Mikro jet yağmurlama sulama başlığında akış özelliklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi

Vedat Demir; Hüseyin Yürdem; Arzu Yazgı; Tuncay Günhan

doi:10.20289/zfdergi.929494

EN TR

Investigation of the flow properties of the micro jet sprinkler using computational fluid dynamics

Abstract

Objective: The objective of this study was to determine the flow properties of the micro jet sprinkler by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method and also the most suitable turbulence model. Material and Methods: In the study, micro jet sprinklers with four different nozzle diameters were considered. In the first stage of the study, the flow rates of micro jet sprinklers at different pressures, and wetting diameters at nominal operating pressure (200 kPa) were measured. In the second stage, the values calculated with different turbulence models by using computational fluid dynamics analysis method were compared with the measured ones. Results: The flow rates for all nozzle diameters were estimated with a very low error value such as the highest 2.16% at 200 kPa, which is the nominal working pressure by using Reliz k-ε, Enh Wall turbulence model. In addition, the simulations of the water distribution in the sprinkler nozzle outlet and flapper area were found to be very close to experimental values. Conclusion: It was found that the flow rate values of the micro jet sprinkler can be estimated with very low error by using Reliz k-ε, Enh Wall turbulence model and the design of sprinkler nozzles can be achieved with simulations quickly and easily.

Keywords

CFD , micro jet sprinkler , water distribution , design , turbulence models

Mikro jet yağmurlama sulama başlığında akış özelliklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi

Öz

Amaç: Bu çalışmanın amacı, mikro jet yağmurlama sulama başlığında akış özelliklerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle ortaya konulması ve en uygun türbülans modelinin belirlenmesidir. Materyal ve Yöntem: Çalışmada dört farklı meme çapına sahip mikro jet yağmurlama sulama başlığı ele alınmıştır. İlk aşamada, mikro jet yağmurlama sulama başlığının farklı basınçlardaki debi değerleri ve nominal çalışma basıncında (200 kPa) ıslatma çapları ölçülmüştür. İkinci aşamada farklı türbülans modelleri kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği analiz yöntemiyle hesaplanan değerler, ölçüm değerleri ile karşılaştırılmıştır. Araştırma Bulguları: Tüm meme çaplarının 200 kPa olan nominal çalışma basıncındaki debi değerleri, Reliz k-ε, Enh Wall türbülans modeli ile en yüksek %2.16 gibi oldukça düşük bir hata değeri ile tahmin edilmiştir. Ayrıca başlık meme çıkışı ve çarpma plakası bölgesindeki su dağılım simülasyonları deneysel değerlere oldukça yakın bulunmuştur. Sonuç: Mikro jet sulama başlığının debi değeri Reliz k-ε, Enh Wall türbülans modeli kullanılarak çok düşük hata ile tahmin edilebileceği ve başlık meme tasarımının simülasyon kullanılarak hızlı ve kolay bir şekilde yapılabileceği ortaya konulmuştur.

Anahtar Kelimeler

HAD , mikro jet başlık , su dağılımı , tasarım , türbülans modeller

References

ANSYS, 2016. Fluent Theory Guide, Release 17.2, ANSYS, Inc.
ANSYS, 2007. ANSYS Fluent Flow Lab1.2, ANSYS, Inc.
ASAE Standard, 1995. ASAE S398.1, Procedure for Sprinkler Testing and Performance Reporting. ASAE, St. Joseph, MI 49085.
Benami, A. & A. Ofen, 1993. Irrigation Engineering. Irrigation Engineering Scientific Publications, Hafia, Israel.
Bhaskar, K.U., Y.R. Murthy, M.R. Raju, S. Tiwari, J.K. Srivastava & N. Ramakrishnan, 2007. CFD simulation and experimental validation studies on hydrocyclone. Minerals Engineering, 20:60-71. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2006.04.012
Boman, B. J., 1991. Micro tubing effects on microsprinkler discharge rates. Transactions of the ASAE, 34(1):51-56. https://doi: 10.13031/2013.31631
Demir, V., 1997. Mikro Sulama Sistemlerini Oluşturan Elemanların Teknik Özelliklerinin ve Bu Sistemlerdeki Sürtünme Kayıplarının Belirlenmesi Üzerine Bir Araştırma. Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (Basılmamış) Doktora Tezi, İzmir, 211 s.
Demir, V., H. Yürdem, T. Günhan & A. Yazgı, 2017. Damla sulama sistemlerinde kullanilan hidrosiklon filtrelerde basınç kaybı ve ayırma etkinliğinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile belirlenmesi. Tarım Makinaları Bilimi Dergisi, 13 (1): 55-67.
Demir, V., H. Yürdem, A. Yazgı & T. Günhan, 2020. Determination of the hydraulic properties of a flat type drip emitter using computational fluid dynamics. Tarım Bilimleri Dergisi - Journal of Agricultural Sciences, 26(2): 226-235. https://doi: 10.15832/ankutbd.492686
Demirel, Ç. & V. Demir, 2015. Mini yağmurlama sulama başlıklarının teknik özeliklerinin incelenmesi ve debi değerlerinin tahminlenmesinde kullanılabilecek bir matematiksel modelin geliştirilmesi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 30 (2015): 118-125. https://doi: 10.7161/anajas.2015.30.2.118-125

