بهینه سازی ساختاری و تجزیه و تحلیل عملکرد هیدرولیک کانال های جریان گودال بیونیک بر اساس یک الگوریتم ژنتیکی

آزمایشات متعامد بیشتر در بهینه سازی ساختاری کانال های جریان آبیاری قطره ای استفاده شده است. برای بهبود بیشتر کارآیی طراحی بهینه ، این مطالعه از یک الگوریتم ژنتیکی برای بهینه سازی ساختار کانال جریان گودال بیونیک استفاده کرده است. بر اساس شباهت ساختاری و بهینه سازی عملکرد ساختار گودال هم مرز Torus-Margo ، معادله سازنده واحد کانال جریان ساخته شد. اپراتورهای انتخاب ، متقاطع و جهش توسط الگوریتم ژنتیکی تنظیم شد و مقدار عملکرد هدف محاسبه شد. متغیرهای طراحی و متغیرهای شناخته شده که الزامات را برآورده می کردند ، در مدل دامنه محاسباتی قرار گرفتند و ساختار کانال جریان گودال شبیه سازی و بهینه سازی شد. نتایج نشان داد که مناطق با سرعت کم در اتصالات و گوشه های واحدهای کانال جریان گودال با فشار کار 50 کیلو پاسکال وجود دارد ، و هیچ گرداب کامل با سرعت کم مشاهده نشده است ، نشان می دهد که کانال های جریان ضد بسته بندی خوبی دارندکارایی. توزیع سرعت جریان در همان سطح مقطع کاملاً متفاوت بود ، که باعث شد لایه های جریان با هم برخورد و مخلوط شوند ، که باعث از بین رفتن انرژی می شود و این نشان می دهد که این اثر از نظر اتلاف انرژی خوبی دارد. تجزیه و تحلیل رگرسیون خطی چند متغیره نشان داد که چهار متغیر از مقدار Stagger دندان (J) ، زاویه کانال جریان (θ) ، فاصله دندان (L) و فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H) دارای میزان کاهش تأثیر در شاخص جریان بودند (ایکس ). شاخص جریان (x) با مقدار مگس دندان (J) ، زاویه کانال جریان (θ) و فاصله دندان (L) ارتباط منفی داشت و با فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H) ارتباط مثبت داشت. نتایج آزمون نمونه های فیزیکی نشان داد که میانگین خطای بین نتایج شبیه سازی و مقادیر واقعی 3. 4 ٪ است ، نشان می دهد که صحت زیاد است ، که می تواند پایه ای برای طراحی بهینه سازی ساختاری از انتشار دهنده های آبیاری گودال مرتبط باشد.

مقدمه

به عنوان یک مؤلفه اصلی سیستم های آبیاری قطره ای ، پارامترهای ساختاری کانال های جریان نقش اساسی در یکنواختی و ضد بسته بندی 1 دارند. بهینه سازی کانال جریان هزارتوی با هدف کاهش شاخص جریان ، افزایش اتلاف انرژی و بهبود توانایی ضد بسته بندی 2. شاخص جریان نشان دهنده حساسیت رژیم جریان و سرعت جریان به تغییرات فشار است که مستقیماً تحت تأثیر پارامترهای ساختاری قرار می گیرد و یک عامل مهم منعکس کننده عملکرد هیدرولیک آن 3،4 است. شاخص جریان انتشار دهنده های آبیاری قطره ای به طور معمول بین 0. 5 تا 0. 6 است و عملکرد هیدرولیک هنوز فضای زیادی برای بهبود 5 دارد. بسیاری از محققان ایده های جدید طراحی را برای بهینه سازی ساختار ارائه داده اند و انتشار دهنده های آبیاری قطره ای جدید با ساختارهای مختلف کانال جریان 6،7 را توسعه داده اند. ژانگ و همکاران. 8 یک مشکل بهینه سازی چند منظوره را برای ساختار کانال جریان هزارتوی ذوزنقه تدوین کرد و مشکل بهینه سازی را با همان شکل و اندازه های مختلف حل کرد. زینگ و همکاران. 9 یک انتشار دهنده آبیاری قطره ای سوراخ شده (PDIE) را بر اساس ساختار صفحات سوراخ سازی مقیاس در عروق زایلم گیاه ارائه داد. مکانیسم اتلاف انرژی بیشتر با شبیه سازی عددی و آزمایش های فیزیکی تأیید شد و خاطرنشان شد که PDIE بهترین عملکرد هیدرولیک را در منطقه فشار بالا دارد. جین و همکاران. 10 با افزودن دندانهای داخلی یک کانال جدید New Gear Bear Bear Double Gear ساخته شده است. عملکرد هیدرولیک این دو انتشار دهنده از طریق شبیه سازی عددی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که عملکرد هیدرولیک دوتایی دونفره مستطیل هزارتوی کانال آبیاری قطره ای آبیاری بهتر است.

