弹簧性能参数对微灌压力调节器调压效果的影响

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1、灌溉排水学报２０１５年１０月第３４卷第１０期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）１０－００１５－０４弹簧性能参数对微灌压力调节器调压效果的影响李连忠，牛文全（西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌７１２１００）摘要：利用流固耦合数值计算方法与样件测试验证方法，分析了弹簧劲度系数和初始应力对压力调节器调压特性及流量的影响。结果表明，弹簧劲度系数和初始应力对压力调节器出口预置压力和流量的影响均呈线性关系，且弹簧初始应力的影响明显大于弹簧劲度系数；压力调节器的临界工作压力与出口预置压力之差随着出口预置压力的增大而增大，且该差

2、值占临界工作压力和出口预置压力的比例随着出口预置压力的增大而线性增加。关键词：微灌压力调节器；流固耦合；数值计算；压力；流量中图分类号：Ｓ２７５．６；ＴＶ１３１．２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．１０．００４李连忠，牛文全．弹簧性能参数对微灌压力调节器调压效果的影响［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（１０）：１５－１８．微灌用压力调节器是保障管网安全的常用设备。已有研究对压力调节器的调节机理进行了一定探［１－３］索，但压力调节器的调压机理及调压过程中各运动部件受力状态还不是十分清楚，各结构参数与调压特性之间的定量关系尚未完全建立。流固耦合动

3、力学方法是近年来发展比较迅速的数值分析方法，该方法能［４－６］够实现流体与固体相互作用过程的动态分析，运用于相关领域并取得了一系列进展。因此，有必要在实验验证的基础上，应用流固耦合数值计算方法，研究微灌用压力调节器弹簧劲度系数和初始应力对压力调节性能的影响，进一步探求微灌压力调节器的调压机理与各构件的运动规律，为压力调节器的设计提供参考。１材料与方法１．１微灌压力调节器的构成及特点压力调节器结构如图１所示，主要由上游接头、下游接头、进口花篮堵头、“Ｏ”型密封圈、弹性膜片、弹簧、调节组件等部分构成。其中，调节组件是主要工作部件，在受力过程中进行轴向移动，改变调节组件与进口花篮堵头之间的

4、过水断面，达到消能效果，从而使压力调节器的出口压力维持在某一特定的范围内。弹簧是压力调节器的关键部件，初始为压缩状态，用以平衡作用在调节组件断面上的前后压力差，实现控制起调压力大小的目的；“Ｏ”型密封圈主要起图１压力调节器结构示意图密封作用；弹性膜片起密封和连带作用；上游接头、下游接头以及中部的外壳由螺纹连接，组合成一个整体。１．２试验设计与数值计算［１］研究表明：弹簧劲度系数（Ｋ）和初始应力（Ｆ）对压力调节器的调压特性影响明显，故选取Ｋ和Ｆ二因素进行分析，其取值如表１所示。收稿日期：２０１４－０５－１３基金项目：国家高技术研究发展技术（８６３）项目（２０１１ＡＡ１００５０７）作者简

5、介：李连忠（１９８６－），研究生，主要从事灌溉技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：１５１２９６５９７１８＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：牛文全（１９７１－），研究员，博士生导师，博士，主要从事节水灌溉新技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｗｑ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ１５表１试验因素与水平以压力调节器的调压效果和流量为研究指因素水平Ｋ／（Ｎ·ｍｍ－１）Ｆ／Ｎ因素水平Ｋ／（Ｎ·ｍｍ－１）Ｆ／Ｎ标，采用全因素试验方法进行计算分析。根据１０．７０５０３２．４０６７图１所示的压力调节器建立数值模型，并划分网２１．４１６０４２．８０６７格。进口直径为１０ｍｍ，外壳为硬塑料。采用４节点四面体网格单元进行流体模型几何离散，模

6、型尺寸较小位置适当加密。为保证数值计算与实际工况一致，在调节组件出口端与壳体的接触部分考虑接触作用，建立接触条件，模拟限位凸台的作用。调节组件壁面与接触面均选用８节点六面体网格，三维实体单元，接触壁面为４节点四边形网格。在调节组件的右侧非流固耦合面上设置弹簧单元，并施加ＦＯＲＣＥ条件，模拟弹簧的预压缩力及摩擦力（即初始应力）。与调节组件相互作用面设为流固耦合面，其他壁面均视为无滑移壁面。流体分析采用ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ时间积分格式，瞬态分析。压力调节器内水流视为不可压缩的牛顿流体，忽略３，动力粘度为０．００１３Ｎ／ｍ２。流体控制方程包括连续方程、Ｎ－Ｓ方程等［７］。热传递，液体密度为１

7、０００ｋｇ／ｍ流体控制方程采用有限体积方法离散，压力－速度耦合求解采用ｓｉｍｐｌｅ算法，收敛评价标准为１×１０－４。压力调节器工作时，由于调节组件轴向运动较大，流体网格在调节组件与进口花篮堵头之间不断被压缩，畸变严重时将导致计算无法收敛，因此需要采用网格重构的方法，使流体网格保持一个较好的质量，从而实现计算。通过命令流的方式生成密度分布合理的网格，节省计算资源的同时能够比较精确地捕捉主要流［８］动特征。结构计算模型中，调节组件与流体相互作用面设为流固耦合面