王軒，王新坤*，樊二東，徐勝榮，薛子龍，張晨曦，丁師偉

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000)

低壓滴灌是一種高效節(jié)能灌水技術(shù).采用低壓滴灌不僅可以減少灌溉系統(tǒng)建設(shè)成本50%，而且可以降低年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用60%，是今后滴灌領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向[1-2].但是低壓滴灌的毛管及灌水器內(nèi)部流速較小，增大了灌水器的堵塞幾率，灌水均勻度易受影響[3-4].

研究表明，脈沖滴灌具有抗堵塞能力強(qiáng)、灌水均勻度高的優(yōu)點(diǎn)，是提高低壓滴灌抗堵塞能力及灌水均勻度的有效途徑[5-6].王慶安[7]設(shè)計(jì)了一種主要由脈沖發(fā)生器及灌水器組成的脈沖滴灌系統(tǒng)，通過(guò)管道流體能量持續(xù)積累和突然釋放形成脈沖能.文獻(xiàn)[8]基于可編程控制器PLC和變頻器控制技術(shù)提出一種波動(dòng)脈沖水壓滴灌技術(shù)，采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)了一種灌水器并在波動(dòng)水壓條件下進(jìn)行了水力性能試驗(yàn).李浩等[9]研究并設(shè)計(jì)了基于PLC技術(shù)的微灌變頻控制系統(tǒng)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的方法，調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況以保證微灌系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.以上研究成果均是基于電子脈沖、變頻裝置等作為脈沖滴灌系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)控制可編程控制器PLC進(jìn)而控制變頻器再調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速產(chǎn)生脈沖水流，其可靠性和靈敏性難以保證，是制約脈沖滴灌技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一.

針對(duì)這一問(wèn)題，王新坤[10]基于射流附壁與切換原理，發(fā)明了一種射流三通直接作為脈沖發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝使用方便，可在毛管內(nèi)形成持續(xù)的脈沖水流；楊玉超[11]通過(guò)控制變量法研究了射流三通單因素結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脈沖特性的影響，并得出單因素結(jié)構(gòu)尺寸的主要影響程度；許鵬等[12]通過(guò)模擬數(shù)值計(jì)算對(duì)射流三通在3種不同噴嘴寬度下進(jìn)行水力性能變化規(guī)律研究，得知4 mm噴嘴寬度下射流三通的脈沖特性最好；徐勝榮等[13]采用CFX數(shù)值模擬了除噴嘴寬度外其他4種主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脈沖特性的影響，并得出射流三通的穩(wěn)定振蕩區(qū)間；樊二東等[14]應(yīng)用Fluent單向流模擬方法分析了6種噴嘴寬度對(duì)射流三通脈沖特性的影響，并通過(guò)具體試驗(yàn)驗(yàn)證了噴嘴寬度為3,4,5 mm的射流三通模型的水力性能，得知4 mm噴嘴寬度的射流三通其脈沖特性及射流穩(wěn)定性最好.以上研究成果均是基于4 mm噴嘴寬度射流三通的水力性能，其結(jié)構(gòu)單一，具體尺寸范圍較小.為了進(jìn)一步提高其脈沖特性，有必要將噴嘴寬度與其他主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步細(xì)化參數(shù)模型，以提高脈沖特性和灌水均勻度.

為此，文中在上述研究成果的基礎(chǔ)上，以提高射流三通的脈沖特性和灌水均勻度為主要目的，采用正交設(shè)計(jì)方法，對(duì)25組試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；分析計(jì)算結(jié)果，以確定各影響因素主次順序和顯著特性，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸模型；對(duì)優(yōu)化模型做試驗(yàn)并與4 mm噴嘴寬度射流三通進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸模型的脈沖特性與水力性能，為射流三通在脈沖滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 射流三通結(jié)構(gòu)參數(shù)

射流三通作為產(chǎn)生持續(xù)脈沖水流的脈沖發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由進(jìn)口段、射流元件、出口段3部分組成，如圖1所示，圖中物理量分別為噴嘴寬度w、噴嘴深度k、位差s、劈距h、側(cè)壁夾角θ、控制管寬度wc.