تجزیه و تحلیل داده های بهینه سازی ساختار قطره چکان آبیاری قطره ای بیشتر بر اساس آزمایش های متعامد است. لی و همکاران11 رابطه بین عملکرد هیدرولیکی و پارامترهای ساختاری قطره چکان های آبیاری قطره ای کانال جریان دو طرفه را از طریق طراحی آزمایشی متعامد مورد مطالعه قرار داد. چو و همکاران7 روش شبیه‌سازی عددی را همراه با آزمایش‌های متعامد برای مطالعه تأثیر پارامترهای ساختاری بر عملکرد هیدرولیک استفاده کردند. یوان و همکاران12 روش تجربی متعامد را با تئوری هدف خاکستری ترکیب کرد تا بهینه‌سازی چند هدفه کانال جریان را انجام دهد. مقادیر ترجیحی که با انجام آزمایش‌های متعامد به‌دست می‌آیند، تنها می‌توانند ترکیبی از سطوح مورد استفاده در آزمایش‌ها باشند و نتایج ترجیحی از محدوده سطوح گرفته شده بیشتر نخواهد شد. علاوه بر این، آنها نمی توانند جهت روشنی برای آزمایش های بعدی ارائه دهند، بنابراین آزمایش های متعامد راه حل کاملی نیستند.

در این مقاله، طرح بیونیک یک قطره چکان آبیاری قطره ای کانال جریان چاله طراحی و مورد مطالعه قرار گرفت. شاخص جریان بر اساس الگوریتم بهینه سازی هوش ازدحام 14، نوعی الگوریتم ژنتیک، تجزیه و تحلیل شد و پارامترهای ساختاری مربوطه با شبیه سازی عددی و آزمایش تجربی محاسبه و تأیید شد. هدف خاص مطالعه حاضر این است که (1) بررسی تأثیر پارامترهای ساختاری قطره چکان‌های آبیاری قطره‌ای بر شاخص جریان، (2) ارزیابی سرعت جریان و توزیع فشار کانال جریان، و (3) ایجاد یکمدل پیش بینی برای شاخص جریاننتایج یک مرجع برای طراحی بهینه پارامترهای ساختاری کانال جریان ارائه می‌کند.

روش ها و اصول تحقیق

طراحی ساختار واحد کانال جریان امیتر

انتخاب نمونه

مخروطیان برخی از بزرگترین جوامع بیولوژیکی در حال حاضر هستند. جریان داخل آوند چوبی برای انتقال آب به تراکئیدهای مجاور بستگی دارد. محل اتصال تراکئیدها یک کانال انتقال آب با مقاومت کم است که توسط ساختار گودال ساخته شده است. مخروطی ها ژیمنوسپروم هستند و محل اتصال آن یک ساختار گودال مرزدار چنبره-مارگو 15،16،17 است.

هندسه سازه های گودال هم مرز تورو س-مارگو در تراشه های زایلم درختان سرو با اسکن میکروسکوپ الکترونی (SEM) به دست آمد (شکل 1A). اصطلاحات مختلف مشخصه ساختار گودال هم مرز Toru s-Margo در شکل 1B نشان داده شده است. ساختار گودال همرنگ Toru s-Margo در تراشه های Xylem Plant دارای پایداری افت فشار خوبی است. بنابراین ، ساختار گودال هم مرز تورو س-مارگو برای طراحی بهینه سازی بیونیک انتخاب شد.

(الف) ساختار گودال سرو.(ب) شرایط گودال هم مرز توروس.

پارامترهای ساختاری واحد کانال جریان

همراه با ویژگی های ساختارهای گودال هم مرز Toru s-Margo در شکل 1 ، Emitter آبیاری قطره ای کانال Pit Flow بر اساس شباهت ساختاری و بهینه سازی عملکرد 13 طراحی شده است. شکل 2 طراحی بیونیک ساختار کانال جریان گودال را نشان می دهد. پارامترهای ساختاری کانال جریان در شکل 2 نشان داده شده است ، جایی که (L) فاصله دندان است ، (H) فاصله داخلی و بیرونی است ، (θ) زاویه کانال جریان است ، (j) مقدار Stagger دندان است ،و (W) عرض کانال جریان است.(l) ، (h) ، (θ) و (j) پارامترهای اساسی ساختار کانال جریان 18 هستند. تعداد واحدهای کانال جریان (N) در 12 ثابت شده و عمق کانال جریان (D) روی 0. 6 میلی متر تنظیم شده است. فاصله بین نقاط تقاطع خطوط پسوند مرز بیرونی کانال جریان در 4 میلی متر ثابت است. هنگامی که نقطه تقاطع خطوط پسوند داخلی کانال جریان در قسمت میانی مرز بیرونی قرار دارد ، می توان عرض کانال جریان (W) را همانطور که در Eq نشان داده شده است تعیین کرد.(1).

طراحی بیونیک ساختار کانال جریان گودال..، D ، E و F حروف مشخص شده در مشتق معادله هستند و از اهمیت عملی برخوردار نیستند.

طبق آزمایشات و ادبیات مرتبط 19،20 ، دامنه ارزش (L) ، (H) ، (θ) و (J) در Eq.(1) در جدول 1 نشان داده شده است.

