本文關(guān)鍵詞：不同類型滴頭毛管局部水頭損失研究

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【摘要】：滴灌設(shè)計(jì)時(shí),灌水均勻度是評(píng)價(jià)滴灌設(shè)計(jì)是否合理的重要指標(biāo),而準(zhǔn)確計(jì)算滴灌管局部水頭損失是確定灌水均勻度的基礎(chǔ)。本文以工程實(shí)踐中常用的裝有3種不同類型滴頭的毛管為研究對(duì)象,采用室內(nèi)灌水試驗(yàn)結(jié)合量綱分析和CFD數(shù)值模擬等研究技術(shù),探討了滴頭引入對(duì)毛管壓力水頭的影響機(jī)制,通過分析滴頭處流速和壓力的變化闡明了相關(guān)因素對(duì)滴頭局部水頭損失的作用機(jī)理,進(jìn)而優(yōu)化回歸得到不同類型滴頭局部水頭損失計(jì)算表達(dá)式,以期為完善和豐富滴灌水力設(shè)計(jì)理論提供科學(xué)依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn):(1)以工程中常見的4種滴頭插入式滴灌管為研究對(duì)象,通過室內(nèi)灌水試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了在層流和紊流兩種流態(tài)下,滴頭形狀和雷諾數(shù)對(duì)插入式滴灌管滴頭局部水頭損失的影響。插入式滴頭毛管水頭損失數(shù)值模擬與試驗(yàn)吻合度較高。層流和紊流流態(tài)下,滴頭插入式毛管局部水頭損失系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而減小,隨滴頭毛管斷面面積比的增大而增大。局部水頭損失主要包括三部分的能量損耗,滴頭段水流粘滯阻力消耗的能量,能量轉(zhuǎn)化過程中損失的機(jī)械能和由滴頭插入引起的尾部回流區(qū)消耗的能量,其中滴頭尾部回流消耗的能量是引起局部水頭損失的主要原因。(2)以前期研究的滴頭插入式滴灌管為研究對(duì)象,設(shè)置6組不同滴頭間距進(jìn)行灌水試驗(yàn),采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合CFD數(shù)值模擬研究滴頭局部阻力間的相鄰影響并分析其影響因素。滴頭局部阻力相鄰影響系數(shù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,CFD數(shù)值模擬可呈現(xiàn)滴頭附近水流擾動(dòng)狀態(tài),揭示滴頭局阻相鄰影響發(fā)生機(jī)理。滴頭局部阻力相鄰影響系數(shù)主要受滴頭間距影響,雷諾數(shù)對(duì)其影響可忽略不計(jì)。滴頭局部阻力相鄰影響系數(shù)隨滴頭間距的減小而減小。滴頭前后擾動(dòng)范圍和流速分布的變化是滴頭局部阻力產(chǎn)生相鄰影響的主要原因。滴灌設(shè)計(jì)中當(dāng)插入式滴頭間距小于0.5 m時(shí),應(yīng)考慮滴頭局部阻力間的相鄰影響,相鄰影響系數(shù)取值范圍為0.85~1。(3)以常見的4種內(nèi)鑲圓柱式滴灌管為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行灌水試驗(yàn)同時(shí)采用CFD數(shù)值分析,在驗(yàn)證模擬與試驗(yàn)吻合良好的基礎(chǔ)上,對(duì)12種滴灌管進(jìn)行了模擬研究,通過量綱分析研究了毛管局部水頭損失影響因素。滴頭內(nèi)徑偏差較小時(shí),滴灌管局部水頭損失模擬值與試驗(yàn)值吻合度較高,滴頭內(nèi)徑偏差較大時(shí),局部水頭損失模擬值略小于試驗(yàn)值,實(shí)測(cè)滴灌管滴頭內(nèi)徑存在偏差是造成實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果存在誤差的主要原因。量綱分析可得滴灌管局部水頭損失之結(jié)構(gòu)關(guān)系式,數(shù)值模擬可確定各因式之系數(shù)。內(nèi)鑲圓柱式毛管局部水頭損失與毛管內(nèi)徑、滴頭內(nèi)徑、滴頭長(zhǎng)度、水流流速、水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)有關(guān),滴頭內(nèi)徑對(duì)其影響最大。在不需要精確計(jì)算毛管局部水頭損失時(shí),可忽略溫度對(duì)局部水頭損失的影響。(4)基于之前對(duì)內(nèi)鑲圓柱式滴灌管局部水頭損失的深入研究,考慮截面固定圓形滴灌帶與工程實(shí)際中管徑變化非圓形滴灌帶斷面形狀不統(tǒng)一的事實(shí),以6種不同壁厚的滴灌帶為研究對(duì)象,通過實(shí)測(cè)壓力與滴灌帶斷面形狀的關(guān)系,查明了包含滴頭斷面形狀在內(nèi)的內(nèi)鑲貼片式滴管帶局部水頭損失影響因素。滴灌帶過水?dāng)嗝嫘螤顣?huì)隨壓力的改變而改變,當(dāng)壓力值大于形變臨界壓力時(shí),其過水?dāng)嗝娼茷閳A形,當(dāng)壓力值小于形變臨界壓力時(shí),其過水?dāng)嗝娼茷闄E圓形。滴灌帶形變臨界壓力與滴灌帶壁厚呈線性相關(guān),壁厚越大滴灌帶形變臨界壓力越大,壁厚越小滴灌帶形變臨界壓力越小。滴灌帶局部水頭損失滴灌帶斷面形狀、滴頭長(zhǎng)度、滴頭寬度、滴頭厚度有關(guān),滴灌帶斷面形狀對(duì)其影響很大。當(dāng)?shù)喂鄮嗝嫘螤顬閳A形時(shí),可直接采用擬合公式計(jì)算局部水頭損失,當(dāng)?shù)喂鄮嗝嫘螤顬闄E圓時(shí),需先確定滴灌帶的扁平程度,再使用擬合關(guān)系式計(jì)算滴頭局部水頭損失。(5)依賴前文研究獲得的不同類型滴頭局部水頭損失計(jì)算式,通過分段處理和逐步推算的計(jì)算方法分析了不同類型滴頭毛管局部水頭損失對(duì)總水頭損失的貢獻(xiàn)作用及其與沿程水頭損失比值關(guān)系。滴頭局部水頭損失與滴頭間距、滴頭流量密切相關(guān),滴頭局部水頭損失隨滴頭間距的減小和滴頭流量的增大而增大。對(duì)于相同滴頭間距、滴頭流量和管徑的毛管,插入式滴頭和內(nèi)鑲圓柱式滴頭局部水頭損失相對(duì)較大,內(nèi)鑲貼片式滴頭局部水頭損失相對(duì)較小。分別得到2種不同類型滴頭毛管水頭損失擴(kuò)大系數(shù)計(jì)算表達(dá)式,毛管水頭損失擴(kuò)大系數(shù)與滴頭間距和滴頭流量有關(guān),其中滴頭間距對(duì)其影響尤其明顯;滴灌常見工況下滴頭插入式毛管水頭損失擴(kuò)大系數(shù)范圍為1.37~2.49,內(nèi)鑲圓柱式毛管水頭損失擴(kuò)大系數(shù)范圍為1.18~2.89,內(nèi)鑲貼片式滴管帶水頭損失擴(kuò)大系數(shù)范圍約為1.1~1.2。對(duì)于3種不同類型滴頭,層流流態(tài)下毛管水頭損失值均相對(duì)較小,在無需精確計(jì)算時(shí)可忽略層流段毛管水頭損失。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S275.6

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