李 萍， 王 月， 王龍業(yè)， 廖帶根

（1．遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001；2．遼寧撫挖重工機械股份有限公司研究院，遼寧撫順 113126；3．中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司熱電廠，遼寧撫順 113004）

基于ANSYS／CFD的灌水器迷宮流道抗堵優(yōu)化設(shè)計

李 萍1， 王 月2， 王龍業(yè)3， 廖帶根3

（1．遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001；2．遼寧撫挖重工機械股份有限公司研究院，遼寧撫順 113126；3．中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司熱電廠，遼寧撫順 113004）

針對灌水器易堵塞的問題，以AutoCAD和ANSYS相結(jié)合的方法建立了滴灌管式灌水器迷宮流道的CFD數(shù)值模型，并對國內(nèi)常用的方形迷宮流道灌水器的壓力流量關(guān)系、流道內(nèi)部的壓力和流速分布進行了數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明，迷宮流道內(nèi)壓力沿流道長度呈線性變化，流道齒尖兩端都有不同程度的流動滯止區(qū)。經(jīng)過對比分析，根據(jù)流道中主流體的流線形狀分布重新設(shè)計了流道的結(jié)構(gòu)，并進行仿真分析，結(jié)果證明流道結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，提高了迷宮灌水器的抗堵能力。數(shù)值模擬也為灌水器水力性能的進一步研究及一體化灌水器的快速開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

灌水器； 迷宮流道； 抗堵能力； 數(shù)值模擬

國際節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的狀況表明，滴灌是常用及有效的一種節(jié)水灌溉方式［1］。灌水器是滴灌系統(tǒng)的重要部件，灌水器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)直接影響滴灌的效果?，F(xiàn)在常用流道為迷宮流道［2］，其迂回結(jié)構(gòu)處存在90%的水力損失，是消能的主要部位。但也很容易發(fā)生堵塞，成為現(xiàn)今抑制滴灌發(fā)展的一個瓶頸。灌水器的堵塞大多是由于固體顆粒的沉積或由于藻類的產(chǎn)生而造成的，因而這種原因的堵塞僅依靠提高過濾器的性能是不能從根本上解決問題的，所以迷宮流道主航道抗堵設(shè)計成為了灌水器研究的一個熱點［3］。

由于灌水器流道尺寸微小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，目前對于灌水器的研究主要是進行灌水器宏觀水力性能的研究，較為成熟的方法是數(shù)值計算方法［4］。王尚錦等［4－5］采用有限元法對滴頭流道內(nèi)部的流動進行了數(shù)值模擬，并根據(jù)計算得到的灌水器流場分布，研究了雷諾數(shù)對流場的影響，給出了滴頭流態(tài)指數(shù)及流量計算公式。Paulau S等［6］采用軟件FLUENT對圓柱型滴頭的流量壓力特性進行了計算。魏青松等［7］運用水力學(xué)公式、數(shù)值模擬和快速成型試驗研究了尺寸為0．1～1 mm的幾組繞流流道滴灌帶的水力性能，流動模擬得到了繞流流道中流場的可視化微觀水力特征，通過實驗結(jié)果得到繞流流道的流態(tài)指數(shù)為0．5左右，即證明灌水器迷宮流道內(nèi)流態(tài)為紊流。牛文全等［8－9］應(yīng)用CFD二相流模擬技術(shù)研究了迷宮結(jié)構(gòu)流道內(nèi)流態(tài)變化與固體顆粒的分布狀況，應(yīng)用計算流體力學(xué)分析了迷宮流道灌水器的水力性能，模擬了含沙量在流道內(nèi)的分布規(guī)律，提出以較小的含沙量等值線為流道邊界對流道進行優(yōu)化設(shè)計的方法。本文在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS／CFD軟件研究迷宮式灌水器內(nèi)部流動狀態(tài)［10］，以改進灌水器的流道設(shè)計。

1 方形迷宮流道建模與計算

1．1 控制方程

迷宮灌水器內(nèi)部的水流運動可視為不可壓縮流體的運動，因此基本控制方程由連續(xù)性方程和Navier—Stokes方程等構(gòu)成，它們的矢量形式為［11］：