رابطه بین فشار و سرعت جریان کانال جریان گودال آبیاری آبیاری

حرف

حرف

حرف

حرف

وادمعادله استمرار جریان به صورت بیان شده است

جایی که a

من_{(i = 1،2 ،… ، n) منطقه مقطعی جریان از بخش مربوطه است. تعویض Eq.(6) به Eq.(5) به دست می آورد:}بنابراین ، ضریب اتلاف انرژی جامع کانال جریان به عنوان تعریف شده است_{(i = 1،2 ،… ، n) منطقه مقطعی جریان از بخش مربوطه است. تعویض Eq.(6) به Eq.(5) به دست می آورد:}علاوه بر این ، ضریب ضرر جامع به صورت بیان شده است_{(i = 1،2 ،… ، n) منطقه مقطعی جریان از بخش مربوطه است. تعویض Eq.(6) به Eq.(5) به دست می آورد:}الگوریتم ژنتیکی و اصل بهینه سازی_{بهینه سازی پارامترهای ساختار جریان باید مقدار بهینه پارامترهای مختلف را در یک محدوده خاص بدست آورد. برای حل مشکل بهینه سازی پارامترهای ساختاری متعدد در کانال جریان ، از الگوریتم ژنتیکی در روش بهینه سازی بدون شیب برای طراحی بهینه سازی همبستگی 14،22 استفاده می شود. الگوریتم ژنتیکی (GA) یک مدل محاسباتی از فرآیند تکاملی بیولوژیکی است که مکانیسم انتخاب طبیعی و ژنتیک تکامل بیولوژیکی داروینی 23،24 را شبیه سازی می کند ، و این روشی برای جستجوی راه حل بهینه با شبیه سازی فرایند تکاملی طبیعی است. یک الگوریتم ژنتیکی نوعی الگوریتم بهینه سازی جهانی 25 است. اپراتورهای انتخاب ، متقاطع و جهش با یکدیگر همکاری و رقابت می کنند تا بتوانند مقدار عملکرد هدف را برای به دست آوردن اطلاعات در مورد مقدار تطبیقی تبدیل کنند.}بهینه سازی مفصل ساختار کانال جریان توسط الگوریتم ژنتیکی و دینامیک سیالات محاسباتی به شرح زیر انجام شد:_{بهینه سازی پارامترهای ساختار جریان باید مقدار بهینه پارامترهای مختلف را در یک محدوده خاص بدست آورد. برای حل مشکل بهینه سازی پارامترهای ساختاری متعدد در کانال جریان ، از الگوریتم ژنتیکی در روش بهینه سازی بدون شیب برای طراحی بهینه سازی همبستگی 14،22 استفاده می شود. الگوریتم ژنتیکی (GA) یک مدل محاسباتی از فرآیند تکاملی بیولوژیکی است که مکانیسم انتخاب طبیعی و ژنتیک تکامل بیولوژیکی داروینی 23،24 را شبیه سازی می کند ، و این روشی برای جستجوی راه حل بهینه با شبیه سازی فرایند تکاملی طبیعی است. یک الگوریتم ژنتیکی نوعی الگوریتم بهینه سازی جهانی 25 است. اپراتورهای انتخاب ، متقاطع و جهش با یکدیگر همکاری و رقابت می کنند تا بتوانند مقدار عملکرد هدف را برای به دست آوردن اطلاعات در مورد مقدار تطبیقی تبدیل کنند.}محدوده ارزش پارامترهای ساختاری با مراجعه به ادبیات مربوطه 19،20 تعیین شد.

اپراتورهای انتخاب ، متقاطع و جهش در الگوریتم ژنتیکی تنظیم شدند. مقادیر عملکرد هدف محاسبه شد و متغیرهای طراحی تولید شدند.

مشخص شد که آیا وضعیت همگرایی برآورده شده است یا خیر. اگر چنین است ، مرحله 5 اجرا شد. در غیر این صورت ، الگوریتم به مرحله 3 بازگشت و نسل بعدی متغیرهای طراحی ایجاد شد.₁متغیرهای طراحی و متغیرهای شناخته شده برای انجام محاسبات شبیه سازی وارد مدل حوزه محاسباتی شدند.₂متغیرهای طراحی و متغیرهای شناخته شده برای انجام محاسبات شبیه سازی وارد مدل حوزه محاسباتی شدند.₃معادله H و یافتن جواب بهینه، و محاسبه به پایان رسید._{اصل تحلیل رگرسیون خطی چندگانه و آزمون های همبستگی}تحلیل رگرسیون خطی چندگانه یک روش تحلیل آماری است که برای مطالعه رابطه خطی بین یک متغیر وابسته و چند متغیر مستقل استفاده می شود. رابطه خطی بین شاخص جریان (x) و فاصله دندانی (l)، فاصله مرزی داخلی و خارجی (h)، زاویه کانال جریان (θ) و مقدار تزلزل دندان (j) در این مقاله ایجاد شد. آزمون های چند خطی و آزمون معنی داری انجام شد. درجه تأثیر هر یک از پارامترهای ساختاری بر شاخص جریان با رعایت ضرایب رگرسیون استاندارد شده به دست آمد.₁آزمون چند خطی با ضریب تورم واریانس (VIF) اندازه‌گیری می‌شود، که نشان‌دهنده نسبت واریانس تخمین‌گر ضریب رگرسیون در مقایسه با واریانس با فرض رابطه غیرخطی بین متغیرهای مستقل است. وقتی VIF₂آزمون چند خطی با ضریب تورم واریانس (VIF) اندازه‌گیری می‌شود، که نشان‌دهنده نسبت واریانس تخمین‌گر ضریب رگرسیون در مقایسه با واریانس با فرض رابطه غیرخطی بین متغیرهای مستقل است. وقتی VIF₃جایی که R_{(i = 1،2 ،… ، n) منطقه مقطعی جریان از بخش مربوطه است. تعویض Eq.(6) به Eq.(5) به دست می آورد:}2 نشان دهنده R-square مدل رگرسیون خطی I-امین متغیر مستقل X است

