王敏杰，唐 葉，蘭 明，王長林，丁國軍

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.新疆天業(yè)集團(tuán)，烏魯木齊 832000)

滴灌系統(tǒng)因具有節(jié)水、提高作物產(chǎn)量、節(jié)省勞動(dòng)力和資源、抑制雜草生長等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[1,2]。滴灌系統(tǒng)中的核心部件是灌水器，易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。懸浮物質(zhì)堵塞是灌水器堵塞的主要原因[3]，而流道的幾何結(jié)構(gòu)是影響懸浮物質(zhì)堵塞的主要因素。

國內(nèi)外研究者對(duì)不同類型灌水器的流場(chǎng)和抗堵性能進(jìn)行了研究。Jafar Al-Muhammad等[4]發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)模型獲得的模擬結(jié)果與實(shí)際情況有較大差異。Lili Zhangzhong等[5]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)工作壓力提升會(huì)導(dǎo)致低速渦流區(qū)增大。張俊[6,7]認(rèn)為湍流模型比層流模型更適用于灌水器流場(chǎng)模擬。陳瑾等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)提高灌水器流量需要考慮流道的建模要素與流量的關(guān)系。為直觀觀察灌水器流道內(nèi)的流場(chǎng)，許多學(xué)者也采用了粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)，該技術(shù)能揭示出傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)無法觀察到的瞬態(tài)流場(chǎng)[9,10]。武鵬等[11-14]通過PIV可視化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PIV可以很好地觀察灌水器的局部流場(chǎng)，同時(shí)驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。

綜上所述，目前在優(yōu)化灌水器流道幾何結(jié)構(gòu)的過程中，均將其流道上下壁面視為平面，沒有關(guān)注上下壁面的曲率半徑對(duì)顆粒堆積產(chǎn)生的影響。內(nèi)鑲式灌水器采用注塑成型工藝制成，其流道側(cè)壁具有成型工藝必需的脫模斜度，這會(huì)影響到流道流場(chǎng)，但未見此流道形狀參數(shù)的相關(guān)研究。為此，本文研究了灌水器流道側(cè)壁斜度對(duì)流量和流態(tài)指數(shù)的影響，分析了灌水器流道上下壁面曲率半徑對(duì)顆粒堆積產(chǎn)生的影響及其原因。并采用水力性能和可視化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了灌水器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

1 灌水器流道流場(chǎng)模擬

1.1 模擬前處理

本文研究對(duì)象是內(nèi)鑲式灌水器，安裝于直徑為16 mm的聚乙烯(PE)軟管上，形成迷宮式的微小流道，以達(dá)到對(duì)水流減壓的目的，如圖1和圖2所示。

圖1 注塑成型的內(nèi)鑲式灌水器Fig.1 Drip irrigation emitter made by injection molding

圖2 灌水器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the drip irrigation emitter installation

1.1.1 內(nèi)鑲式灌水器流道結(jié)構(gòu)

內(nèi)鑲式灌水器可設(shè)計(jì)成兩種外形結(jié)構(gòu)，整體呈圓弧形的灌水器可稱為圓弧形灌水器，整體呈平板型的灌水器可稱為平板形灌水器，兩種灌水器流道的上下壁面有所不同，如圖3所示。研究的圓弧形灌水器流道上下壁面存在8 mm的曲率半徑，而流道側(cè)壁由于注塑成型工藝要求必然存在一定的斜度，結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中α表示側(cè)壁斜度。

圖3 兩種內(nèi)鑲式灌水器流道結(jié)構(gòu)Fig.3 Channel structures of the two types of drip irrigation emitters

圖4 具有側(cè)壁斜度的圓弧形灌水器流道結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of arc drip irrigation emitter channel with side wall slope

1.1.2 網(wǎng)格劃分與湍流模型的選擇

對(duì)圓弧形灌水器流道繪制尺寸為0.1 mm的六面體網(wǎng)格，如圖5所示。灌水器內(nèi)的流體介質(zhì)為常溫水，視其為不可壓縮的連續(xù)流體，在流道內(nèi)的流動(dòng)為定常流動(dòng)，本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