射流元件是脈沖發(fā)生器的核心部件，主要由收縮段、導(dǎo)流段、噴嘴、控制道、射流空間、分流劈、輸出道共同組成；射流空間是由紊亂的水流在腔體內(nèi)部通過(guò)射流卷吸和兩側(cè)壁面間的干涉效應(yīng)產(chǎn)生脈沖水流的關(guān)鍵部位，因此射流元件是影響脈沖特性的關(guān)鍵部件.

1.2 正交設(shè)計(jì)

毛管射流三通作為滴灌毛管的射流脈沖發(fā)生器，由于影響脈沖特性因素較多，故對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)精度要求較高.文獻(xiàn)[11]具體分析了單因素參數(shù)對(duì)脈沖特性的影響，得出噴嘴寬度w、噴嘴深度k、位差s、控制管寬度wc、劈距h和側(cè)壁夾角θ對(duì)脈沖特性影響較大，由此選定該6種因素作為主要影響因素.文獻(xiàn)[13]確定出毛管射流三通穩(wěn)定振蕩脈沖區(qū)間，根據(jù)穩(wěn)定振蕩區(qū)間，每個(gè)因素選取5個(gè)水平參數(shù)，從而保證模擬試驗(yàn)結(jié)果都具備脈沖特性，以尋求出最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸模型.因素水平表詳見(jiàn)表1.

表1 正交試驗(yàn)影響因素水平表Tab.1 Influencing factors and their levels in orthogonal design of experiment

其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為控制管長(zhǎng)度lc為120 mm，分流劈半徑r為2 mm，出口寬度wio為6.4 mm；設(shè)定總進(jìn)口壓力為0.05 MPa，根據(jù)正交試驗(yàn)表(L56)，設(shè)計(jì)出25組正交試驗(yàn)方案.

1.3 CFX數(shù)值模擬

用UG繪圖軟件構(gòu)建射流三通內(nèi)部流道三維模型，導(dǎo)入到ICEM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格剖分.由于流道三維模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分的方法，設(shè)定網(wǎng)格高1度為0.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)約為7.8×105，網(wǎng)格剖分質(zhì)量良好且均在0.34以上.采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，對(duì)流場(chǎng)的描述既達(dá)到了精度要求且滿足了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)盡可能縮短并符合計(jì)算的基本要求.

將剖分好的網(wǎng)格再導(dǎo)入到CFX軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，CFX數(shù)值模擬采用單向流，進(jìn)口邊界條件壓力設(shè)定為0.05 MPa，出口流量與壓力表達(dá)式為

(1)

式中：Q為射流三通出口流量，kg/s；pout為射流三通出口壓力，Pa.

假定內(nèi)部流道的流場(chǎng)為三維不可壓縮模型，符合N-S方程，它可以較準(zhǔn)確地描述實(shí)際射流三通內(nèi)部的流動(dòng)情況.

常用于求解湍流模型主要有RNGk-ε和k-ε模型，由于射流三通流道內(nèi)部存在負(fù)壓卷吸、壁面干涉以及流線彎曲等復(fù)雜特性，流動(dòng)具有強(qiáng)烈的各向異性，使得RNGk-ε模型比k-ε模型有更高的計(jì)算精度，因此計(jì)算模型選取RNGk-ε湍流模型.

試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算射流三通出口流量、壓力數(shù)值隨時(shí)間的周期性變化，因此參數(shù)設(shè)定為非定常數(shù)值計(jì)算.計(jì)算類型為瞬態(tài)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 s，總時(shí)長(zhǎng)為2.5 s，監(jiān)測(cè)對(duì)象為出口流量Q、壓力pout隨時(shí)間的周期性變化規(guī)律.為了提高模擬的精確性，對(duì)內(nèi)部流道做出假設(shè)：流道內(nèi)部水體不可壓縮，與外界無(wú)熱量交換，內(nèi)壁平穩(wěn)光滑，收斂精度為1×10-4.

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)正交試驗(yàn)表選取6種主要影響因素，優(yōu)化毛管射流三通結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，得出產(chǎn)生穩(wěn)定脈沖水流的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸模型.

