馬炎超

（太原市城鄉(xiāng)管理局，太原030002）

0 引 言

灌水器作為滴灌系統(tǒng)中核心部件，其使用壽命主要受堵塞程度因素的制約[1]。在實(shí)際農(nóng)田灌溉中，正常使用2 a 左右后，滴管灌水器會(huì)產(chǎn)生不同程度的堵塞現(xiàn)象。即使通過(guò)完善的過(guò)濾措施讓進(jìn)入灌水器內(nèi)的水保持良好的水質(zhì)，灌水器內(nèi)仍會(huì)出現(xiàn)近33%的物理堵塞現(xiàn)象[2]。

為進(jìn)一步分析灌水器的堵塞程度，眾多研究人員主要針對(duì)迷宮流道中的漩渦與抗堵塞性能展開(kāi)探索與研究。王尚錦等[3]以圓弧式迷宮流道為研究對(duì)象，從流道內(nèi)的水流流動(dòng)特性著手研究，結(jié)果表明流道內(nèi)存在的渦旋有利于提高灌水器內(nèi)的抗堵塞性。魏正英等[4]認(rèn)為迷宮流道內(nèi)的堵塞現(xiàn)象主要是由于流體中所夾帶的微小顆粒在流動(dòng)滯止區(qū)沉積所致，并采用了優(yōu)化灌水器迷宮流道主航道的設(shè)計(jì)方法來(lái)提高其抗堵性能。張琴等[5]通過(guò)對(duì)矩形迷宮灌水器內(nèi)水流流線(xiàn)分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)流線(xiàn)變化將流道內(nèi)的速度渦旋區(qū)和低速滯止區(qū)去除，設(shè)計(jì)出了抗堵性能優(yōu)越的圓弧形流道結(jié)構(gòu)。康苗業(yè)等[6]以流道內(nèi)內(nèi)齒的相對(duì)位置、間距及高度為參變量來(lái)探求雙內(nèi)齒形灌水器的抗堵性及水力性能。李嘉露等[7]以流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與流態(tài)指數(shù)為控制因素，通過(guò)2者間的回歸模型為改進(jìn)型雙向流流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論參考。楊彬等[8]通過(guò)數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)相結(jié)合的方案分析了齒形迷宮流道灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)水力性能的互饋影響。麻江峰等[9]認(rèn)為三角形迷宮灌水器在去掉漩渦后可顯著提高其水力性能。崔振華等[10]應(yīng)用Fluent軟件模擬分析了滴灌灌水器弧形迷宮流道在不同壓力水頭下流道內(nèi)速度流場(chǎng)變化規(guī)律及弧高、齒間參變量等結(jié)構(gòu)參數(shù)與水力性能的變化關(guān)系。郭霖等[11]利用數(shù)值模擬計(jì)算和多元線(xiàn)性回歸分析的方法，得到了三角形流道內(nèi)各結(jié)構(gòu)參變量、水流流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)之間的定量關(guān)系。為能夠?qū)⌒蚊詫m灌水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐，武鵬等[12]針對(duì)弧形和弧齒形2種流道結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及對(duì)抗堵性能的影響進(jìn)行了研究。ADIN 等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)灌水器流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，可以有效地減少顆粒的沉積，提高流道內(nèi)抗堵性能。王建東等[14]比較了不同滴頭內(nèi)水流抗堵塞性能與其流道長(zhǎng)度、斷面面積及水流流態(tài)指數(shù)之間的關(guān)系，以滴頭流量、流道長(zhǎng)度及水頭壓力為參變量，建立多元線(xiàn)性回歸模型。?，撊A[15]等認(rèn)為灌水器流道內(nèi)劇烈的渦旋運(yùn)動(dòng)有助于提高其抗堵塞性及消能作用。

