用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法技术

本发明专利技术涉及一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，包括以下步骤：1)通过对灌水器实施三维结构扫描，获取其内部流道结构的三维模型；2)建立初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟的计算模型；3)利用步骤2)中的计算模型对步骤1)反演出初膜附着条件下灌水器流道部分的模型进行固、液、气三相流动模拟，诊断出流道中可能发生堵塞的待优化位置；4)对步骤3)中诊断出的待优化位置进行靶向圆弧优化，即将其边界之间采用圆弧的方式连接。

Vortex washing optimization method for improving anti clogging performance of emitter

The present invention relates to a whirlpool wall washing optimization method for improving the anti-clogging performance of an irrigator, which comprises the following steps: 1) obtaining a three-dimensional model of the internal runner structure by scanning the irrigator with a three-dimensional structure; 2) establishing a calculation model for simulating the particle transport in the irrigator runner under the influence of initial film; 3) utilizing step 2) The calculation model of step 1) Inverse the model of the runner under the condition of initial film attachment to simulate the solid, liquid and gas three-phase flow, diagnose the possible blockage position in the runner to be optimized; 4) Target circular arc optimization of the location to be optimized in step 3, that is, the edges of the runner to be optimized using the arc square. Type connection.

【技术实现步骤摘要】
用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法
本专利技术涉及一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，属于农业灌溉

