压力补偿滴头流固耦合特性研究

压力补偿滴头在流量均匀稳定性和抗堵塞性方面比非补偿式滴头具有明显的优势。但其结构复杂、流道尺寸小，工作原理复杂，目前对其内流场的变化及分布与工作性能之间的关系，还缺乏深入的认识和把握。本项目以研究压力补偿滴头中流固耦合作用对水力特性的影响为目标，根据流固耦合动力学理论，建立压力补偿滴头水力特性的流固耦合分析模型，确定耦合方程的解耦方法及流固界面数据的传递关系，获得压力补偿滴头的流固耦合数值分析方法，分析弹性膜片性能对滴头压力补偿范围的影响，结合滴头宏观水力特性测试及PIV流场测试结果，探讨滴头结构参数与水力特性之间的关系。力求探索清楚压力补偿滴头内部流动的流固耦合特性对水力性能的影响关系，初步建立压力补偿滴头结构设计理论，为压力补偿滴头结构设计、提高工作性能提供理论依据，以缩短滴头研制周期，降低开发成本，促进我国节水农业的发展。

压力补偿滴头在流量均匀稳定性和抗堵塞性方面比非补偿式滴头具有明显的优势。但其结构复杂、流道尺寸小，工作原理复杂，目前对其内流场的变化及分布与工作性能之间的关系，还缺乏深入的认识和把握。本项目以研究压力补偿滴头中流固耦合作用对水力特性的影响为目标，根据流固耦合动力学理论，建立了压力补偿滴头水力特性的流固耦合分析模型，采用流场与结构场数值模拟分步计算，通过流固耦合界面传递荷载，逐步迭代求解流固耦合模型，得到压力补偿滴头内流场分布及膜片变形，分析弹性膜片性能对滴头内流场及水力特性的影响，结合滴头宏观水力特性测试结果，探讨滴头结构参数与水力特性之间的关系及滴头内悬浮颗粒随水流动时的浓度分布规律，初步建立压力补偿滴头结构设计理论。研究结果表明，流固耦合分析分析模型及流场、结构场分步模拟-界面数据传递-逐步迭代求解的方法能够很好的求解压力补偿滴头的水力特性；通过该方法模拟及试验研究发现，从滴头入口到进入补偿区前流道内的水流压力变化不大，接近入口压力，在弹性膜片作用下水流两个环形流道入口处流道断面变小，在这两处地方水流能量损失较大，压力沿水流前进方向急剧变小，消能后到达滴头出口处压力接近于0；随着入口压力的增加，膜片变形量逐渐增大，在一定范围内与压强呈线性关系。膜片变形使流道变窄，局部损失增加，滴头的流道形状及尺寸随着膜片变形变化，使滴头流量在一定压力范围内差异减小，达到压力补偿效应，保证压力补偿滴头的出流量较为均匀；通过对流固耦合模型与液固两相流模型联合使用，模拟了压力补偿滴头内悬浮颗粒分布特点，入流颗粒粒径及浓度对流场均有影响，入流颗粒浓度比粒径对流量的影响大，提高滴灌系统过滤器性能可以有效降低管道内颗粒浓度，减小滴头堵塞几率。同时还可通过改进滴头结构提高自身的抗堵塞性。采用该法对齿形流道进行了流道结构优化方法研究，得到了16种不同结构流道的内流场分布，通过对结构参数与颗粒分布的关系，确定了优化的滴头结构参数。通过改变流道结构，改善流道内流场分布，使作用在颗粒上的升力大于阻力能够有效防止堵塞。研究结果为压力补偿滴头结构设计、提高工作性能提供理论依据。