من_{با سایر متغیرهای مستقل}از آزمون F برای تشخیص معنی دار بودن ضرایب معادله کلی استفاده می شود. اگر مقدار P آزمون F کمتر از 0. 05 باشد، رگرسیون کلی معنی دار است. معادله رگرسیون 27 از ضرایب غیر استاندارد به دست می آید و شکل آن در معادله نشان داده شده است.(12).

جایی که y نشان دهنده متغیر وابسته، x است

1

، ایکس

2

، ……، ایکس

متر

نشان دهنده متغیرهای مستقل، β

0

، β

1

، β

2

, ……, β~متر

نشان دهنده ضرایب غیر استاندارد و m نشان دهنده تعداد متغیرها است.

شبیه سازی عددی و شرایط مرزی

از نرم افزار COMSOL برای شبیه سازی کانال جریان گودال استفاده شد و از مدل تلاطم K-ε RANS در دامنه سیال استفاده شد. فشار ورودی به 50 کیلو پاسکال تنظیم شد و به طور مساوی در مراحل 25 کیلو پاسکال به 250 کیلو پاسکال افزایش یافت. این پریز به عنوان مرز خروجی تنظیم شده بود و شرایط بدون لغزش به سطح دیوار اعمال نمی شد. دامنه سیال توسط مش های بدون ساختار Tetrahedra و Hexahedra تقسیم شد و یک پالایش مش خاص در گوشه و کنار ساختار کانال جریان 28 انجام شد. با توجه به آزمون استقلال شبکه بر اساس صحت پیش بینی افت فشار ورودی و خروجی ، اختلاف افت فشار پیش بینی شده 0. 36 ٪ بود (همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است) و فرض بر این بود که تعداد شبکه ها هیچ تاثیری در نتایج محاسبه ندارندواداندازه شبکه 0. 0593-0. 193 میلی متر و تعداد کل شبکه ها در دامنه سیال تقریباً 65000 بود. شبکه کانال جریان گودال در شکل 4 نشان داده شده است.< 5, there is very little collinearity. When 5 < VIF < 10, the collinearity can be regarded as weak. When VIF >تقسیم شبکه ساختار کانال جریان Emitter.

روش آزمون_{با سایر متغیرهای مستقل}ترسیم فیزیکی از آبیاری قطره ای کانال جریان گودال._{با سایر متغیرهای مستقل}نتایج بهینه سازی و مقایسه شبیه سازی

پارامترهای الگوریتم ژنتیکی به شرح زیر انتخاب شدند: تعداد اولیه تعداد جمعیت 50 بود. اپراتور انتخاب از چرخ رولت استفاده کرد. اپراتور متقاطع از اپراتور متقاطع دو نقطه ای استفاده کرد و احتمال آن به 0. 75 تنظیم شد. اپراتور جهش از جهش گاوسی استفاده کرد و احتمال آن به 0. 02 تنظیم شد. حداکثر تعداد نسل های ژنتیکی 50 بود. نتایج بهینه سازی پارامترهای ساختاری در جدول 3 نشان داده شده است.

