一种多井汇流装置的结构优化方法及两井汇流装置.pdf

本发明涉及一种多井汇流装置的结构优化方法及根据所述优化方法设计的两井汇流装置。首先通过数值模拟方法对多井汇流装置结构的汇流效率进行计算和对比，初步确定其中最优结构；然后针对初步确定的最优结构，通过设置试验因素和试验水平确定正交表，得到几组试验方案；再后采用数值模拟方法进行计算，得出各个入口及出口的平均总压，代入伯努利能量方程计算出水力损失；最后对计算结果进行分析，选择出水力损失最小的结构作为最优化结构。通过上述结构优化方法，可以有效确定水力性能最优的汇流装置结构，解决现有技术中汇流装置的水力损失大、能耗大、工作压力不达标、喷灌不均匀等问题，为多井汇流装置研发提供了技术指导，确保圆形喷灌机的科学设计和安全运行。

1.一种多井汇流装置的结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)设计几种多井汇流装置结构，对所述几种结构的汇流效率进行计算和对比，初步确
定其中最优结构；
2)针对所述确定的最优结构，设置n个结构参数变量作为试验因素，每个试验因素选取
r个不同数值作为试验水平，根据试验水平数和试验因素数确定正交表L_p-r^m，得到p组试验
方案，其中m≥n；
3)对所述确定的p组试验方案按组分别进行计算，得出每组各个入口及出口的平均总
压P_ti、P_t0，然后代入伯努利能量方程计算出每组的水力损失；其中，所述伯努利能量方程
为，

4)对计算结果进行分析，选择出水力损失最小的结构作为多井汇流装置的最优化结
构。
2.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述步骤1)中汇流效率和步骤3)
中平均总压的计算均采用数值模拟方法。
3.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述结构优化方法为两井汇流装
置的结构优化方法，包括以下步骤，
1)设计几种可用的两井汇流装置结构，对每种两井汇流装置结构的汇流效率进行计算
和对比，初步确定其中最优结构；
2)所述初步确定的最优结构一共有5个参数，分别是入口管径d₁、出口管径d₂、汇流罐直
径D、两入口管中心间距L₁和汇流罐长度L₂，设置L₁/L₂、d₁和D这3个参数作为试验因素，每个
试验因素选取3个不同数值作为试验水平，确定正交表L₉-3⁴，得到9组试验方案；
3)对所述9组试验方案按组分别进行计算，得出每组进、出口的总压P_t1、P_t2、P_t0，然后代
入伯努利能量方程计算出每组的水力损失；其中，所述伯努利能量方程为，

4)对计算结果进行分析，选择出水力损失最小的结构作为两井汇流装置的最优化结
构。
4.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述步骤1)中汇流效率的计算采用数
值模拟方法，所述步骤4)中分析采用水力损失正交试验设计的直观分析法。
5.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述步骤3)中总压P_t1、P_t2、P_t0的计算
包括首先进行三维建模，然后进行网格划分，再后采用数值模拟方法计算。
6.根据权利要求5所述的优化方法，其特征在于，所述三维建模采用DesignModeler软
件，网格划分采用Meshing软件，数值模拟采用FLUENT软件。
7.根据权利要求3-6任一项所述的优化方法设计的两井汇流装置，其特征在于，所述两
井汇流装置的入口管径d₁为80mm-125mm，出口管径d₂为150mm，汇流罐直径D为150mm-300mm，
汇流罐长度L₂为800mm，两入口管中心间距L₁与汇流罐长度L₂的比值L₁/L₂为0.2-0.8。
8.根据权利要求7所述的两井汇流装置，其特征在于，所述两井汇流装置的入口管径d₁
为125mm，汇流罐直径D为300mm，两入口管中心间距L₁与汇流罐长度L₂的比值L₁/L₂为0.2。

一种多井汇流装置的结构优化方法及两井汇流装置

技术领域

本发明属于农业节水灌溉技术领域，特别地，涉及一种圆形喷灌机入机口处多井
汇流装置的结构优化方法及根据所述结构优化方法设计的两井汇流装置。

背景技术

圆形喷灌机在我国东北、华北及西北的井灌地区应用较为普遍。由于地下水的缺
乏导致单井出水量无法满足喷灌机入机流量的要求，同时由于单台喷灌机的控制面积过
小、投资不经济、运行管理难等问题，在实际应用中多采用多口井并联向喷灌机供水，同时
在喷灌机入机前安装汇流装置的方式，以便汇集上游多井来流，起到调压稳流作用。常见的
一种汇流装置是由不同直径的钢管或钢板卷轧焊接而成。目前汇流装置结构设计没有相关
规范要求、随意性较大，对调压稳流的效果无法预估。公开发表文献中没有有关汇流装置结
构形式及结构参数(如汇流罐直径、入口管相对位置等)对水力性能的影响，如果设计不合
理，将会产生水力损失、增加能耗、工作压力不达标等问题，最终导致喷灌均匀性降低、影响
作物生长等不利结果。因此，有必要设计出一种优化的多井汇流装置的结构形式及结构参
数，以解决上述问题。