綜上所述，流道形式、結(jié)構(gòu)參變量的差異會(huì)引起灌水器內(nèi)部水流渦漩的重新分布、進(jìn)而影響其水力性能及抗堵性能，通過(guò)多元線(xiàn)性回歸模型，可直觀地反映出水流流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)及各流道參變量的定量關(guān)系。因此，渦漩的存在顯著影響著迷宮流道灌水器內(nèi)水流流態(tài)、水力性能及其抗堵性能。但目前以渦漩為參變量，來(lái)研究其對(duì)常規(guī)形式的迷宮流道灌水器內(nèi)各水力參數(shù)的數(shù)值影響卻鮮有報(bào)道。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析，對(duì)三角形、矩形、齒形、梯形4種形式的灌水器流道在不同壓力水頭下的水流流場(chǎng)進(jìn)行研究，根據(jù)模擬出的水流流線(xiàn)變化，盡可能地去除流道內(nèi)拐彎處及轉(zhuǎn)角邊壁處的旋渦，得出圓弧形無(wú)渦流道結(jié)構(gòu)模型，并定量分析了其水流流態(tài)分布變化。在此基礎(chǔ)上，比較了有渦和無(wú)渦流道的水力性能，旨在探求迷宮灌水器流道內(nèi)渦漩的存在對(duì)灌水器水力性能影響的根本原因，為性能優(yōu)越的迷宮灌水器研制提供更進(jìn)一步理論基礎(chǔ)。

1 迷宮灌水器模型及網(wǎng)格劃分

1.1 流道結(jié)構(gòu)

選取矩形、齒形、三角形、梯形4種基本形式的流道結(jié)構(gòu)迷宮灌水器模型。其流道總長(zhǎng)均為340 mm，其中三角形灌水器流道單元200 個(gè)，矩形灌水器流道單元85 個(gè)，齒形灌水器流道單元121 個(gè)，梯形流道單元170 個(gè)。由于迷宮灌水器水力現(xiàn)象在單元上具有重復(fù)性，4種基本形式迷宮灌水器按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模時(shí)，矩形選取3 個(gè)流道單元，齒形6 個(gè)流道單元，梯形4 個(gè)流道單元，三角形7 個(gè)流道單元進(jìn)行建模，其迷宮灌水器流道尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

各形式流道平面結(jié)構(gòu)單元中箭頭方向指向?yàn)樗髁鲃?dòng)方向。4種三維立體模型中，流道進(jìn)口斷面的幾何中心為三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，Gx為x 軸正方向，表示流道內(nèi)水流方向。4 種形式流道單元平面尺寸及三維建模見(jiàn)圖1。

利用Fluent 軟件對(duì)上述已結(jié)構(gòu)建模的4 種形式迷宮流道內(nèi)部進(jìn)行水流速度場(chǎng)模擬分析，根據(jù)模擬出的各流道內(nèi)流線(xiàn)及渦漩分布情況，利用畫(huà)圖工具盡可能地將流道內(nèi)的渦漩區(qū)域去除，借助Gambit 軟件進(jìn)行無(wú)漩渦流道的建模，得出4 種尺寸相對(duì)應(yīng)的無(wú)渦流道幾何模型。尺寸參數(shù)見(jiàn)表2。

4種形式的無(wú)渦流道單元平面尺寸圖及三維建模見(jiàn)圖2。

表1 有渦迷宮灌水器尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension parameters of labyrinth emitter with vortex

表2 無(wú)渦迷宮灌水器尺寸參數(shù)Tab.2 Dimension parameters of labyrinth emitter without vortex

1.2 邊界層的選取及網(wǎng)格劃分

在利用Gambit 建模軟件1∶1 建模時(shí)，各迷宮灌水器模型的速度入口斷面和自由出流斷面上均設(shè)置邊界層，其中第1層邊界層的厚度為0.01 mm，邊界層數(shù)為6，總厚度均為0.208 mm，計(jì)算網(wǎng)格劃分方法選用Hex/stairstep 網(wǎng)格，其網(wǎng)格間距為0.05 mm。劃分后的矩形有渦流道網(wǎng)格數(shù)239 360 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)262 568 個(gè)；矩形無(wú)渦流道網(wǎng)格數(shù)104 282 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)121 862個(gè)。齒形有渦流道網(wǎng)格數(shù)96 898個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)110 588個(gè)；齒形無(wú)渦流道網(wǎng)格數(shù)40 080 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)49 844 個(gè)。三角形有渦流道網(wǎng)格數(shù)121 088 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)139 725 個(gè)；三角形無(wú)渦流道網(wǎng)格數(shù)61 490 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)74 451 個(gè)。梯形有渦流道網(wǎng)格數(shù)40 960 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)48 161 個(gè)；梯形無(wú)渦流道網(wǎng)格數(shù)13 568個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)18 462個(gè)。其中以梯形有渦流道4個(gè)單元網(wǎng)格劃分及梯形無(wú)渦流道4 個(gè)單元網(wǎng)格劃分結(jié)果為例，見(jiàn)圖3。

