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基于Pro/E喷头流道建模与流场模拟试验研究

作　者: Nguyen Van Lanh
导　师: 韩文霆
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 计算流体动力学(CFD) 摇臂式喷头数值模拟试验
分类号: TP391.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

喷头的结构对其工作性能影响很大,一直是喷头研究的重点。传统的方法只能通过试验来评价喷头的工作性能,这种方法费时费力。应用计算流体动力学(CFD)方法及软件可以很快地评价喷头的工作性能,具有快速高效的特点。本文以雨鸟30PSH摇臂式喷头为研究对象。在DD7725e型线切割机床上从对称面将喷头流道切割成两部分,用精度为0.02mm的游标卡尺测量喷头流道、入口段及主副喷嘴的尺寸,在Pro/Engineer软件中建立喷头内流道三维实体模型。在Gambit软件中用四面体为主混合六面体的网格单元对喷头的内流道三维流场进行网格划分。将网格文件导入Fluent软件,用RNG k-ε模型和SIMPLEC计算方法对喷头内流道三维流场进行数值模拟,分析了4种主喷嘴直径和10种入口压力下喷头主、副喷嘴的流量、入口压力、出口平均速度与湍动能等参数的关系。研究结果表明主喷嘴直径增大时,副喷嘴流量几乎不变；主、副喷嘴的流量分配比例由主喷嘴直径决定,与入口压力无关。入口压力增大,主喷嘴出口平均速度增大,但副喷嘴出口平均速度不变。喷头主、副喷嘴的平均湍动能随入口压力增大而增大,不受主喷嘴直径变化的影响。主喷嘴出口静压力、湍动能和速度的标准差、副喷嘴出口静压力标准差与入口压力近似成正比；而副喷嘴出口湍动能和速度的标准差会随主喷嘴直径或入口压力增大产生较大的无规律变化。喷头内流道流场的可视化结果显示喷头副喷嘴与弯管连接处静压力较大,接近喷头入口静压力,在喷头结构设计时应加以关注。对喷头进行水力性能试验,测量4种主喷嘴直径和5种入口压力下喷头的流量。对比喷头的试验流量与雨鸟公司流量,结果表明,二者的相对误差最大和最小值分别为10.35%和3.71%,在正常误差范围内。比较喷头试验流量与雨鸟公司流量,结果表明,模拟流量与试验流量的相对误差在入口压力200-350kPa范围内较大,最大为27.31%,最小为6.88%,在400-650kPa范围内,模拟结果比较精确,与试验流量的相对误差最大为7.36%,最小仅0.46%。模拟结果和试验结果均显示,喷头的流量、速度和湍动能都与其入口压力和主喷嘴直径成正比,喷头主喷嘴流量占总流量比例随入口压力增大而增大,与主喷嘴直径无关。本文研究结果对摇臂式喷头内流场CFD数值模拟和主副喷管结构设计具有指导意义。

全文目录

Acknowledgement  3-5
Table of Contents  5-7
List of Figures  7-9
List of Tables  9-10
Abstract  10-12
摘要  12-13
Chapter 1 Introduction  13-21
  1.1 Objective and significance of the thesis  13-15
    1.1.1 Using water resources of the World  13-14
    1.1.2 The operation of sprinkler irrigation  14
    1.1.3 Application informatics technology on research  14-15
  1.2 Literature review  15-19
    1.2.1 The research impact sprinkler pattern modification  15
    1.2.2 The research sprinkler droplet size out nozzle  15-16
    1.2.3 Application CFD on irrigation research  16-19
  1.3 Contents of the thesis  19-20
  1.4 The structure of the thesis  20-21
Chapter 2 Materials and methods  21-49
  2.1 The Rain Bird 30 PSH impact sprinkler  21-22
  2.2 Procedures preparation  22-29
    2.2.1 Cutting the Rain Bird 30PSH impact sprinkler  22-24
    2.2.2 Measuring inside parameters of the Rain Bird 30PSH impact sprinkler  24-25
    2.2.3 The Pro/ENGINEER software  25-26
    2.2.4 The Gambit software  26-27
    2.2.5 The Fluent software  27-29
  2.3 Geometric model and grid generation  29-31
  2.4 Mathematical model  31-34
    2.4.1 The elementary governing equation of numerical methods to study internal flow of the Rain Bird 30PSH sprinkler  31-32
    2.4.2 The Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations  32-33
    2.4.3 The fundamental turbulence RNG k-ε model  33-34
  2.5 Boundary conditions and numerical method  34-35
  2.6 Simulation internal flow of Rain Bird 30PSH impact sprinkler  35-47
    2.6.1 Fluent simulation description  35
    2.6.2 Setup and Solution  35-47
  2.7 Experimental set-ups and procedures  47-49
Chapter 3 Results and discussion  49-65
  A.Simulation results  49-60
    3.1 Relationship of flow rates and inlet pressures  49-50
    3.2 The distribution of flow rates between range nozzle and spreader nozzle  50-51
    3.3 The velocity magnitude  51-53
    3.4 Turbulent Kinetic Energy  53-55
    3.5 Standard deviation  55-57
    3.6 Visualization of the flow field  57-60
  B.Experiment and Comparison results  60-65
    3.7 Relationship of flow rates and inlet pressures  60-63
      3.7.1 Experiment results  60-61
      3.7.2 Comparison of simulated and experimental  61
      3.7.3 Comparison of simulated and data of Rain Bird company (standard)  61-62
      3.7.4 Comparison of experimental and data of Rain Bird company (standard)  62-63
    3.8 The distribution of flow rates between range nozzle and spreader nozzle  63-65
      3.8.1 Experiment results  63-64
      3.8.2 Comparison of simulated and experimental  64-65
Chapter 4 Conclusions and Suggestions  65-67
  4.1 Conclusions  65-66
  4.2 Suggestions  66-67
References  67-71
Appendix A:Simulation data  71-91
Appendix B:Experiment data  91-94
Appendix C:Manufacturer data  94

基于Pro/E喷头流道建模与流场模拟试验研究

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