迷宫灌水器旋涡区特性及其影响因素分析

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1、迷宫灌水器旋涡区特性及其影响因素分析第一章绪论1.1引言水资源是人类赖以生存的基本资源，据了解，全球水资源总量约为13.8亿立方米，海水占水资源总量的绝大部分，比例为97.5%，淡水只占2.5%。且淡水资源中有很大一部分为两级冰川与地下水。人类能直接利用的水资源仅有0.01%[1]，因此目前对于水资源的合理开发与利用是社会中面临的主要问题，是全球社会经济发展必须的战略性资源。我国水资源总量令人堪忧，干旱缺水的现象已经逐渐加剧。我国淡水资源总量与人均占有量均较低，是全球严重缺水的十三个国家之一[2]。水资源的缺乏对我国的飞速发展形成了很大的阻力，制约我国经济的发展。

2、2013年我国水资源共有27957.9亿立方米，占全球水资源总量的6%。同时人均对水资源的占有量仅为世界平均水平的1/4[3]。水资源在地域分配上也有较显著的差异性。根据水利部统计，水资源分配总体呈现南方地区多于北方地区。其中北方地区水资源总量为6508.0亿立方米，占全国的23.3%；南方地区水资源总量为21449.9亿立方米，占全国的76.7%。从我国行政区域划分来看，东部地区水资源总量为6130.3亿立方米；中部地区水资源总量为6748.3亿立方米，占全国的24.2%；西部地区水资源总量15079.3亿立方米，占全国的53.9%[4]。我国人口增长与社会经济

3、快速发展带来的是我国用水问题的逐渐突出[5]。我国有接近七成的耕地是位于降水量少于1000厘米的常年灌带与补充灌带上，约为灌溉总面积的50%，位于全球之首。我国灌区每年灌溉用水缺少300亿立方米[6]。干旱缺水目前已经成为我国农业发展面临的巨大问题。但由于我国使用了大面积的传统灌溉系统，导致了目前水资源浪费现象与水利用率不高的现象的存在。目前我国年农业灌溉用水量为3800亿立方米，占全国总用水量的70%，其中90%为农业用水。1.2研究目的及意义滴灌技术与设备自十九世纪六十年代末问世之后，已经在半个世纪被广泛使用了，其为作物提供适宜生长环境与高效的节水性能得到了普

4、遍的认同。70年代一些发达国家就把节水灌溉的研究思路由喷灌调整到了滴灌。但是，滴灌在实际使用中受到了短期大量投资的限制，尤其对于一些灌溉面积较小的场所，尽管附加的加压灌溉系统也可适用在小面积耕地中设计运行，但加压灌溉系统对于小面积耕地运行设计与运行时产生的费用不能成比例的减少，易产生单位面积灌溉成本总和大于总灌溉面积成本的现象。因而滴灌被人们称为昂贵的灌溉技术，仅在产值高、利润大的果蔬、花蕊等作物中使用[18]。同时由于我国滴灌面积主要集中分布在西北、华北等严重缺水的地区，新疆地区在棉花种植过程中更多的引入了滴灌技术，面积按每年7万公顷的增速提高。南方地区虽然水资

5、源相对充沛，考虑到提高作物的产量与品质也引入了滴灌和微灌技术，并以每年1.5万公顷的速度提高[19]。据统计，截止2010年底，我国滴灌面积已达到72万公顷，并成为了滴灌技术普及程度最高的国家[20]。虽然滴灌的投资与技术要求较大，导致了滴灌技术在普及过程中有一定的困难。但是滴灌技术的高节水性以及更好的灌溉均匀度，水肥同输、省工、节能都使其在开发中受到了工程人员的重视[21]。..第二章模型建立及数值模拟2.1FLUENT简介FLUENT是目前国际上使用最多的CFD软件，其可以模拟流体压缩性考虑与否的所有复杂流动现象。其非结构化网格、自适应网格技术、多种边界条件及

6、自带的UDF编辑功能与多种物理模型，让FLUENT在化学、热能、水利等多个行业中被广泛使用。其在美国同类软件市场占有率已达60%[58]。FLUENT是美国FLUENT公司在研制推出的并于1983年正式投放市场。作为FLUENT公司第二个以有限体积法为基础的软件，因其功能强大、实用性广等优点而成为目前国内外使用最多的CFD软件之一[59]。其可通过计算机数值计算与图形显示高效、准确的对于复杂流域计算问题进行处理，并且对物理现象的分析提供准确的模拟结果。FLUENT作为一款求解器主要包括前处理、数值求解、后处理三大板块，N-S方程组是其求解的核心板块。其主要功能是导

7、入计算网格、选择计算模型、设定边界条件、选取材料属性、计算及对结果进行相应的后处理[60]。FLUENT前处理工具GAMBIT提供的网格特性十分灵活，有结构网格和非结构网格。其中非结构网格的使用更加增强了网格的灵活性。非结构网格提供的三角形、四边形、四面体、六面体、以及混合性网格对于解决复杂的流动问题提供了正确性的保证。同时FLUENT还可以根据用户的需要提供网格加密或者粗化功能。网格自适应的修改调整可以实现局部流动区域网格的调整而不对于整个网格体系。其不但兼顾了网格调整过程中的精度要求而且还起到了省时的作用[68]。2.2矩形迷宫灌水器模型建立与网格划分本文选取

8、水力性能较