連續(xù)性方程：

其中，V—流速，m／s；p—流體壓力，Pa；ν—運動粘度系數(shù)，m2／s；ρ—水的密度，kg／m3；f—質(zhì)量力，N。

1．2 建立模型

應(yīng)用CAD繪制幾何圖形，并導(dǎo)入ANSYS中對灌水器的方形迷宮流道進行建模，此方形流道齒距為5．2 mm，截面積為0．9 mm×0．9 mm（寬×深），其流道平面圖如圖1所示。

1．2 網(wǎng)格劃分

以比例因子0．1進行二維的FLUID142 2D自由網(wǎng)格劃分，由于邊壁速度梯度變化較大，所以在邊壁細(xì)化網(wǎng)格。網(wǎng)格生成如圖2所示。

Fig．1 Square runner plan graph圖1 方形流道平面圖

Fig．2 Square runner grid圖2 方形流道網(wǎng)格

1．3 邊界條件

流體為20℃下的液態(tài)水，可認(rèn)為是定常、連續(xù)、不可壓縮流體，其性質(zhì)為恒值。設(shè)進口工作壓力為100 k Pa，出口壓力為0，在內(nèi)壁上施加無滑移邊界條件（即所有速度分量為0）。

因流道為繞流流道，所以本文選用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε紊流模型。并且設(shè)定常溫下水的密度為998．2 kg／m3，運動黏度為1．007×10－6m2／s，設(shè)迭代次數(shù)為60次，進行計算。

1．4 結(jié)果分析

計算結(jié)束后進行后處理過程，將數(shù)據(jù)結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫，得到速度矢量圖及壓力分布圖，如圖3，4所示。由圖3可知，水壓沿水流方向逐漸降低，實現(xiàn)了灌水器的壓力調(diào)節(jié)功能，達(dá)到消能的目的。

由圖4可看出，流道邊界直角背水面C，D區(qū)域中存在明顯的漩渦回流，這些漩渦與主流相互混摻構(gòu)成灌水器消能的主要因素，而在平齒的背水面A，B區(qū)域附近流速很低，且無明顯回流現(xiàn)象，為堵塞發(fā)生的隱患區(qū)域。而湍流中漩渦的存在，一方面達(dá)到了流道消能的目的，另一方面渦漩的運動不斷沖刷流道壁面起到了清洗的作用，由圖4可知，A，B區(qū)域渦流明顯減少且存在一定的流動滯止區(qū)，不利于流道形成“自清洗”功能，應(yīng)予以修整。

Fig．3 Square runner pressure－plotting圖3 方形流道壓力分布

Fig．4 Square runner velocity vector diagram圖4 方形流道速度矢量圖

2 改進的迷宮流道設(shè)計

2．1 改進迷宮流道的建模與計算

由以上模擬所得結(jié)果，根據(jù)迷宮流道中主流體的流線形狀分布，重新設(shè)計流道的結(jié)構(gòu)，即按照主流體的流速分布線最外側(cè)設(shè)計流道結(jié)構(gòu)，經(jīng)反復(fù)計算修改，確定改進后的迷宮流道形狀如圖5所示。

將CAD中所建模型導(dǎo)入ANSYS中，進行網(wǎng)格劃分，并設(shè)定同樣的邊界條件進行計算，得到速度矢量圖和壓力分布圖，改進后流道的速度矢量圖如圖6所示。

2．2 結(jié)果對比分析

由改進后流道速度矢量圖6可以看出，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，迷宮流道齒尖處射流偏轉(zhuǎn)及收縮所造成的背水面主流與邊壁之間的低流速區(qū)域流動狀態(tài)得到改變，變成了可以消減壓能的回流。同時通過對回流區(qū)域的流道尺寸的修減，增強了回流對邊壁的沖刷效果，可以抑制雜質(zhì)沉積和微生物滋生，減少了流道的堵塞隱患，使流道長時間運行不會發(fā)生堵塞。因此，改進后的迷宮流道抗堵塞的性能有了大幅度提高。

