[發明專利]用于提升灌水器抗堵塞性能的漩渦洗壁優化方法

有效

• 申請號: 201810047877.4
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108427822B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 李云開;侯鵬;馮吉
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;何家鵬

1.一種用于提升灌水器抗堵塞性能的漩渦洗壁優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)通過對灌水器實施三維結構掃描，獲取其內部流道結構的三維模型；

2)建立初膜影響下灌水器流道內部顆粒物輸移模擬的計算模型，具體過程如下：

過濾小尺度渦后的大渦動量方程如式(1)：

考慮到小渦對大渦的影響，式(1)中剪切力的計算方法如式(2)：

其中定義為：

上述公式中，分別為流體流速在i、j方向上的平均速度的分量；x_i、x_j分別為x軸在i、j方向上的分量；ρ為標準大氣壓下的液體密度，為平均水頭壓力；μ為粘性系數；t為時間，τ_ij為亞格子力；μ_t為亞格子渦粘性系數；為可解尺度的變形率張量；τ_kk為剪切力；δ_ij為層流層厚度，L_s為湍動能與湍動能耗散率，為變形率張量矩陣行列式；

選取彈性恢復系數為0.5時的碰撞模型，如式(5)：

其中，U為顆粒物總速度值，u、v分別是顆粒物速度在x、y兩個坐標軸方向的分量，f為摩擦因數，α為經驗系數；

在此基礎上，考慮附加質量力、慣性力、重力、壓力梯度、曳力、浮力、Saffman力的影響，即：

其中，u、v分別是顆粒物速度在x、y兩個坐標軸方向的分量，v_p為速度v在p方向的分量；u_p為速度u在p方向的分量；p為總水頭壓力；ρ_p是壓力p下的水流密度；F_r為弗勞德數；d為顆粒直徑；r為顆粒半徑；ρ為標準大氣壓下的液體密度；g為重力加速度；C_D為經驗系數；

3)利用步驟2)中的計算模型對步驟1)反演出初膜附著條件下灌水器流道部分的模型進行固、液、氣三相流動模擬，診斷出流道中可能發生堵塞的待優化位置：

應用步驟2)中構建的初膜影響下灌水器流道內部顆粒物輸移模擬模型，對步驟1)中反演出的灌水器流道結構進行固、液、氣三相流動模擬，得出灌水器近壁面剪切力分布情況，診斷其邊界水力剪切力是否處于控制閾值(τ∈(0，0.2Pa)∪(0.4Pa，+∞))范圍內，若其處于(0.2Pa，0.4Pa)之間，則該位置為可能發生堵塞的待優化位置；

4)對步驟3)中診斷出的待優化位置進行靶向圓弧優化，即將其邊界之間采用圓弧的方式連接：

首先對齒尖背水區與齒根迎水區或齒尖迎水區與齒根背水區分別采用半徑為流道寬度的1/3和1/2的圓弧優化流道邊界，兩種優化方式中，選擇近壁面剪切力均不處于0.2～0.4Pa區間內的一個方案作為最終優化方案；如果兩種情況下近壁面剪切力均不處于0.2～0.4Pa區間內，則選擇漩渦發展更充分、湍流強度高的1/2的圓弧優化方式作為最終優化方案。