圖5 網(wǎng)格劃分后模型Fig.5 Model after grid partition

1.1.3 邊界條件設(shè)置

選取入口壓力100 kPa，出口壓力0 kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，采用TR200粗糙度儀測(cè)量得到的壁面粗糙度為0.2 μm，選擇壁面無滑移的邊界條件、Simple算法、二階迎風(fēng)的離散格式進(jìn)行求解。

1.2 流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖6所示，流場(chǎng)主要由主流速區(qū)域、渦流區(qū)、低速區(qū)(死角)組成。主流速區(qū)呈“S”形走向，兩側(cè)分布著渦流，起到減壓、消能的作用，其渦流區(qū)外側(cè)和流道輪廓產(chǎn)生的間隙以及渦流中心區(qū)構(gòu)成了流場(chǎng)中的低速區(qū)。

圖6 流場(chǎng)速度分布(單位：m/s)Fig.6 Fluid velocity distribution

2 灌水器流道側(cè)壁斜度對(duì)其水力性能的影響分析

灌水器流量與壓力的關(guān)系式為：

q=khx

(1)

式中：q為灌水器的流量；h為壓力水頭；k為流量系數(shù)；x為無量綱，表示流態(tài)指數(shù)，反映了流量對(duì)壓力的敏感程度，決定了灌水的均勻度，是評(píng)價(jià)灌水器水力性能的重要參數(shù)[15]。

灌水器采用注塑成型工藝制成，由于脫模斜度所需使得灌水器必然會(huì)有側(cè)壁斜度。為分析側(cè)壁斜度對(duì)灌水器水力性能的影響，對(duì)原結(jié)構(gòu)三維模型的側(cè)壁設(shè)定0°～5°斜度，按照上述步驟進(jìn)行流場(chǎng)模擬，獲得其在40～120 kPa壓力范圍對(duì)應(yīng)的流量，并對(duì)流量、壓力曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢姡S著側(cè)壁傾斜度增大，流量也隨之增大；灌水器側(cè)壁傾斜度為2°～4°時(shí)，流態(tài)指數(shù)有所減小，能夠有效提高其工作性能。

圖7 不同側(cè)壁斜度的灌水器水力性能曲線Fig.7 Hydraulic performance curve of the drip irrigation emitters with different side wall slope

圖8 不同側(cè)壁斜度的灌水器流態(tài)指數(shù)變化Fig.8 Flow index changes of the drip irrigation emitters with different side wall slopes

3 灌水器流道內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)模擬分析

采用Fluent軟件離散相模型，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)注入的顆粒進(jìn)行模擬，分析顆粒在灌水器流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，并根據(jù)模擬結(jié)果，探究顆粒堵塞情況發(fā)生的原因。

3.1 離散相模型的條件設(shè)置

基于1.2小節(jié)中所得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用固液耦合的方式，設(shè)置顆粒注入為面注入，選擇顆粒屬性為惰性顆粒，顆粒直徑分布服從rosin-rammler分布，最小直徑為0.05 mm，最大直徑為0.125 mm，每秒流入流場(chǎng)的質(zhì)量為7.6×10-7kg，采用隨機(jī)軌道模型(Discrete Random Walk Model)，添加顆粒材料密度為2 550 kg/m3，并調(diào)小松弛因子。

3.2 模擬結(jié)果分析

分析模擬所得結(jié)果，將流道內(nèi)顆粒濃度大于25 kg/m3的區(qū)域，視為顆粒濃度較高處，如圖9所示。顆粒主要沉積在灌水器流道的上下壁面，中部區(qū)域基本不堆積，在齒尖端(I處)、圓角部位(II處、IV處)和入口(III處)的堆積最為嚴(yán)重。根據(jù)對(duì)灌水器流道的堵塞情況的實(shí)際調(diào)查和試驗(yàn)，灌水器的堵塞大多發(fā)生在進(jìn)口處[16,17]、齒尖端[16]、拐角處[17]，與本文的模擬結(jié)果吻合。另外灌水器外側(cè)流道中的顆粒濃度較高，內(nèi)側(cè)流道濃度較低，即顆粒在兩側(cè)更易受渦流影響而進(jìn)入低速區(qū)滯留，因此進(jìn)一步探究灌水器流道上下壁面曲率半徑對(duì)顆粒濃度分布的影響。