发明内容

针对灌溉工程中多井联合供水的实际情况，本发明提供了一种多井汇流装置的结
构优化方法，包括以下步骤，

1)设计几种多井汇流装置结构，对所述几种结构的汇流效率进行计算和对比，初
步确定其中最优结构；

2)针对所述确定的最优结构，设置n个结构参数变量作为试验因素，每个试验因素
选取r个不同数值作为试验水平，根据试验水平数和试验因素数确定正交表L_p-r^m，得到p组
试验方案，其中m≥n；

3)对所述确定的p组试验方案按组分别进行计算，得出每组各个入口及出口的平
均总压P_ti、P_t0，然后代入伯努利能量方程计算出每组的水力损失；其中，所述伯努利能量方
程为，

4)对计算结果进行分析，选择出水力损失最小的结构作为多井汇流装置的最优化
结构。

优选地，所述步骤1)中汇流效率和步骤3)中平均总压的计算均采用数值模拟方
法。

优选地，所述结构优化方法为两井汇流装置的结构优化方法，包括以下步骤，

1)设计几种可用的两井汇流装置结构，对每种两井汇流装置结构的汇流效率进行
计算和对比，初步确定其中最优结构；

2)所述初步确定的最优结构一共有5个参数，分别是入口管径d₁、出口管径d₂、汇流
罐直径D、两入口管中心间距L₁和汇流罐长度L₂，设置L₁/L₂、d₁和D这3个参数作为试验因素，
每个试验因素选取3个不同数值作为试验水平，确定正交表L₉-3⁴，得到9组试验方案；

3)对所述9组试验方案按组分别进行计算，得出每组进、出口的总压P_t1、P_t2、P_t0，然
后代入伯努利能量方程中计算出每组的水力损失；其中，所述伯努利能量方程为，

4)对计算结果进行分析，选择出水力损失最小的结构作为两井汇流装置的最优化
结构。

优选地，所述步骤1)中汇流效率的计算采用数值模拟方法，所述步骤4)中分析采
用水力损失正交试验设计的直观分析法。

优选地，所述步骤3)中总压P_t1、P_t2、P_t0的计算包括首先进行三维建模，然后进行网
格划分，再后采用数值模拟方法计算。

优选地，所述三维建模采用DesignModeler软件，网格划分采用Meshing软件，数值
模拟采用FLUENT软件。

本发明还提供了一种根据上述结构优化方法设计的两井汇流装置，所述两井汇流
装置的入口管径d₁为80mm-125mm，出口管径d₂为150mm，汇流罐直径D为150mm-300mm，汇流罐
长度L₂为800mm，两入口管中心间距L₁与汇流罐长度L₂的比值L₁/L₂为0.2-0.8。

优选地，所述两井汇流装置的入口管径d₁为125mm，汇流罐直径D为300mm，两入口
管中心间距L₁与汇流罐长度L₂的比值L₁/L₂为0.2。

本发明的有益效果为：首选确定水力性能较好的结构形式，在此基础上研究主要
结构参数对水力性能的影响规律，从而优化该结构形式，得到较优的汇流装置。可以有效确
定水力性能好的汇流装置的结构，解决现有技术中汇流装置的水力损失大、能耗大、工作压
力不达标、喷灌不均匀等问题，为多井汇流装置研发提供了技术指导，确保圆形喷灌机的科
学设计和安全运行。

附图说明

图1为本发明的一种多井汇流装置的结构优化方法流程图；

图2为本发明的两井汇流装置初步确定四种实施例的结构示意图，分别表示为图
2-a、图2-b、图2-c、图2-d；

图3为本发明的两井汇流装置最优实施例的结构示意图；

附图标记说明如下：

1-第一入水口，2-第二入水口，3-出水口，4-汇流罐。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中
的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一
部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于
解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面
结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种多井汇流装置的结构优化方法，主要包括以下步骤：

