動(dòng)的敏感程度，k的值越 小，滴灌灌水器的出流流量隨進(jìn)口壓力波動(dòng)的敏感程度越小，水力性能越好； 步驟3，通過(guò)最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形。2. 如權(quán)利要求1所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:所述步驟1包括如下步驟： 1) 使用初始粗糖度條件下的模擬模型，分別W若干用戶(hù)所提出的流道構(gòu)型為模擬對(duì) 象，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣Ξ相流動(dòng)模擬，得到各不同的流道構(gòu)型 的內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力均值f模擬結(jié)果. 所述初始粗糖度條件下的模擬模型中的邊壁粗糖度均值為默認(rèn)值； 2) 將步驟1)得到的f的模擬結(jié)果分別代入公式（1;中，得到各流道構(gòu)型的堵塞物質(zhì)粗糖度均值ζ·; 3) 將步驟2)得到的各作為對(duì)應(yīng)的流道構(gòu)型的邊壁粗糖度均值，代入初始粗糖度條件 下的模擬模型，得到各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糖度條件下的模擬模型； 4) 使用步驟3)得到的各流道構(gòu)型的真實(shí)粗糖度條件下的模擬模型，分別W若干用戶(hù)所 提出的流道構(gòu)型為模擬對(duì)象，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣Ξ相流動(dòng)模 擬，得到各流道構(gòu)型內(nèi)部的端流強(qiáng)度； 選擇端流強(qiáng)度最大的流道構(gòu)型確定為最優(yōu)流道構(gòu)型。3. 如權(quán)利要求1所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:所述步驟2包括如下步驟： 5) 使用最優(yōu)流道構(gòu)型對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糖度條件下的模擬模型，在滿(mǎn)足流道消能需求和流 態(tài)指數(shù)X為0.50-0.55，且流道消能需求和流態(tài)指數(shù)X隨所述最優(yōu)流道構(gòu)型的流道結(jié)構(gòu)參數(shù) 變化不敏感的前提下，確定所述最優(yōu)流道構(gòu)型的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍，具體包括:寬度 W的取值范圍、長(zhǎng)度L的取值范圍和深度D的取值范圍； 6) 在步驟5)得到的取值范圍內(nèi)，分別在寬度W的取值范圍、長(zhǎng)度L的取值范圍和深度D的 取值范圍中，取相同個(gè)數(shù)的代表值，且各代表值按均等間距選??； 使用最優(yōu)流道構(gòu)型對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糖度條件下的模擬模型，在不同進(jìn)口壓力Η條件下，分 別模擬各代表值從小到大依次組合所代表的滴灌灌水器出流流量Q，得到公式(2) :Q=kr， 公式(2)中的Q為出流流量，k為流量系數(shù)，Η為進(jìn)口壓力，X為流態(tài)指數(shù)； 得到各組合所代表的滴灌灌水器的流量系數(shù)k，將各組合所代表的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與流 量系數(shù)k進(jìn)行擬合，得到滴灌灌水器流量系數(shù)k的預(yù)報(bào)模型； 7)將步驟6)各組合或按照步驟6)的方法設(shè)置的各組合按照流道結(jié)構(gòu)參數(shù)從小到大的 順序排列，計(jì)算各組合抗堵塞評(píng)估指數(shù)P值，再計(jì)算相鄰兩個(gè)組合的P值間的偏差，從相鄰兩 個(gè)組合的P值間的偏差小于S%的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)較小的若干組合中，選取一定數(shù)量的組合， 將其結(jié)構(gòu)參數(shù)的值分別代入步驟6)滴灌灌水器流量系數(shù)k的預(yù)報(bào)模型中，計(jì)算流量系數(shù)k， 將k值最小的組合的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為滴灌灌水器最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)。4. 如權(quán)利要求1所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:還包括步驟4: 對(duì)步驟3所述最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形進(jìn)行二級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將所述最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形的 流道中內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力處在0.2-0.4Pa間的內(nèi)壁位置優(yōu)化為內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力 不在0.2-0.4化間。5. 如權(quán)利要求4所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在 于:步驟4所述優(yōu)化使用縱滿(mǎn)洗壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法： 分析步驟3的所述最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形流道內(nèi)縱滿(mǎn)分布，根據(jù)縱滿(mǎn)外邊緣的形狀和大小， 將流道中內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力處在0.2-0.4化間的內(nèi)壁位置設(shè)計(jì)為與縱滿(mǎn)外邊緣形狀和 大小相近或相同的圓弧。6. 如權(quán)利要求4或5所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征 在于:所述流道中內(nèi)壁近壁面流動(dòng)剪切力，是使用最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)原形對(duì)應(yīng)的真實(shí)粗糖度條 件下的模擬模型或最優(yōu)流道構(gòu)型的真實(shí)粗糖度條件下的模擬模型，對(duì)流道內(nèi)部的水流及顆 粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固-液-氣Ξ相流動(dòng)模擬得到的。7. 如權(quán)利要求2-5中任一所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法， 其特征在于:所述初始粗糖度條件下的模擬模型為同時(shí)使用RNG k-ε模型和VOF模型表征滴 灌灌水器流道構(gòu)型內(nèi)部的水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)固-液-氣Ξ相流動(dòng)端流模擬模型； 和/或，初始粗糖度條件下的模擬模型中的邊壁粗糖度均值W經(jīng)驗(yàn)值作為默認(rèn)值； 和/或，所述內(nèi)壁位置分為齒尖迎水區(qū)、齒跟迎水區(qū)、齒尖背水區(qū)和齒跟背水區(qū)。8. 權(quán)利要求1-7中任一所述的面向流量設(shè)計(jì)需求的滴灌灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在 生產(chǎn)滴灌灌水器產(chǎn)品中的應(yīng)用。9. 權(quán)利要求8所述應(yīng)用中生產(chǎn)的滴灌灌水器產(chǎn)品。10. 如權(quán)利要求9所述的滴灌灌水器產(chǎn)品，其特征在于:所述滴灌灌水器的流道構(gòu)型為 分形流道， 所述分形流道為修正的分形-M流道， 所述分形流道的一端口與所述滴灌灌水器的進(jìn)水口相通，另一端口與所述滴灌灌水器 的出水口相通， 當(dāng)所述滴灌灌水器的類(lèi)型為片式時(shí)，所述分形流道的長(zhǎng)度為39.567mm，寬度為 0.824mm，深度為0.7555mm，流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)為半徑為0.412mm的 圓??； 當(dāng)所述滴灌灌水器的類(lèi)型為圓柱式時(shí)，所述分形流道的長(zhǎng)度為214.4mm，寬度為 1.27mm，深度為0.745mm，流道內(nèi)壁位置的齒尖迎水區(qū)和齒跟迎水區(qū)為半徑為0.423mm的圓 弧。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106096179SQ201610467281
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】李云開(kāi), 周博, 馮吉, 楊培嶺
【申請(qǐng)人】中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)