技术介绍
发展滴灌是实现农业节水、高产、高效的重要途径，对于保障农产品安全供给、带动农民脱贫致富、推动农业现代化意义重大。而灌水器是滴灌系统的心脏，它的质量好坏直接影响到系统工作稳定性及灌水质量高低，但因其内部流道狭小(仅0.5～1.2mm)、结构复杂，因此易引发生堵塞。灌水器堵塞问题已成为制约滴灌技术应用和推广的主要障碍。新疆兵团地下滴灌发展面积因堵塞而被迫从05年的12万亩锐减至14年的1000亩，青海互助2800亩滴灌工程因堵塞而报废，灌水器堵塞已成为滴灌领域的国际难题。以色列Netafim等企业对现有产品进行不断的结构优化以期达到提升其抗堵塞性能的目的，但依然未能得到很好解决，如何通过灌水器结构优化从而提升灌水器抗堵塞能力已成为一个热点问题。为了满足灌水器生产的精度及生产速度的要求，需要定期更换模具，这也为灌水器的升级换代提供了机会，如何对现有灌水器产品进行性能提升是摆在众多生产厂家面前的问题。目前也有很多专家学者提出灌水器优化设计方法，如：中国农业大学李云开等(申请公布号：CN106096179A)公开的滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道灌水器产品，该方法在设计过程中综合考虑了滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能,主要包括模拟方法建立、流道构型选择、结构参数确定、流道边界优化等阶段；北京市水利科学研究所喻黎明等(申请公布号：CN101667218)公开的削除流道内悬浮颗粒集聚位置的灌水器抗堵塞设计方法，该方法采用计算流体力学CFD固液两相流模型筛选出最大悬浮颗粒浓度最接近入口悬浮颗粒浓度的流道形状。但这两种方法着重于对新产品的设计开发，并针对现有产品易堵塞的情况进行优化改良。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，该方法是一种针对现有产品而实施的易堵塞位置诊断、靶向结构优化的系统方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，包括以下步骤：1)通过对灌水器实施三维结构扫描，获取其内部流道结构的三维模型；2)建立初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟的计算模型；3)利用步骤2)中的计算模型对步骤1)反演出初膜附着条件下灌水器流道部分的模型进行固、液、气三相流动模拟，诊断出流道中可能发生堵塞的待优化位置；4)对步骤3)中诊断出的待优化位置进行靶向圆弧优化，即将其边界之间采用圆弧的方式连接。所述步骤2)中建立初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟的计算模型的过程如下：过滤小尺度涡后的大涡动量方程如式(1)：考虑到小涡对大涡的影响，式(1)中剪切力的计算方法如式(2)：其中定义为：上述公式中，分别为流体流速在i、j方向上的平均速度的分量；xi、xj分别为x轴在i、j方向上的分量；ρ为标准大气压下的液体密度，为平均水头压力；μ为粘性系数；t为时间，τij为亚格子力；μt为亚格子涡粘性系数；为可解尺度的变形率张量；τkk为剪切力；δij为层流层厚度，Ls为湍动能与湍动能耗散率，为变形率张量矩阵行列式；选取弹性恢复系数为0.5时的碰撞模型，如式(5)：其中，U为颗粒物总速度值，u、v分别是颗粒物速度在x、y两个坐标轴方向的分量，f为摩擦因数，α为经验系数；在此基础上，考虑附加质量力、惯性力、重力、压力梯度、曳力、浮力、Saffman力等力的影响，即：其中，u、v分别是颗粒物速度在x、y两个坐标轴方向的分量，vp为速度v在p方向的分量；up为速度u在p方向的分量；p为总水头压力；ρp是压力p下的水流密度；Fr为弗劳德数；d为颗粒直径；r为颗粒半径；ρ为标准大气压下的液体密度；g为重力加速度；CD为经验系数。所述步骤3)中，诊断方法灌水器流道内部抗堵塞性能待优化位置的方法如下：应用步骤2)中构建的初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟模型，对步骤1)中反演出的灌水器流道结构进行固、液、气三相流动模拟，得出灌水器近壁面剪切力分布情况，诊断其边界水力剪切力是否处于控制阈值(τ∈(0，0.2Pa)∪(0.4Pa，+∞))范围内，若其处于(0.2Pa，0.4Pa)之间，则该位置为可能发生堵塞的待优化位置。所述步骤4)中对待优化位置进行靶向圆弧优化的方法为：首先对齿尖背水区与齿根迎水区或齿尖迎水区与齿根背水区分别采用半径为流道宽度的1/3和1/2的圆弧优化流道边界，两种优化方式中，选择近壁面剪切力均不处于0.2～0.4Pa区间内的一个方案作为最终优化方案；如果两种情况下近壁面剪切力均不处于0.2～0.4Pa区间内，则选择选择漩涡发展更充分、湍流强度高的1/2的圆弧优化方式作为最终优化方案。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术创新性地提出了灌水器结构扫描-缺陷诊断-结构优化的系列方法，建立了一种提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，从而可以有效地解决提升已有灌水器产品抗堵塞性能的问题。2、本专利技术提出了一种借助三维扫描技术反向获取堵塞物质初膜附着条件下流道结构的方法，解决了无法精确获得初膜附着条件下灌水器流道三维物理模型的问题。3、本专利技术通过构建复杂初膜影响下的灌水器流道内部颗粒物输移特征模拟模型，解决了现有模型模拟的精度问题。4、本专利技术基于流道边界流动剪切力的控制阈值，通过对反演出的未堵塞流道结构部分进行数值模拟计算，解决了灌水器流道内部抗堵塞性能待优化位置精确判断问题。5、本专利技术提出了提升成熟产品抗堵塞性能的对称式优化靶向点位的漩涡洗壁优化设计方法，实现了最大限度的控制复杂初膜的形成，从而解决了待优化位置抗堵塞能力差的问题。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是DRIPLINE系列灌水器产品的参数示意图；图中的各参数含义如下：h-齿高度；θ-齿角度；s-齿间距；d-流道宽度；l-流道长度(流道中心线长度)；图3是对DRIPLINE系列灌水器三维扫描得到的堵塞物质分布图；图4是对DRIPLINE系列灌水器三维扫描后导出CAD图；图5是DRIPLINE系列灌水器流道内部剪切力分布示意图；图6是流道采用不同边界优化的结构示意图；其中，图(a)是采用大圆弧优化，图(b)是采用小圆弧优化；图中各参数的含义如下：A—齿尖背水区；B—齿尖迎水区；C—齿根背水区；D—齿根迎水区；d—流道宽度；R—圆弧优化半径；图7是灌水器采用不同边界优化的剪切力分布图；其中，图(a)是采用大圆弧优化，图(b)是采用小圆弧优化；图8是DRIPLINE系列灌水器选用最优优化方案后的结构示意图；图9是DRIPLINE系列灌水器选用最优优化方案后的剪切力分布示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。如图1所示，本专利技术提出一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，包括以下步骤：1)通过对灌水器实施三维结构扫描，获取其内部流道结构的三维模型。采用三维扫描系统对灌水器整体结构进行三维无扰扫描，其主要分为数据获取、深度数据配准、模型构造三部分。数据获取：主要通过三维扫描系统内部存在的激光发射装置与激光探测装置而实现。扫描时采用激光束扫略目标体表面，根据激光束发射与接收之间的时间差，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，包括以下步骤：1)通过对灌水器实施三维结构扫描，获取其内部流道结构的三维模型；2)建立初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟的计算模型；3)利用步骤2)中的计算模型对步骤1)反演出初膜附着条件下灌水器流道部分的模型进行固、液、气三相流动模拟，诊断出流道中可能发生堵塞的待优化位置；4)对步骤3)中诊断出的待优化位置进行靶向圆弧优化，即将其边界之间采用圆弧的方式连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，包括以下步骤：1)通过对灌水器实施三维结构扫描，获取其内部流道结构的三维模型；2)建立初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟的计算模型；3)利用步骤2)中的计算模型对步骤1)反演出初膜附着条件下灌水器流道部分的模型进行固、液、气三相流动模拟，诊断出流道中可能发生堵塞的待优化位置；4)对步骤3)中诊断出的待优化位置进行靶向圆弧优化，即将其边界之间采用圆弧的方式连接。2.如权利要求1所述的一种用于提升灌水器抗堵塞性能的漩涡洗壁优化方法，其特征在于：所述步骤2)中建立初膜影响下灌水器流道内部颗粒物输移模拟的计算模型的过程如下：过滤小尺度涡后的大涡动量方程如式(1)：考虑到小涡对大涡的影响，式(1)中剪切力的计算方法如式(2)：其中定义为：上述公式中，分别为流体流速在i、j方向上的平均速度的分量；xi、xj分别为x轴在i、j方向上的分量；ρ为标准大气压下的液体密度，为平均水头压力；μ为粘性系数；t为时间，τij为亚格子力；μt为亚格子涡粘性系数；为可解尺度的变形率张量；τkk为剪切力；δij为层流层厚度，Ls为湍动能与湍动能耗散率，为变形率张量矩阵行列式；选取弹性恢复系数为0.5时的碰撞模型，如式(5)：其中，U为颗粒物总速度值，u、v分别是颗粒物速度在x、y两个坐标轴方向的分量，f为摩擦因数，α为经验系数；在此基础上，考虑附加质量力、惯性力、重力、压力梯度、曳力、浮力、Sa...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云开，侯鹏，冯吉，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11