基于文丘里原理的灌水器、压力调节器设计及水力性能研究

针对目前国内专门用于低压的滴灌灌水器和压力调节器产品较少的问题，本文依据文丘里管的原理设计了用压差调节出流量的灌水器和压力调节器。灌水器以喉管直径、收缩段锥度、回水管直径、出水口直径为试验因素进行正交试验设计，并对不同结构参数组合的灌水器进行水力性能试验，分析了各结构参数与水力特征参数的关系。利用计算流体力学数值模拟分析软件对压力调节器水力特性进行数值模拟，分析流道结构参数与水力特征参数的关系以及流道结构与流道内部流动特性的关系；优选并制作压力调节器RP原件进行性能测试，分析压力调节器的水力性能和压力调节器的内部水流流动机理。本文得出以下主要结论：（1）文丘里灌水器的水力性能试验结果表明，四个因素对流态指数的影响次序是：出水口直径-回水管直径-收缩段锥度-喉管直径，最优的处理组合是：喉管直径为2mm，收缩段锥度为1.16rad，回水管直径为6mm，出水口直径为3mm；方差分析结果显示，出水口直径和回水管直径对灌水器的流态指数x影响显著。应用多元线性回归法拟合得到的流态指数和流量系数的回归方程能较好地预测灌水器流量与压力的关系，从而实现了灌水器参数化的结构设计。（2）利用数值模拟软件Fluent和正交试验设计方法，分析了具有多因素影响的文丘里压力调节器的水力性能。结果显示，流道结构参数对流态指数影响的顺序为：分流段直径-喉管直径-回水管直径-收缩段锥度；对流量影响的顺序为：喉管直径-分流段直径-收缩段锥度-回水管直径。按显著水平a=0.1来检验时，喉管直径对压力调节器流量的影响显著。利用多元线性回归方法拟合出的流态指数和流量(300KPa工作水头下)与结构参数的关系式，为压力调节器的研究与结构优化提供了理论依据。利用Fluent软件对优选的文丘里压力调节器进行了水力性能模拟，压力分布图和速度分布图充分体现了利用文丘里原理使水回流的消能作用，证明该压力调节器可动态调节流量。（3）对有回水管的压力调节器（样品1）和无回水管的压力调节器（样品2）进行了自由出流条件下和安装灌水器的调压试验研究。自由出流条件下CFD流量模拟结果同实测值误差较小，流量相对误差平均值为7.78%，数值模拟具有较高的精度，该数值模拟方法可以用来研究压力调节器结构与性能的关系，可以用于压力调节器结构的进一步优化。在调压试验中，样品1出流量比样品2出流量平均少33.3%，说明样品1可以使部分水流经回水管回流。样品1在自由出流条件下的测压结果显示后部的压力明显大于喉部压力，水可以从回水管由后部回流到喉部，而且随着进口压力的变化喉部负压也相应变化；调压试验结果显示样品1的平均压降比样品2的平均压降大7.42%；回水管水头损失与进口压力的关系显示，随着进口压力的增大回水管内的水头损失增大、流速水头增大，流量也就增大。该结构的压力调节器是利用压差使回水管内的水回流调节流量的，压差越大喉管产生的负压越大、回流的水越多，对流量的调节效果越好。压力调节器可以达到动态调节出口流量的目的。