Güngör, Y. & O. Yıldırım, 1989. Tarla Sulama Sistemleri. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, Ankara, No:1155, 325 s.
Hills, D.J., R.C.M. Silveria & W.W. Wallender, 1986. Oscillating pressure for improving application uniformity of spray emitters. Transactions of the ASAE, 29 (4):1080-1085. https://doi: 10.13031/2013.30273
Hsieh, K.T., 1988. Phenomenological Model of the Hydrocyclone, University of Utah, Dept. of Metallurgy and Metallurgical Engineering, Ph.D Thesis, Utah,143 pp.
ISO Standard, 1985. ISO 8026, Agricultural Irrigation Equipment - Sprayers - General Requirements and Test Methods. International Organization for Standardization.
Keller, J. & R. D. Bliesner, 1990. Sprinkler and Trickle Irrigation. An Avi Book, Van Nostrand Reinhold Pub., New York. Pereira L.S.
Korukçu, A. & O. Yıldırım, 1981. Yağmurlama Sistemlerinin Projelenmesi. Topraksu Gn. Müd. Yayınları, Ankara.
Munson B.R., D.F. Young & T.H. Okiishi, 2006. Fundamentals of Fluid Mechanics. 6th Edition, J. Wiley and Sons.
Nir, D., 1982. Drip Irrigation. In: Finkel,H.J (Ed), Handbook of Irrigation Technology. Vol.1.CRC. Press, Inc., 2000 N.W. 24th Street, Boca Raton, Florida 33431.
Palau-Salvador, G., J. Arviza-Valverde & V. Bralts, 2004. Hydraulic flow behaviour through an in-line emitter labyrinth using CFD techniques. In: Proceedings of the ASAE/CSAE Annual International Meeting, 1-4 August, Ottawa, Canada, pp. 1-8. https://doi: 10.13031/2013.16437
Palau-Salvador G., L.H. Sanchis, P. González-Altozano & J. Arviza-Valverde, 2006. Real local losses estimation for on-line emitters using empirical and numerical procedures. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE, 132(6): 522–530. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2006)132:6(522)
Philipova, N., N. Nikolov, G. Pichurov & D. Markov, 2009. A mathematical model of drip emitter discharge depending on the geometric parameters of a labyrinth channel. In: 11th National Congress on Theoretical and Applied Mechanics, 2-5 September, Borovets, Bulgaria, pp. 1-6.
Post, S.E.C., D.E. Peck, R. Abrenoler, N.J. Sakovich & L. Waddle, 1985. Evaluation of non-overlapping, low-flow sprinklers. Drip/Trickle Irrigation in Action, Proc. Third Inter'l. Drip/Trickle Irrig.Cong. 1: Pg.294-305, ASAE St.Joseph, Michigan, 49085.
Post, S.E.C., D.E. Peck, R. Abrenoler, N.J. Sakovich & L. Waddle, 1986. Evaluation of Low-Flow Sprinklers. California Agriculture, July-August, 27-29.
Provenzano, G., D. Pumo, P. Di Dio, J. Arviza-Valverde & G. Palau-Salvador, 2005. Assessing a computational fluid dynamics technique (CFD) to evaluate pressure losses in co-extruded drip laterals. In: Proceedings of the ASAE International Meeting, 17-20 July, Tampa Florida, Paper Number: 052212, pp. 1-12. https://doi:10.13031/2013.19030
Provenzano, G., P. Di Dio & G. Palau-Salvador, 2007. New computational fluid dynamic procedure to estimate friction and local losses in coextruded drip laterals. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE, 133(6): 520-527. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2007)133:6(520)
Singh, J., A.K. Singa, S. Jain, R. Gars & I.N. Nathur, 1990. Micro sprinklers performance evaluation and constraint for its adaption. XI. International Congress on the Use of Plastics in Agriculture Pg.B.79-B.87. New Delhi.
Türk Standardı, 2007. TS ISO 7749-1, Tarımsal Sulama Donanımları-Döner Yağmurlama Başlıkları Bölüm 1: Tasarım ve İşletme Kuralları. Türk Standardları Enstitüsü, Necatibey Caddesi No.112 Bakanlıklar/Ankara.
Vijiapurapu S. & J. Cui, 2010. Performance of turbulence models for flows through rough pipes. Applied Mathematical Modelling, 34(6): 1458-1466. https://doi.org/10.1016/j.apm.2009.08.029
Wang W., F. Wang & F. Zhao, 2006. Simulation of unsteady flow in labyrinth emitter of drip irrigation system. Computers in Agriculture and Natural Resources, 4th World Congress Conference, 24-26 July, Florida, ASABE Publication Number 701P0606, 630-635 pp.
Wang, L., Z. Zheng, Y. Wu, J. Guo, J. Zhang & C. Tang, 2009. Numerical and experimental study on liquid-solid flow in a hydrocyclone. Journal of Hydrodynamics, 21(3): 408-414. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(08)60164-X
Wei Q., Y. Shi, W. Dong, G. Lu & S. Huang, 2006. Study on hydraulic performance of drip emitters by computational fluid dynamics. Agric. Water Management 84(1-2): 130-136. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2006.01.016
Wu D., Y. K. Li, H.S. Liu, P.L. Yang, H.S. Sun & Y. Z. Liu, 2013. Simulation of the flow characteristics of a drip irrigation emitter with Large Eddy Methods. Mathematical and Computer Modelling, 58(3-4): 497-506. https://doi.org/10.1016/j.mcm.2011.10.074
Willmott, C. J. & K. Matsuura, 2005. Advantages of the mean absolute error (MAE) over the root mean square error (RMSE) in assessing average model performance. Climate Research, 30: 79–82. https://doi:10.3354/cr030079
Willmott, C. J., S. M. Robeson & K. Matsuura, 2012. A refined index of model performance. International Journal of Climatology, 32: 2088-2094. https://doi.org/10.1002/joc.2419
Yan, H., Y. Ou, K. Nakano & C. Xu, 2009. Numerical and experimental investigations on internal flow characteristic in the impact sprinkler. Irrig Drainage Syst, 23: 11-23. https://doi.org/10.1007/s10795-009-9061-2
Yerdani, A. & Z. Rubinstein, 1991. Development of Dynamic Mini-Sprinkler With High Clogging Resistance. Agroteam Consultans Ltd., P.O.B 116, Israel. 53-56 pp.
Zhang, J., W. Zhao, Z. Wei, Y. Tang & B. Lu, 2007. Numerical and experimental study on hydraulic performance of emitters with arc labyrinth channels. Computer and Electronics in Agriculture, 56(2): 120-129. https://doi.org/10.1016/j.compag.2007.01.007
Zhang, Y., B. Sun, H. Fang, D. Zhu, L. Yang & Z. Li, 2018. Experimental and simulation ınvestigation on the kinetic energy dissipation rate of a fixed spray-plate sprinkler. Water, 10(10): 1365, 1-13. https://doi.org/10.3390/w10101365