反映脈沖特性的參數(shù)指標(biāo)有脈沖頻率、水頭振幅和壓差.其中脈沖頻率是指單位時(shí)間內(nèi)射流三通出口壓力變化的波動(dòng)次數(shù)；水頭振幅為出口波動(dòng)水壓的差值；壓差是指射流三通進(jìn)口總壓力與出口波動(dòng)水壓最大值的差值，壓差越小則水頭損失越小，射流的脈沖效果也越好.

正交試驗(yàn)結(jié)果用SPSS軟件(statistical product and service solutions)進(jìn)行極差與方差分析，極差的大小可以確定影響各因素指標(biāo)的主要因素，得出各因素影響脈沖特性結(jié)果的主次順序；方差分析法確定各因素的顯著特性，最終確定出最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸模型.

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

基于CFX數(shù)值模擬，得到共25組脈沖振蕩數(shù)據(jù)，具體模擬結(jié)果見(jiàn)表2.根據(jù)模擬結(jié)果可得射流三通出口流量Q、壓力pout隨時(shí)間的周期性變化曲線，由此可以計(jì)算得出脈沖頻率f、水頭振幅(壓力)A與壓差Δpout.其中第3，6，8，9，13，14組數(shù)值的模擬試驗(yàn)射流三通脈沖穩(wěn)定性能最好.圖2為第14組數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果周期性變化曲線，圖中st為時(shí)間步數(shù).

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表Tab.2 Results of orthogonal experiments

圖2 第14組CFX模擬試驗(yàn)結(jié)果周期性變化曲線Fig.2 Periodic variation curves in 14th CFX simulation

2.2 初選優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)組合方案

極差Rj結(jié)果見(jiàn)表3.通過(guò)表3脈沖頻率的極差平均值可知，RA>RE>RC>RB>RF>RD，所以對(duì)于脈沖頻率而言，因素A噴嘴寬度與E劈距對(duì)脈沖頻率影響最大，F(xiàn)側(cè)壁夾角和D位差影響最小，因此可以主要通過(guò)控制噴嘴寬度與劈距控制脈沖頻率；同理，水頭振幅的極差平均值為RA>RD>RE>RF>RB>RC，因素A噴嘴寬度與D位差對(duì)水頭振幅影響程度最大；壓差的極差平均值為RA>RC>RF>RE>RB>RD，則因素A噴嘴寬度與C控制管寬度對(duì)壓差影響程度最大.由此根據(jù)影響因素的主次順序可以得出單因素最佳組合方案：脈沖頻率的最佳組合方案A3B5C1D2E4F2，水頭振幅最佳組合方案為A2B1C5D1E1F1，壓差最佳組合方案為A2B5C1D5E4F5.

表3 各因素極差分析表Tab.3 Range analysis of each factor

以上分析結(jié)果表明，噴嘴寬度對(duì)脈沖頻率、水頭振幅和壓差的影響程度均為最大.原因是噴嘴寬度作為脈沖發(fā)生器的核心部位，其尺寸決定了進(jìn)入射流空間的流量：噴嘴寬度越大，射流流量越大，則射流空間振蕩幅度越大；進(jìn)口壓力一定時(shí)，噴嘴尺寸越大，通過(guò)流量越大，會(huì)導(dǎo)致水流流速變小，經(jīng)過(guò)控制道的時(shí)間延長(zhǎng)，則水流切換速度變慢，脈沖頻率減小.因此噴嘴寬度決定主射流量，是影響脈沖特性的最重要因素.

2.3 確定最優(yōu)尺寸模型

表4為各因素方差分析表，表中物理量分別為平方和Sj、自由度f(wàn)j、均方σ2.

表4 各因素方差分析表Tab.4 Variance analysis of each factor

具體通過(guò)確定F臨界值檢驗(yàn)法進(jìn)行判斷，F(xiàn)值越大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著.利用公式FINV[15](a,因子自由度,誤差項(xiàng)自由度)直接確定F臨界值，其中a為1-置信水平，即犯錯(cuò)幾率，一般取0.05.文中研究對(duì)象因子自由度和誤差項(xiàng)自由度分別為4和24，則F0.01(4,24)=4.22，F(xiàn)0.05(4,24)=2.78，F(xiàn)0.1(4,24)=2.19.

