NUMERICAL SIMULATION AND OPTIMIZATION OF MICRO-IRRIGATION FLOW REGULATORS BASED ON FSI

Authors


  • Simulation numérique et optimisation de la régulation des flux de micro-irrigation sur la base FSI.

ABSTRACT

The micro-irrigation flow regulator markedly improved the uniformity of micro-irrigation systems by adjusting flow with internal elastomers. Meanwhile, the relatively wide flow path and the ability to self-clean ensure the high anti-clogging performance of the regulators and reduce clogging risk in the irrigation system. Hence the ability to work under various pressures or poor water supply conditions became the advantage of the micro-irrigation flow regulator. In this paper, a large eddy simulation (LES) model was established to simulate the fluid–structure interaction (FSI) of micro-irrigation flow regulators, and its feasibility was proven through a hydraulic performance experiment. The internal flow fields and elastomers were then studied and optimized by adopting this model. The results showed that for the internal elastomer, maximal displacement of the elastic diaphragm occurred in the centre of the circle. When the elastic diaphragm thickness or elastic modulus decreased, the flow regime indexes declined as a whole. Such a decrement indicated performance improvement of the flow regulators. But when both the thickness and elastic modulus of elastic diaphragm reach their minimums (0.3 mm and 3.0 MPa), the diaphragm itself started to oscillate, or drop dramatically in area of flow cross-section, due to oversized deformation, resulting in deterioration of irrigation uniformity. As for the flow path, its energy dissipation effect was significantly improved by adopting the fractal flow path for optimization.Finally, a new micro-irrigation flow regulator (tooth tine angle of fractal flow path: 60°, thickness of elastomer: 0.3 mm, elastic modulus of elastomer: 3.5 MPa) was designed, and its flow regime index was reduced to 0.08, representing a good and steady performance in flow regulation. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

RÉSUMÉ

Le régulateur de débit à élastomères internes a nettement amélioré l'uniformité des systèmes de micro-irrigation. Également, le chemin d'écoulement de l'eau relativement large et la capacité d'auto-nettoyage permettent d'assurer de hautes performances anticolmatage des organes de réglementation et de réduire le risque de colmatage du système d'irrigation. C'est pourquoi la capacité de travailler sous différentes pressions ou dans de mauvaises conditions d'approvisionnement en eau est devenue l'avantage du régulateur de débit de micro-irrigation. Dans cet article, un modèle d'eddy-simulation (LES) a été créé pour simuler l'interaction fluide–structure (FSI) de régulateurs de débit de micro-irrigation, et sa faisabilité a été prouvée par des expériences sur les performances hydrauliques. Les champs d'écoulement internes et les élastomères ont ensuite été étudiés et optimisés en adoptant ce modèle. Les résultats ont montré que, pour l'élastomère interne, le déplacement maximal de la membrane élastique se produit au centre du cercle. Lorsque l'épaisseur de la membrane élastique ou le module d'élasticité diminue, les indices des régimes d'écoulement diminuent dans leur ensemble. Une telle diminution a indiqué l'amélioration des performances des régulateurs de débit. Mais lorsqu'à la fois le module d'élasticité et l'épaisseur de la membrane élastique atteignent leur minimum (0.3 mm et 3.0 MPa), la membrane elle-même a commencé à osciller, et une chute spectaculaire de la superficie de la section transversale d'écoulement a été observée, en raison de la déformation hors norme, ce qui entraîne la détérioration de l'uniformité de l'irrigation. En ce qui concerne la voie d'écoulement, l'effet de dissipation d'énergie a été considérablement amélioré en adoptant pour l'optimisation la voie d'écoulement fractal. Enfin, un nouveau régulateur de débit de micro-irrigation a été conçu (angle de dent de chemin d'écoulement fractal: 60°, épaisseur de l'élastomère: 0.3 mm, module d'élasticité de l'élastomère: 3.5 MPa) a été conçu; son indice de régime d'écoulement a été réduit et stabilisé à 0.08, ce qui représente une bonne performance en termes de régulation du débit. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

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