曝气滴灌迷宫流道多相流流动特性与系统参数优化

Aerated drip irrigation is a new type of highly efficient water saving irrigation technology. Previous studies have focused on its influence of crop yield, quality, and physiological index. And the effect on soil water, gas, microbial environment was also included. But little research has been done on hydraulic performance and anti-clogging performance of emitter. That the characteristics of gas-liquid two-phase flow or gas-liquid-solid three-phase flow in the flow passage of aerated drip irrigation emitter are unknown. As a result, the design, operation and management of aerated drip irrigation system are lack of scientific guidance, which bringing irrigation system a poor performance. Therefore, this research will study the effect mechanism of aeration parameters, flow pass parameters, and operating parameters on the characteristics of gas-liquid two-phase flow and solid particle movement, by means of visualization experiment and numerical simulation. It will analyze the flow pattern, velocity field, pressure drop, bubble movement within gas-liquid two-phase flow, and movement, retention time, pass-through rate of solid particle within gas-liquid-solid three-phase flow in the flow passage. The main parameters affecting the fluid motion in the flow passage will be presented. This research will develop mathematical models of gas-liquid two-phase flow and gas-liquid-solid three-phase flow under the conditions of different parameters on operating, aeration, and flow passage. The proper parameters of operating, aeration, and flow passage provided by this research will provide theoretical basis for the scientific operation and promotion of aerated drip irrigation.

曝气滴灌作为一种新型高效的节水灌溉技术，对作物产量、品质、生理指标和土壤水、气、微生物环境都有非常积极的影响，但目前灌水器流道内气液两相流或气液固三相流流动特性不明，造成曝气滴灌系统设计、运行、管理缺乏科学依据，使用效果不佳，限制了曝气滴灌技术的发展和推广。本项目拟通过曝气滴灌可视化试验，针对不同流道尺寸，研究曝气参数和工作压力对迷宫流道内气液两相流流动特性和泥沙颗粒运动的影响机制；分析流道内气液两相流、气液固三相流的流型变化、速度场特征、气泡运动规律、泥沙颗粒运动规律；揭示曝气滴灌迷宫流道内多相流流动特性；明确影响流道内流体运动特性的主要参数；在此基础之上，建立不同工作压力、曝气参数、流道参数组合条件下的气液两相流、气液固三相流流动模型；进一步结合数值模拟，提出适宜曝气滴灌系统的工作压力、曝气参数和流道参数，丰富、完善曝气滴灌系统的设计理论，为曝气滴灌系统的科学运行和推广发展提供论依据。

针对目前曝气滴灌系统中灌水器流道内气液两相流流动特性不明，造成曝气滴灌系统设计、运行、管理缺乏科学依据，使用效果不佳的问题，本项目通过微纳米曝气滴灌可视化试验对不同流道尺寸内的气液两相流动特性，曝气参数和系统工作参数对气液两相流的流型变化、速度场特征、气泡运动规律的影响，微纳米气泡对沉积泥沙的冲刷作用等内容开展研究，主要研究结果如下：.（1）微纳米曝气滴灌迷宫流道内，典型流型为泡状流，偶现弹状流；沿迷宫流道全程，气泡数量逐渐减少，直径最大值和平均值逐渐增大，表明气泡的并聚现象多于气泡的破碎现象。在入口压力和流道位置都相同时，长、短迷宫流道对比，短流道后端气泡数量更少，气泡平均直径和最大直径更小。.（2）在流道相同位置处，入口压力对气泡直径分布的影响非常大。随着入口压力的越高，气泡数量越少，气泡平均直径和最大直径均越小。同时，流道入口压力增大对气泡的瞬时速度平均值有显著的提高。.（3）流道的主流区观察到气泡光滑流畅的运动轨迹，涡旋区为大量回旋的气泡运动轨迹。随着入口压力的增加，更多的气泡进入旋涡区，回旋的次数增加，但气泡回旋周长减小，使得气泡运动轨迹平均总长度没有显著变化。在流道特征尺寸基本一致的条件下，气液两相流的流型和气泡运动特性不受流道齿尖形状和角度的影响。.（4）对比清水、微纳米气泡水灌溉后的流道内泥沙沉积层厚度，相比非曝气滴灌，微纳米曝气滴灌对流道内泥沙沉积厚度的清洁作用更明显；且入口压力越大，微纳米气泡对泥沙沉积的清洁作用越显著；在同一入口压力下，流道末端的泥沙清除作用最佳。.（5）初步实现了不同条件下迷宫流道内气液两相流的数值模拟。.根据以上结果提出在微纳米曝气滴灌实践中推荐使用较高的系统工作压力和较短的迷宫流道结构，以获得更佳的水气输送效果和泥沙冲洗效果。