2 計(jì)算模擬結(jié)果及分析

2.1 有渦和無(wú)渦流道灌水器的流場(chǎng)分析

以矩形、齒形、三角形、梯形4種流道灌水器模型為研究對(duì)象，通過(guò)Fluent 軟件對(duì)4 種流道迷宮灌水器進(jìn)行流場(chǎng)的模擬，并利用Tecplot 后處理軟件對(duì)該4 種模型進(jìn)行速度流場(chǎng)的分析，可以清楚地了解4種流道灌水器內(nèi)部水流的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況。在各個(gè)流道灌水器的z=0平面進(jìn)行速度場(chǎng)的模擬，并繪制速度矢量圖，見(jiàn)圖4。

如圖4所示，迷宮流道內(nèi)的水流流動(dòng)主要包括位于流道邊壁處、夾角處的堵塞區(qū)與水流運(yùn)動(dòng)正方向的主流區(qū)。主流區(qū)內(nèi)的水流流速較大，流線(xiàn)沿流道分布均勻，且不易受流道轉(zhuǎn)角的影響，流道內(nèi)的沙粒不易在此區(qū)域內(nèi)沉積。堵塞區(qū)內(nèi)的水流流速較小，流線(xiàn)易受流道轉(zhuǎn)角的影響脫離主流而形成封閉的漩渦，流道內(nèi)的微小顆粒會(huì)在此區(qū)域內(nèi)沉積而造成灌水器的堵塞。因此，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬可視化地揭示了4種形式流道內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況及水流流動(dòng)的速度矢量圖，進(jìn)一步借助AutoCAD 畫(huà)圖軟件和Tecplot 軟件的處理分析，對(duì)矩形、齒形、三角形、梯形4種有渦流道灌水器模型基進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大限度地消除了堵塞區(qū)內(nèi)漩渦對(duì)流道水力性能的影響，并從結(jié)構(gòu)上解決流道堵塞的問(wèn)題，建立了4種形式相對(duì)應(yīng)的無(wú)渦迷宮流道模型。并對(duì)4種無(wú)渦迷宮流道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)情況（速度場(chǎng)）進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，繪制出各個(gè)無(wú)渦流道灌水器流道在z=0平面上的速度矢量圖，見(jiàn)圖5。

由圖5可知，4 種形式無(wú)渦流道內(nèi)最大限度的消除了渦漩對(duì)水流的影響，流道內(nèi)水流流線(xiàn)均沿著主流區(qū)流動(dòng)，抗堵性能良好。同時(shí)，4種形式無(wú)渦流道以消除流道內(nèi)的旋渦區(qū)即堵塞區(qū)為目標(biāo)，按照流道內(nèi)主流區(qū)速度流線(xiàn)的外邊緣為流道的邊界，確定出流道的結(jié)構(gòu)形狀為圓弧形，具體尺寸見(jiàn)表2及圖3。通過(guò)確定出的4 種形式無(wú)渦流道，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬軟件對(duì)無(wú)渦流道內(nèi)水流的水力性能做進(jìn)一步研究與分析。