با استفاده از نتایج بهینه ، محاسبه شبیه سازی انجام شد و Eq.(2) برای تجزیه و تحلیل رگرسیون برای به دست آوردن رابطه بین سرعت جریان و فشار استفاده شد. یعنی q = 0. 2545 ساعت 0. 4916 ، و ضریب همبستگی R 2 = 0. 9999 بود ، نشان می دهد که متناسب بودن مدل مناسب است. در همین حال ، ضرایب اتلاف انرژی از انتشار دهنده ها توسط Eq محاسبه شد.(10b) ، و نتایج در محدوده 135. 35-139. 12 بود ، نشان می دهد که مدل انرژی را به خوبی از بین می برد. رابطه بین سرعت جریان اندازه گیری شده نمونه فیزیکی و فشار q = 0. 2445 ساعت 0. 4927 و ضریب همبستگی 2 = 0. 9988 بود. مقایسه منحنی فشار جریان بین نتایج اندازه گیری نمونه و نتایج بهینه سازی شبیه سازی در شکل 6 نشان داده شده است. سرعت جریان اندازه گیری شده کمتر از سرعت جریان شبیه سازی شده بود ، که ممکن است ناشی از عدم صحت روش اندازه گیری و تلفات موجود در آن باشدخود مدل. با این حال ، میانگین خطای 3. 4 ٪ بود که نیازهای طراحی مربوطه 30،31 را برآورده می کرد. ضریب همبستگی 9995/0 و مقدار P بسیار کمتر از 0. 01 بود ، که نشان می دهد این همبستگی معنی دار بود._{مقایسه منحنی فشار جریان بین نتایج اندازه گیری نمونه و نتایج بهینه سازی شبیه سازی.}توزیع سرعت جریان_{پردازش COMSOL به وضوح توزیع سرعت جریان هر موقعیت را با فشار عملیاتی 50 کیلو پاسکال نشان داد. سرعت های مختلف در شکل 7 در رنگ های مختلف ، از آبی تا قرمز نشان داده شده است ، که نشانگر افزایش تدریجی سرعت است. سرعت سیال در تمام نقاط کانال جریان ، سرعت مطلق انتشار آبیاری قطره گودال نبود. با این حال ، سرعت نسبی در مکان های مختلف در کانال جریان معتبر بود. حداقل سرعت جریان 10 × 10-3 متر بر ثانیه و حداکثر سرعت جریان به 2. 39 متر بر ثانیه رسید. سرعت جریان تقریباً به سه بخش تقسیم می شد: مساحت من منطقه سرعت جریان بالا بود ، جایی که سرعت در محدوده 1. 75-2. 39 متر بر ثانیه بود. مساحت II منطقه سرعت جریان متوسط بود ، جایی که سرعت در محدوده 0. 75-1. 75 متر بر ثانیه بود. مساحت III منطقه سرعت جریان کم بود ، جایی که سرعت زیر 75/0 متر بر ثانیه بود. شکل 7 نشان می دهد که توزیع سرعت جریان هر واحد کانال جریان مشابه بود. انرژی زیادی از منطقه I به منطقه II و منطقه III مصرف می شد ، که نشان می دهد اثر اتلاف انرژی قوی است.}توزیع سرعت در کانال جریان گودال._{شکل 8a ، B توزیع سرعت جریان را در محل اتصال و گوشه واحدهای کانال جریان نشان می دهد ، که در آن سرعت های مختلف توسط رنگ های مختلف نشان داده می شود. همانطور که در شکل 8A نشان داده شده است ، دو جریان آب با سرعت بالا در محل اتصال واحدهای کانال جریان برخورد کرده و در برابر دیواره های اطراف مالیده شده و باعث از بین رفتن انرژی قابل توجهی و اتلاف انرژی بسیار خوب می شود. یک منطقه با سرعت کم در مرکز اتصال واحدهای کانال جریان تولید شد که بسیار کوچک و پایدار بود. هنگامی که جریان ادغام شد ، به دو جریان جدید تقسیم شد و وارد واحد کانال بعدی شد.}(الف) محل اتصال واحدهای کانال جریان.(ب) گوشه واحدهای کانال جریان._{همانطور که در شکل 8b نشان داده شده است ، ساختارهای فوقانی و تحتانی در هر کانال جریان دقیقاً متقارن بودند ، بنابراین سطح مقطع و سرعت جریان همان بخش برابر بود. گوشه های هر واحد کانال جریان نیز در حالت سرعت جریان کم قرار داشتند. دلیل این امر این بود که وقتی جریان آب وارد گوشه ها شد ، ناگهان سطح مقطع افزایش یافت. با توجه به معادله پیوستگی ، سرعت جریان کاهش می یابد. علاوه بر این ، جریان آب در گوشه واحدهای کانال جریان به شدت چرخانده و با دیوار با خشونت برخورد کرد ، که بیشتر انرژی مصرف می کرد و جریان آب را تثبیت می کرد.}بنابراین ، کانال جریان گودال ظرفیت اتلاف انرژی قوی داشت و اثر اتلاف انرژی آن بسیار خوب بود. علاوه بر این ، هیچ جریان گرداب با سرعت کم در محل اتصال یا گوشه کانال جریان مشاهده نشد ، که نشان می دهد ذرات جامد به راحتی جمع نمی شوند و باعث گرفتگی می شوند و کانال جریان گودال عملکرد ضد بسته بندی خوبی دارد. این فاکتورهای ترکیبی باعث شده است که آبیاری قطره ای کانال جریان گودال باعث ایجاد جریان قطره ای پایدار شود._{مقایسه منحنی فشار جریان بین نتایج اندازه گیری نمونه و نتایج بهینه سازی شبیه سازی.}بنابراین ، کانال جریان گودال ظرفیت اتلاف انرژی قوی داشت و اثر اتلاف انرژی آن بسیار خوب بود. علاوه بر این ، هیچ جریان گرداب با سرعت کم در محل اتصال یا گوشه کانال جریان مشاهده نشد ، که نشان می دهد ذرات جامد به راحتی جمع نمی شوند و باعث گرفتگی می شوند و کانال جریان گودال عملکرد ضد بسته بندی خوبی دارد. این فاکتورهای ترکیبی باعث شده است که آبیاری قطره ای کانال جریان گودال باعث ایجاد جریان قطره ای پایدار شود._{پردازش COMSOL به وضوح توزیع سرعت جریان هر موقعیت را با فشار عملیاتی 50 کیلو پاسکال نشان داد. سرعت های مختلف در شکل 7 در رنگ های مختلف ، از آبی تا قرمز نشان داده شده است ، که نشانگر افزایش تدریجی سرعت است. سرعت سیال در تمام نقاط کانال جریان ، سرعت مطلق انتشار آبیاری قطره گودال نبود. با این حال ، سرعت نسبی در مکان های مختلف در کانال جریان معتبر بود. حداقل سرعت جریان 10 × 10-3 متر بر ثانیه و حداکثر سرعت جریان به 2. 39 متر بر ثانیه رسید. سرعت جریان تقریباً به سه بخش تقسیم می شد: مساحت من منطقه سرعت جریان بالا بود ، جایی که سرعت در محدوده 1. 75-2. 39 متر بر ثانیه بود. مساحت II منطقه سرعت جریان متوسط بود ، جایی که سرعت در محدوده 0. 75-1. 75 متر بر ثانیه بود. مساحت III منطقه سرعت جریان کم بود ، جایی که سرعت زیر 75/0 متر بر ثانیه بود. شکل 7 نشان می دهد که توزیع سرعت جریان هر واحد کانال جریان مشابه بود. انرژی زیادی از منطقه I به منطقه II و منطقه III مصرف می شد ، که نشان می دهد اثر اتلاف انرژی قوی است.}B در همان موقعیت افقی. محور افقی A نشان داد که افت فشار اساساً در همان فاصله در روند کاهش فشار یکسان است و محورهای افقی B و C نیز همان ویژگی را نشان می دهند. این نتایج نشان داد که افت فشار هر واحد کانال جریان در اصل یکسان است و جریان آب با همان از دست دادن انرژی در هر واحد کانال تکرار می شود تا اینکه به خروجی کانال جریان برسد._{شکل 8a ، B توزیع سرعت جریان را در محل اتصال و گوشه واحدهای کانال جریان نشان می دهد ، که در آن سرعت های مختلف توسط رنگ های مختلف نشان داده می شود. همانطور که در شکل 8A نشان داده شده است ، دو جریان آب با سرعت بالا در محل اتصال واحدهای کانال جریان برخورد کرده و در برابر دیواره های اطراف مالیده شده و باعث از بین رفتن انرژی قابل توجهی و اتلاف انرژی بسیار خوب می شود. یک منطقه با سرعت کم در مرکز اتصال واحدهای کانال جریان تولید شد که بسیار کوچک و پایدار بود. هنگامی که جریان ادغام شد ، به دو جریان جدید تقسیم شد و وارد واحد کانال بعدی شد.}برای تجزیه و تحلیل تأثیر چهار متغیر طراحی ، فاصله دندان (L) ، فاصله داخلی و بیرونی مرزی (H) ، زاویه کانال جریان (θ) و مقدار Stagger دندان (J) ، بر روی شاخص جریان (X) ، تجزیه و تحلیل رگرسیون خطی بودبا استفاده از نرم افزار SPSS بر اساس داده های محاسبه شده توسط نسل های پی در پی الگوریتم های ژنتیکی در طی فرآیند شبیه سازی و بهینه سازی انجام می شود. نتایج پردازش داده ها در جدول 4 نشان داده شده است.