Details

Primary Language

Turkish

Subjects

Agricultural Engineering

Journal Section

Research Article

Authors

Vedat Demir ^*
0000-0001-8341-9672
Türkiye

Hüseyin Yürdem
0000-0003-2711-2697
Türkiye

Arzu Yazgı
0000-0003-0141-8882
Türkiye

Tuncay Günhan
0000-0003-4462-2410
Türkiye

Publication Date

March 30, 2022

Submission Date

April 30, 2021

Acceptance Date

July 12, 2021

Published in Issue

Year 2022 Volume: 59 Number: 1

DOI

https://doi.org/10.20289/zfdergi.929494

IZ

https://izlik.org/JA65YN89ZN

APA

Demir, V., Yürdem, H., Yazgı, A., & Günhan, T. (2022). Mikro jet yağmurlama sulama başlığında akış özelliklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi. Journal of Agriculture Faculty of Ege University, 59(1), 93-105. https://doi.org/10.20289/zfdergi.929494

Cited By

Development of mathematical models to predict the load-carrying capacity of tractor tires on rigid surface

Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi

https://doi.org/10.20289/zfdergi.1278885

Investigation of local pressure losses in reducers for sprinkler irrigation systems: Experimental, analytical and CFD approaches

Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi

https://doi.org/10.20289/zfdergi.1623449