根據(jù)方差分析表4可知，因素A噴嘴寬度對(duì)水頭振幅和壓差的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，對(duì)脈沖頻率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；因素C控制管寬度對(duì)壓差的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，因素E劈距對(duì)脈沖頻率有一定影響，而其他因素對(duì)脈沖特性和壓差影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.因此主要通過(guò)調(diào)控因素A，C，E進(jìn)而控制脈沖特性和壓差.

根據(jù)表4確定的顯著影響特性和表3確定的影響因素主次順序，可以綜合確定出A2，C1，E4對(duì)脈沖頻率、水頭振幅和壓差影響最大，因素B，D，F(xiàn)對(duì)脈沖特性結(jié)果影響規(guī)律不一致.

為了更準(zhǔn)確得出最優(yōu)參數(shù)組合方案，分析某一因素對(duì)于脈沖頻率、水頭振幅和壓差的相對(duì)影響程度，定義相對(duì)影響指數(shù)為

(2)

式(2)中E越大，則說(shuō)明該因素對(duì)脈沖特性相對(duì)影響結(jié)果程度越大.經(jīng)分析，因素B對(duì)脈沖頻率、水頭振幅和壓差的相對(duì)影響指數(shù)分別是EB, f=7.35%，EB, A=9.30%，EB,△pout=1.27%；同理因素D對(duì)脈沖頻率、水頭振幅和壓差的相對(duì)影響指數(shù)分別是ED, f=4.48%，ED,A=20.21%，ED,△pout=0.73%；因素F對(duì)脈沖頻率、水頭振幅和壓差的相對(duì)影響指數(shù)分別是EF, f=5.02%，EF, A=14.71%，EF,△pout=1.78%.經(jīng)比較，因素B對(duì)脈沖頻率影響更為明顯，故優(yōu)選B5作為影響脈沖頻率的關(guān)鍵因素；因素D對(duì)水頭振幅影響更為明顯，優(yōu)先選取對(duì)水頭振幅影響關(guān)鍵的水平規(guī)律為D1；因素F對(duì)壓差影響更為明顯，因此優(yōu)先選取對(duì)壓差影響關(guān)鍵的水平規(guī)律為F5.由此確定出最優(yōu)尺寸模型為A2B5C1D1E4F5，即噴嘴寬度為3.8 mm，噴嘴深度為10 mm，控制管寬度為2 mm，位差為1.6 mm，劈距為34 mm，側(cè)壁夾角為24°.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的實(shí)際運(yùn)行效果，根據(jù)正交設(shè)計(jì)與極、方差分析得出的最優(yōu)尺寸模型A2B5C1D1E4F5加工制造了射流三通實(shí)物模型，并與滴灌系統(tǒng)中常用的4 mm噴嘴寬度射流三通和普通三通進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，驗(yàn)證不同進(jìn)口壓力條件下實(shí)際脈沖運(yùn)行效果.其中灌水均勻度是衡量滴灌毛管系統(tǒng)灌水質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[16]，以灌水均勻系數(shù)和流量偏差率表達(dá).灌水均勻系數(shù)公式為

(3)

流量偏差率計(jì)算公式[16]為

(4)

式中：qv為滴頭流量偏差率，%；qmax為監(jiān)測(cè)滴頭最大流量，L/h；qmin為監(jiān)測(cè)滴頭最小流量，L/h.

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵中心噴灌大廳內(nèi)進(jìn)行.試驗(yàn)重點(diǎn)研究3種毛管三通在不同進(jìn)口壓力條件下脈沖特性和灌水均勻度的對(duì)比結(jié)果.3種毛管三通的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表5，表中d1，d2，l1，l2分別為普通三通的進(jìn)、出口直徑，以及進(jìn)、出口長(zhǎng)度.

表5 3種射流三通的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.5 Structural parameters of three jet tees

滴灌脈沖特性和灌水均勻度試驗(yàn)系統(tǒng)包括供水系統(tǒng)、水箱、加壓泵、閥門、渦輪流量計(jì)、精密壓力表和毛管三通等，如圖3所示.毛管三通兩出口處連接滴管帶為貼片內(nèi)鑲式滴灌帶，長(zhǎng)度為60 m，灌水器流量-壓力水頭關(guān)系式為

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic of test rig

(5)

式中：q為灌水器滴頭流量，L/h；h0為灌水器進(jìn)口壓力水頭，m.