طبق جدول 4 ، مدل ریاضی بین پارامترهای ساختاری و شاخص جریان می تواند مطابق با Eq نشان داده شود.(13).

در جایی که X شاخص جریان است ، L فاصله دندان (میلی متر) ، H فاصله داخلی و بیرونی مرزی (میلی متر) است ، θ زاویه کانال جریان (°) و j مقدار مگس دندان (میلی متر) است.

ضریب تعیین مدل کانال جریان گودال R2 = 0. 722 و مقدار p 0. 004 بود که کمتر از 0. 01 بود ، که نشان می دهد مدل دارای درجه بالایی از تناسب و تفاوت بسیار معنی داری است. این از نظر آماری معنی دار بود. ارزش تورم واریانس (VIF) از فاصله داخلی و بیرونی (H) بزرگترین بود. مقدار 3. 9639 و کمتر از 5 بود ، نشان می دهد که برای چهار متغیر در این مدل هیچ مشکلی وجود ندارد و مدل نسبتاً قابل اعتماد بود. با مقایسه ضرایب رگرسیون استاندارد از چهار متغیر طراحی در جدول 4 ، میزان تأثیر متغیرهای طراحی بر روی شاخص جریان (x) از بالاترین تا کمترین به شرح زیر بدست آمده است: مقدار مگس دندان (j) ، زاویه کانال جریان (جریان کانال جریان (θ) ، فاصله دندان (L) و فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H). ضریب رگرسیون استاندارد از فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H) مثبت بود ، که نشان داد که افزایش فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H) می تواند شاخص جریان (X) را افزایش دهد. ضرایب رگرسیون استاندارد از سه پارامتر ساختاری ، مقدار مگس دندان (J) ، زاویه کانال جریان (θ) و فاصله دندان (L) منفی بود. این نشان داد که کاهش مقدار مگس دندان (J) ، زاویه کانال جریان (θ) و فاصله دندان (L) می تواند شاخص جریان (X) را افزایش دهد.