Fig．5 The improved labyrinth runner plan graph圖5 改進后迷宮流道平面圖

Fig．6 The improved runner velocity vector diagram圖6 改進后流道速度矢量圖

3 結(jié)束語

本文以截面積為0．9 mm×0．9 mm（寬×深）的方形迷宮流道灌水器為例，使用ANSYS／CFD進行了模擬計算，得到其內(nèi)部的水流流態(tài)。通過對流道速度矢量圖的分析可知，方形迷宮流道內(nèi)渦流少且存在流動滯止區(qū)，導(dǎo)致流道易堵塞。為解決這一問題，根據(jù)方形迷宮流道中主流體的流線形狀，經(jīng)多次研究計算，對原有方形迷宮流道進行了改進設(shè)計，并進行了仿真分析。根據(jù)改進后迷宮流道的速度矢量圖可知，改進后的流道回流區(qū)域增多，增強了對流道邊壁的沖刷，大大地提高了抗堵塞性能。另外，本文也為灌水器的快速成型技術(shù)提供了理論參考。

參考文獻

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［2］ 李云開，楊培嶺，任樹梅．圓柱型迷宮式流道滴灌灌水器平面模型試驗研究［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37（4）：48－51．

［3］ 喻黎明，吳普特，牛文全．迷宮流道偏差量對灌水器水力性能及抗堵塞性能的影響［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（9）：64－68．

［4］ 王尚錦，劉小明．農(nóng)灌用新型迷宮式滴頭內(nèi)流動特性分析［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2000，31（4）：43－46．

［5］ 王尚錦，劉小明，席光．迷宮式滴頭內(nèi)流動的有限元數(shù)值分析［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000，16（4）：61－63．

［6］ Paulau S，Arviza V G，Bralts V F．Hydraulic flow behavior through an in－line emitter labyrinth using CFD techniques［C］／／Proceedings of ASAE／CSAE meeting．Ontario，Canada，2004：1－8．

［7］ 魏青松，史玉升，蘆剛．內(nèi)鑲式滴灌帶繞流流道水力性能研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（10）：83－87．

［8］ 牛文全，吳普特，喻黎明．基于含沙量等值線的迷宮流道結(jié)構(gòu)抗堵塞設(shè)計與模擬［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（5）：14－20．

［9］ 牛文全，喻黎明，吳普特．迷宮流道轉(zhuǎn)角對灌水器抗堵塞性能的影響［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40（9）：51－56．

［10］ 高雪利，馬貴陽．埋地輸油管道泄漏滲流數(shù)值模擬［J］．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2011，31（2）：20－23．

［11］ 方道元，張挺．變黏性Navier－Stokes方程組［M］．杭州：浙江大學(xué)出版社，2008．

（Ed．：WYX，CP）

Anti－Clogging Optimization Design on Labyrinth Path Irrigation Emitter Based on ANSYS／CFD

LI Ping1，WANG Yue2，WANG Long－ye3，LIAO Dai－gen3
（1．School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，P．R．China；2．Research Institute of Fuwa Heavy Industry Machinery Limited Company，F(xiàn)ushun Liaoning 113126，P．R．China；3．Thermal Power Plant of PetroChina Fushun Petrochemical Company，F(xiàn)ushun Liaoning 113004，P．R．China）

16 June 2012；revised 25 July 2012；accepted 27 August 2012

According to the clogging problem of emitter，the computational fluid dynamics（CFD）numerical model for the labyrinth channels of drip irrigation emitters was established by used the method of combining AutoCAD with ANSYS．Computational fluid dynamics method was applied to calculate the relationship between the discharge and the pressure of the square labyrinth path irrigation emitter in ordinary use and the distributions of the pressure and velocity inside the emitter．The calculated results are that the pressure change in the emitter is linear with the length of the flow path and there are the flow stagnant areas at different degree between the two ends of the path tooth point．By compared and analyzed，the labyrinth path structure was redesigned in accordance with the streamline shape distribution of the main liquid in the path，and the simulation of the path was employed．So the structure of channel was optimized and the anti－clogging ability of the labyrinth irrigation emitter was improved．The computational simulation method could provide theoretical basis for the further study on the hydraulic performance of he irrigation emitter and the rapid development of the integral irrigation emitter．

Irrigation emitter；Labyrinth path；Anti－clogging ability；Numerical simulation

．Tel：＋86－24－56865012；e－mail：liping791215＠126．com

TE905；S275．6

A

10．3969／j．issn．1006－396X．2012．05．017

1006－396X（2012）05－0068－03

2012－06－16

李萍（1980－），女，吉林長春市，講師，碩士。

遼寧省教育廳資助項目（L2010246）。