加壓泵為系統(tǒng)提供額定的工作壓力，并通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥和分流閥獲取滴灌系統(tǒng)需要的設(shè)計(jì)工作壓力，保持壓力的穩(wěn)定性.脈沖特性采用JT-HD61E高速攝影相機(jī)拍攝壓力表指針擺動(dòng)測(cè)得，滴頭流量通過(guò)量取毛管滴灌帶下接水盤內(nèi)的水量得出.每組試驗(yàn)時(shí)間為10 min，重復(fù)3次取平均值，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸納得出脈沖特性數(shù)據(jù)和灌水均勻度.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為不同進(jìn)口壓力pin下的脈沖特性.由圖知普通三通無(wú)脈沖效果，脈沖頻率和水頭振幅均為0.

圖4 不同進(jìn)口壓力下的脈沖特性Fig.4 Pulse characteristics at different inlet pressures

在50～120 kPa進(jìn)口壓力下，優(yōu)化模型脈沖頻率為209～240次/min，水頭振幅(壓力)為37.2～58.8 kPa，與4 mm噴嘴寬度射流三通相比，脈沖頻率提高了3～10次/min，水頭振幅(壓力)提高了3.2～11.1 kPa.優(yōu)化模型射流三通脈沖特性得到較大提高.并且比較3種類型的三通數(shù)據(jù)圖形，可以得出脈沖頻率和水頭振幅均隨著進(jìn)口壓力增大而增大.這是由于進(jìn)口壓力增大，促使水流進(jìn)入射流三通的射流空間而增大了水流的擾動(dòng)與紊亂，通過(guò)控制管負(fù)壓的調(diào)節(jié)與切換作用，射流附壁與偏轉(zhuǎn)速率增大，則脈沖頻率和水頭振幅隨進(jìn)口水頭增大而增大.

圖5為不同進(jìn)口壓力下的灌水均勻度.由圖可知進(jìn)口壓力增大，則灌水均勻系數(shù)逐步增大，而流量偏差率逐步減??；在50～120 kPa進(jìn)口壓力下，優(yōu)化模型與4 mm噴嘴寬度射流三通相比，灌水均勻系數(shù)提升了0.53%～1.94%，流量偏差率降低了0.81%～5.33%；與普通射流三通相比，灌水均勻系數(shù)提高了2.82%～3.05%，流量偏差率降低了4.27%～9.17%.灌水均勻度提高是由于優(yōu)化模型脈沖特性提高；脈沖頻率和水頭振幅均提高，促使射流三通流道內(nèi)部紊亂，流速不均，增大其水流切換速率與射流距離，則脈沖勢(shì)能增大對(duì)水流流態(tài)影響越大，促使毛管每段的灌水器上流量基本相同.

圖5 不同進(jìn)口壓力下的灌水均勻度Fig.5 Uniformity of irrigation at different inlet pressures

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)極差分析法確定了影響各因素的最佳組合方案，得知噴嘴寬度與劈距、噴嘴寬度與位差、噴嘴寬度與控制管寬度參數(shù)對(duì)脈沖頻率、水頭振幅和壓差的影響程度最大.

2) 通過(guò)方差法研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脈沖特性的顯著特性，最終確定出毛管射流三通的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸模型為A2B5C1D1E4F5，即噴嘴寬度為3.8 mm，噴嘴深度為10 mm，控制管寬度為2 mm，位差為1.6 mm，劈距為34 mm，側(cè)壁夾角為24°.

3)優(yōu)化模型與4 mm噴嘴寬度射流三通相比，脈沖頻率提高了3～10次/min，水頭振幅(壓力)提高了3.2～11.1 kPa，而灌水均勻系數(shù)提升了0.53%～1.94%，流量偏差率降低了0.81%～5.33%；與普通射流三通相比，灌水均勻度提高明顯：灌水均勻系數(shù)提高了2.82%～3.05%，流量偏差率降低了4.27%～9.17%.射流三通脈沖性能得到了較大提高.