بحث

روش های بسیاری برای بهبود و تقویت عملکرد هیدرولیک انتشار دهنده ها وجود داشته است. چنین روش هایی شامل طراحی نوع جدیدی از انتشار دهنده ، تجزیه و تحلیل ساختار انتشار ، تنظیم فشار ورودی و غیره 1،32،33 است. در میان آنها ، مهمترین روش بهینه سازی ساختار کانال جریان انتشار دهنده ها است که مستقیم ترین و مؤثرترین روش برای تغییر عملکرد هیدرولیک 9،11،12،13،14،32،34 است. در این مطالعه ، بر اساس طراحی بیونیک ساختار گودال هم مرز Torus-Margo در تراشه های Xylem از سیستم ساقه سرو ، یک انتشار دهنده آبیاری قطره ای کانال گودال 13 پیشنهاد شد. چهار پارامتر ساختاری مهم انتخاب شد ، و ساختار کانال جریان توسط یک الگوریتم ژنتیکی و شبیه سازی عددی برای کشف عملکرد هیدرولیکی انتشار دهنده آبیاری قطره گودال بهینه شد.

در این مطالعه، نتایج اندازه‌گیری نمونه با نتایج بهینه‌سازی شبیه‌سازی مقایسه شد و تحلیل همبستگی انجام شد. ضریب همبستگی بین دو نتیجه 0. 9995 و میانگین خطا 3. 4 درصد بود. زینگ و همکاران9 و خو و همکاران. 13 همچنین نتیجه گرفت که دبی اندازه گیری شده نمونه کوچکتر از دبی شبیه سازی شده است. یکی از دلایل ممکن است این باشد که روش اندازه گیری به اندازه کافی دقیق نبود و در خود مدل مقداری تلفات وجود داشت. دلیل دیگر ممکن است این باشد که نمونه نمونه را نمی توان ماشین کاری کرد تا کاملا صاف باشد، که باعث اتلاف انرژی اضافی در کانال جریان می شود.

از توزیع فشار و توزیع سرعت می توان دریافت که در محل اتصال واحدهای کانال جریان و گوشه های کانال جریان، فشار نسبتاً زیاد و سرعت نسبتاً کوچک بوده است. این ناشی از برخورد و فشرده شدن جریان آب در محل اتصال واحدهای کانال جریان و گوشه های کانال جریان است.

تحت فشار کاری 50-250 کیلو پاسکال، شاخص جریان قطره چکان آبیاری قطره ای کانال جریان گودال 0. 4916 بود. با این حال، تحت شرایط فشار یکسان، شاخص جریان قطره چکان آبیاری قطره ای کانال لابیرنت به طور کلی بالای 0. 5 30،35 بود. عملکرد هیدرولیکی قطره چکان آبیاری قطره ای کانال جریان گودال بهتر از قطره چکان آبیاری قطره ای کانال لابیرنت معمولی در هر محدوده فشار بود. بنابراین، می‌تواند جریان آب پایدارتر و یکنواخت‌تری را فراهم کند و راندمان آبیاری را به طور موثر بهبود بخشد. قطره چکان های آبیاری قطره ای کانال جریان گودال دارای مکانیسم اتلاف انرژی مشابه قطره چکان های آبیاری قطره ای سوراخ دار و قطره چکان های آبیاری قطره ای جریان مخلوط دو طرفه هستند 9, 34 . قطره چکان های آبیاری قطره ای کانال جریان گودال با مسدود کردن ساختار چنبره، جریان را به دو جریان در یک جهت تقسیم کردند. هنگامی که دو جریان به هم می رسند، اختلاط و برخورد شدید رخ می دهد که انرژی قابل توجهی مصرف می کند. علاوه بر این، جریان آب به شدت چرخید و در گوشه های کانال جریان برخورد کرد که باعث افزایش مصرف انرژی نیز شد.

فاصله داخلی و بیرونی (H). همراه با مطالعه موجود ، مشخص شد که هنگام بررسی تأثیر پارامترهای ساختار کانال بر عملکرد هیدرولیک ، عمق کانال عمدتاً بر تغییر سرعت جریان امیتر تأثیر می گذارد و تأثیر کمی در شاخص جریان 14 دارد. با این حال ، نتیجه گیری مداوم در مورد سایر پارامترهای ساختاری که بر شاخص جریان تأثیر می گذارد ، حاصل نشد. دلیل ممکن است این باشد که اشکال ساختاری و پارامترهای ساختاری کانال جریان متفاوت بودند. با توسعه تحقیقات مرتبط ، اشکال ساختاری انتشار دهنده ها به طور فزاینده ای متنوع شده اند ، از جمله کانال های هزارتوی مثلثی 32 ، کانال های سوراخ شده 9 ، کانال های جریان مخلوط دو طرفه 34 و کانال های هزارتوی ذوزنقه ای 29 ، که همگی دارای پارامترهای کانال ساختاری مختلف هستند.