圖9 顆粒濃度較高區(qū)域示意圖Fig.9 The schematic diagram of the high particle concentration regions

4 圓弧形和平板形灌水器流道中顆粒堆積情況分析

4.1 顆粒高濃度分布比較

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)流道進(jìn)行模擬，流道內(nèi)顆粒濃度大于25 kg/m3的區(qū)域如圖10所示。除了入口處，在其他位置平板形灌水器流道的顆粒高濃度分布區(qū)域明顯少于圓弧形灌水器，其顆粒堆積主要分布在拐角區(qū)域中8個(gè)圓角部位的渦流低速區(qū)，其他區(qū)域的顆粒濃度均比較低，說明顆粒能夠較為流暢地通過流道，不易滯留堆積。

圖10 兩種灌水器流道的顆粒高濃度分布Fig.10 High concentration distribution of particles in two types of drip irrigation emitters

4.2 流道截面速度分布比較

由于顆粒運(yùn)動(dòng)直接受流場(chǎng)影響，因此可以從流場(chǎng)角度來解釋兩種灌水器流道內(nèi)顆粒濃度分布差異的原因。兩種灌水器流道截面速度分布如圖11所示。平板型灌水器流道內(nèi)流場(chǎng)低速區(qū)域面積較小，流場(chǎng)速度對(duì)稱分布在流道中面兩側(cè)，顯然平板型灌水器的流道結(jié)構(gòu)比圓弧形灌水器更為合理。

圖11 兩種灌水器流道截面速度分布Fig.11 Velocity distribution in the cross section of two types of drip irrigation emitters

4.3 流道中面垂直速度分量比較

兩種灌水器流道中面垂直速度分量分布如圖12所示，平板型灌水器流道中面垂直速度分量較小，速度值在±0.025 m/s區(qū)間內(nèi)的區(qū)域占總區(qū)域的90%，而圓弧形灌水器僅占25%。表明圓弧形灌水器流道的流場(chǎng)對(duì)顆粒存在較大的流道高度方向作用力。

圖12 兩種灌水器流道中面垂直速度分量分布直方圖Fig.12 Histogram of vertical velocity component in the middle surface of two types of drip irrigation emitters

4.4 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡比較

通過流道中的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，可以直觀分析兩種灌水器流道中顆粒濃度分布差異的原因。選取相同參數(shù)的顆粒在指定注入位置進(jìn)入流道，顆粒在流道中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示。

圖13 兩種灌水器流場(chǎng)內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.13 Particle trajectories in the two types of drip irrigation emitters

可見，在平板形灌水器流道中，顆粒很少進(jìn)入渦流區(qū)域，且基本沿著流場(chǎng)主流速方向運(yùn)動(dòng)；在圓弧形灌水器流道中，顆粒頻繁進(jìn)入渦流區(qū)域，這是造成兩種灌水器流場(chǎng)內(nèi)顆粒濃度分布差異的根本原因。另外，在平板型灌水器流道中，顆粒即使進(jìn)入渦流區(qū)域也基本在一同水平面上運(yùn)動(dòng)，在高度方向上產(chǎn)生位移較小，保證了顆粒能夠較快地離開流道；在圓弧形灌水器流道中，顆粒易產(chǎn)生高度方向的運(yùn)動(dòng)，這是由于圓弧形灌水器流道的流場(chǎng)在中面垂直速度分量較大，易使小直徑顆粒向高度方向運(yùn)動(dòng)，大大增加了顆粒滯留在流道中的時(shí)間和堆積的可能性。