1)设计几种典型的多井汇流装置结构，采用数值模拟对几种结构的汇流效率进行
计算和对比，初步确定其中最优的结构；

2)针对初步确定的最优结构，设置n个结构参数变量作为拟优化结构参数即试验
因素，每个试验因素选取r个不同数值即试验水平，根据试验水平数和试验因素数确定正交
表L_p-r^m，得到p组数值模拟方案，其中m≥n，另外当试验要求精度较高时，可以选择较大的正
交表；

3)根据正交表确定的p组试验方案采用数值模拟进行计算，得出各个入口及出口
的平均总压P_ti、P_t0，然后代入由汇流的伯努利能量方程推算的公式四计算出水力损失，其
中所述公式四的推算过程如下，

式中，q代表流量，下标0、1～i分别代表出口0、入口1～入口i；h_w1-0代表入口1与出
口0断面之间的水力损失；h_wi-0代表入口i与出口0断面之间的水力损失，

当q₁＝q_i＝q₀/i且z_i＝0时，公式简化为：

把静压和动压用总压P_t表示,即

最后把公式化简为：

4)对计算结果采用单指标(即水力损失)正交试验设计的直观分析法进行分析，选
择出水力损失最小的结构作为多井汇流装置的优化结构，并根据结构参数对水力损失的影
响程度对结构提出优化结构建议。

如图2和3所示，下面结合两井汇流装置实施例对本发明的具体实施方式做进一步
说明。

1)如图2所示，确定四种常见的两井汇流装置结构，采用数值模拟对每种两井汇流
装置结构的汇流效率进行计算和对比，初步确定其中最优结构，即附图2-a；

2)如图3所示，初步确定的最优结构一共有5个参数，分别是入口管径d₁、出口管径
d₂、汇流罐直径D、汇流罐长度L₂和两入口管中心间距L₁，设置L₁/L₂、d₁和D这3个参数作为试
验因素，L₁/L₂取值范围为0.2-0.8，d₁取值范围为80mm-125mm，D取值范围为150mm-300mm，优
选地，每个试验因素在其中选取3个不同数值作为试验水平，确定正交表L₉-3⁴，得到9组数值
模拟方案(见表1)。设定汇流装置的出口管径d₂与圆形喷灌机进水管的连接尺寸相匹配，可
取d₂＝150mm，并且将汇流罐长度L₂设为800mm定值；

表1因素水平表

3)用DesignModeler软件建立9组数值模拟方案的三维模型，再用Meshing软件对9
组方案划分网格，划分的网格为结构和非结构混合网格；然后将网格msh.文件导入FLUENT
软件中计算，得出进、出口的总压P_t1、P_t2、P_t0，然后代入伯努利能量方程公式五中计算出水
力损失，计算方案及结果分析见表2，应当意识到，上述采用的各种软件仅为示例，不应当理
解为对本发明的限制；

表2计算方案及结果分析表

表2中，K_i表示任一列上水平号为i(i＝1、2、3)时，所对应的水力损失之和；极差R
表示任一列上K_i最大值减去K_i最小值，极差越大，代表该试验因素的水平对试验结果(即水
力损失)影响越大。

由表2可知，试验因素从主到次的顺序为：d₁>L₁/L₂>D。对比K₁、K₂、K₃的大小可知：对
于试验因素L₁/L₂来说，数值越小，水力损失越小，当数值增到一定时，对水力损失的影响程
度变小；对于试验因素d₁来说，数值越小，水力损失越大；对于试验因素D来说，数值越小，水
力损失越小，不过总的来说影响都不明显。在这9种方案中，最优方案是L₁/L₂＝0.2、d₁＝
125mm、D＝300mm，水力损失为0.1802m。

可见，影响水力损失大小的主要因素是入口管径d₁的大小，入口管道的流动引起
的沿程损失及流入汇流罐口造成的扩散损失是主要的水力损失来源，设计时应考虑让流体
在管道内流速接近经济流速，即在成本控制范围内，尽量增大入口管径；其次的影响因素是
L₁/L₂，应尽量减小两入口管中心间距；D的影响程度最低，工程中可根据实际流量需要和成
本控制两方面选择，流量大时可选用大管径，考虑控制投入成本时可选用小管径。

本发明有效获得了两井汇流装置最优方案及结构参数对水力性能的影响规律，提
供了优化结构方案建议，证明基于正交数值模拟的方法对该类装置的设计是合理且有效
的，可以推广至多井汇流装置的设计。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽
管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然
可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替
换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精
神和范围。