نتیجه گیری

در این مطالعه ، یک الگوریتم ژنتیکی برای بهینه سازی پارامترهای ساختاری انتشار دهنده های آبیاری گودال گودال پیشنهاد شده است. از شبیه سازی عددی و آزمایش های مدل برای تجزیه و تحلیل شاخص جریان و اثر اتلاف انرژی پارامترهای ساختاری بهینه استفاده شد. نتیجه گیری ما به شرح زیر است.

پارامترهای ساختاری بهینه از انتشار آبیاری قطره کانال جریان گودال توسط الگوریتم ژنتیکی یافت شد. نمونه های فیزیکی مربوطه ساخته شده است ، و یک روش آزمایشی معقول برای آزمایش و مقایسه طراحی شده است. نتایج مقایسه نشان داد که ضریب همبستگی بین نتایج شبیه سازی شده و نتایج اندازه گیری 0. 9995 و میانگین خطای 3. 4 ٪ بود. این نشان داد که نتایج شبیه سازی شده بسیار دقیق بودند ، که می تواند مبنای خاصی را برای طراحی بهینه سازی ساختار مربوطه فراهم کند.

از طریق شبیه سازی ها و محاسبات مرتبط با نرم افزار COMSOL ، مقدار زیادی از داده ها بین سرعت جریان و شاخص جریان به دست آمد که ضمانتی برای ایجاد مدلهای ریاضی مرتبط ارائه می داد. مدل رگرسیون بین شاخص جریان و هر پارامتر ساختاری با استفاده از تجزیه و تحلیل رگرسیون خطی چندگانه نصب شده است. درجه تأثیر هر پارامتر ساختاری بر روی شاخص جریان به ترتیب نزولی روشن شد: مقدار Stagger دندان (J) ، زاویه کانال جریان (θ) ، فاصله دندان (L) و فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H). شاخص جریان (x) با مقدار مگس دندان (J) ، زاویه کانال جریان (θ) و فاصله دندان (L) ارتباط منفی داشت و با فاصله مرزی داخلی و بیرونی (H) همبستگی مثبت داشت.

در این مقاله توزیع سرعت جریان و توزیع فشار در مکان های مختلف داخل کانال جریان تحت فشار کار (50 کیلو پاسکال) مورد بررسی قرار گرفته است. مناطق بزرگی از سرعت جریان کم در محل اتصال و گوشه واحدهای کانال جریان وجود داشت ، اما هیچ گرداب کامل با سرعت کم مشاهده نشد ، نشان می دهد که کانال جریان عملکرد ضد بسته بندی خوبی دارد. توزیع سرعت جریان در همان سطح مقطع دارای شکاف بزرگی بود که باعث می شد مایع لایه های مختلف جریان با یکدیگر برخورد کرده و با یکدیگر مخلوط شوند و از بین رفتن انرژی تشدید شوند. فشار به تدریج از ورودی به خروجی کاهش می یابد ، نشان می دهد که انتشار دهنده آبیاری کانال جریان گودال دارای اثر اتلاف انرژی خوبی است.

با توجه به ماهیت منحصر به فرد ساختار انتشار دهنده این مطالعه ، شرایط مشتق معادله رابطه بین پارامترهای ساختاری کانال جریان خواستارتر و سفت تر است. بنابراین ، نتیجه گیری های مربوطه که به دست آمده محدودیت های خاصی دارند. برای بهبود بیشتر عملکرد انتشار دهنده های آبیاری گودال ، توانایی ضد مسکن ذرات با اندازه های مختلف باید در آینده مورد مطالعه قرار گیرد.

در دسترس بودن داده ها

داده هایی که از یافتن این مطالعه پشتیبانی می کنند ، از نویسنده مربوطه در صورت درخواست معقول در دسترس هستند.

To understand the variation trend of the pressure drop at each position of the pit flow channel, three representative horizontal axes a, b, and c were taken on the same plane, and the pressure drop at the positions passed by the three horizontal axes was studied. Because the pit flow channel in this study had an up/down symmetrical structure, the three horizontal axes were all located in the upper half. The details are shown in Fig. 9. Figure 9 shows that the pressures on the three horizontal axes gradually decreased from the inlet to the outlet. When in the same horizontal position, the pressure on the three horizontal axes was a > c > b. Because the pressure is lower where the velocity is higher in a continuous fluid, and vice versa. Figure 7 and Fig. 9 show that horizontal axis a passed through the area with the lowest speed, and horizontal axis b passed through the area with the highest speed. In addition, horizontal axis c passed through the area with the middle speed. Therefore, the pressure on the three horizontal axes should be a > c >

In this paper, the primary and secondary order of the influence of various structural parameters on the flow index was obtained through linear regression analysis: tooth stagger value ( j ) > flow channel angle ( θ ) > tooth spacing ( l ) >