5 水力性能實(shí)驗(yàn)和可視化實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為直接觀察灌水器流道內(nèi)流場(chǎng)分布，確保流道結(jié)構(gòu)的完整性，設(shè)計(jì)并制造灌水器四板式可視化平面模型裝置，該裝置由三塊有機(jī)玻璃板(PMMA)和一塊1 mm厚的鋼板組成，鋼板上具備流道的幾何結(jié)構(gòu)，三塊有機(jī)玻璃板分別為給裝置提供水路入口、出口和流道入口格柵、出口等作用。裝配完成后的可視化模型裝置如圖14所示，整體的實(shí)驗(yàn)裝置[18,19]如圖15所示。

圖14 四板式可視化平面模型裝置Fig.14 Transparent device with the shape characteristics of the drip irrigation emitter channel

1-進(jìn)水管；2-閥門開關(guān)；3-水箱；4-120目疊片過濾器；5-回流管；6、8-調(diào)壓閥；7-285W全自動(dòng)自吸泵；9-精密壓力表；10-可視化模型；11-量筒；12-排氣閥；13-LED光源；14-NIKON 微距鏡頭；15-Photron sa4高速攝像機(jī)；16-數(shù)據(jù)采集pc圖15 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.15 Experimental device diagram

5.2 水力性能實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過水力性能實(shí)驗(yàn)得到不同入口壓力下裝置的出口流量，實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果如圖16所示，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差僅2%～5%。

圖16 水力性能實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果Fig.16 Hydraulic performance curves of the experiments and numerical simulation results

圖17 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Visualization experiment results

5.3 可視化實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將可視化模型裝置與水路連接后固定于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，利用拍攝頻率為5 000 幀/秒的Photron sa4高速攝像機(jī)和NIKON 微距鏡頭對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄，在另一側(cè)采用LED光源提供光源，兩者均由可調(diào)節(jié)高度和水平位置的移動(dòng)平臺(tái)支撐。采用40 kPa的工作壓力，將直徑為20 μm碳粉顆粒作為示蹤粒子注入可視化模型裝置，待流場(chǎng)穩(wěn)定后，拍攝模型齒尖區(qū)域和拐角區(qū)域的顆粒運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)果如圖17所示。通過Photron FASTCAM Viewer將視頻轉(zhuǎn)變成按照連續(xù)排列的圖片，通過Matlab獲取相鄰幀中顆粒的位置，導(dǎo)入Origin 9.0中獲取其速度場(chǎng)，如圖18所示，模擬所得流場(chǎng)速度矢量圖，如圖19所示。計(jì)算可得，兩區(qū)域內(nèi)粒子最大速度值分別為1.348 9 m/s和1.588 6 m/s，與模擬所得最大流場(chǎng)速度分別相差5%和10%，實(shí)驗(yàn)獲得的流場(chǎng)渦流區(qū)域和主流速區(qū)分布也同模擬結(jié)果基本一致。

圖18 實(shí)驗(yàn)獲得的示蹤粒子速度矢量圖Fig.18 The velocity vector diagram of the tracer particles obtained by the experiment

圖19 數(shù)值模擬獲得的速度矢量圖Fig.19 Velocity vector diagram obtained by numerical simulation

6 結(jié) 語

(1)通過數(shù)值模擬和可視化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)灌水流道內(nèi)流場(chǎng)由主流速區(qū)域、渦流區(qū)、低速區(qū)(死角)組成。主流速區(qū)呈“S”形走向，每個(gè)背齒處存在渦流區(qū)，在拐角處的渦流面積更大，強(qiáng)大更高，渦流區(qū)外側(cè)與流道輪廓產(chǎn)生的間隙以及渦流中心區(qū)構(gòu)成了低速區(qū)。

(2)通過數(shù)值模擬和水力性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著灌水器流道側(cè)壁傾斜角增大，灌水器的流量會(huì)有所提高，灌水器存在2°～4°的側(cè)壁傾斜角能夠減小其流態(tài)指數(shù)，有效提升灌水均勻度。

(3)通過顆粒離散相模擬，表明圓弧形灌水器比平板型灌水器更易堵塞，這是因?yàn)閳A弧形灌水器流道的流場(chǎng)存在更大面積的低速區(qū)，并在高度方向存在較大的速度，以致顆粒受流場(chǎng)影響在高度方向發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，延長了在流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，隨著工作時(shí)間的增加，便會(huì)造成流道堵塞。