2.2 壓力速度關(guān)系

利用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在3、5、7、9、10、12、14、15 m 的壓力水頭條件下，假定速度入口值，經(jīng)模擬后讀出該速度值下的速度入口斷面面加權(quán)平均壓強(qiáng)與自由出流斷面面加權(quán)平均壓強(qiáng)以及2者之間的壓強(qiáng)差。此壓強(qiáng)差需乘以實(shí)際迷宮流道單元數(shù)與模擬流道單元數(shù)的倍數(shù)，最終得出灌水器的實(shí)際壓強(qiáng)差，從而得出灌水器的水頭損失。此結(jié)果若與假設(shè)的壓力水頭值不符，則再假設(shè)速度入口值，直到模擬結(jié)果所得出的壓力水頭與給定值接近為止。速度流量計(jì)算公式為：

式中：q為灌水器流量；v為斷面平均流速；A為灌水器流道斷面面積。

在給定的不同壓力水頭條件下，不同形式迷宮流道內(nèi)的水流速度值見(jiàn)表3。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可得出各個(gè)模型迷宮流道灌水器內(nèi)水頭損失與斷面平均流速關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

表3 不同壓力下迷宮流道灌水器內(nèi)水流速度值 m/sTab.3 Flow velocity in labyrinth channel emitters with different pressure heads

根據(jù)圖6可知：①有渦迷宮流道中水頭損失與流速的線(xiàn)性斜率為1.75～2.00，說(shuō)明此時(shí)流道內(nèi)水流流態(tài)為湍流。②無(wú)渦迷宮流道中水頭損失與流速的線(xiàn)性斜率為1.49～1.60，說(shuō)明無(wú)渦迷宮流道內(nèi)水流流態(tài)更接近層流流態(tài)，湍動(dòng)程度較有渦迷宮流道不明顯。

2.3 壓力流量關(guān)系及流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)的分析

通過(guò)Fluent軟件數(shù)值模擬，可以得出不同形式的迷宮流道在給定壓力水頭下的流量值，其結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4內(nèi)數(shù)據(jù)得出4種形式有渦迷宮流道灌水器及無(wú)渦迷宮流道灌水器的壓力與流量關(guān)系，見(jiàn)表5。由表5可知：①4 組有渦流道迷宮灌水器的流態(tài)指數(shù)均靠近0.5，說(shuō)明有渦流道迷宮灌水器壓力補(bǔ)償性較低，壓力的變化對(duì)迷宮流道內(nèi)水流流量的影響較小，抗堵性能及水力性能較好。②同種形式的有渦流道迷宮灌水器與無(wú)渦流道迷宮灌水器相比，流道內(nèi)水流的流態(tài)指數(shù)較小、流量系數(shù)較大。說(shuō)明在去掉渦旋后的迷宮流道灌水器內(nèi)，無(wú)渦迷宮流道灌水器的壓力補(bǔ)償性增大，流道內(nèi)流量對(duì)壓力的敏感程度增大，灌水器的水力性能變差。

表4 不同壓力水頭條件下各形式迷宮流道灌水器內(nèi)流量值 L/hTab.4 Flow rate in labyrinth channel emitters with different pressure heads

表5 各形式迷宮流道灌水器內(nèi)壓力與流量關(guān)系Tab.5 Relationship between pressure and flow rate in labyrinth channel emitters

3 結(jié) 論

（1）迷宮流道灌水器內(nèi)的水流流動(dòng)可分為沿著流道運(yùn)動(dòng)的主流區(qū)和堵塞區(qū)，堵塞區(qū)內(nèi)由于渦漩的存在使流道內(nèi)微小顆粒在此區(qū)域內(nèi)沉積而引起流道的堵塞。借助CFD 模擬軟件、AutoCAD 畫(huà)圖軟件及Tecplot 后處理軟件，最大限度地按照流道內(nèi)主流區(qū)速度流線(xiàn)的外邊緣為流道的邊界設(shè)定不同形式的無(wú)渦流道模型，從結(jié)構(gòu)上解決了渦漩對(duì)于不同形式流道的影響，極大提高了流道內(nèi)的抗堵性能，為迷宮流道灌水器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定理論基礎(chǔ)。

（2）無(wú)渦流道進(jìn)口處流線(xiàn)相互平行且穩(wěn)定，水流流態(tài)為層流。整個(gè)無(wú)渦流道中由于沒(méi)有渦漩的存在，無(wú)渦迷宮流道內(nèi)水流流態(tài)介于層流與湍流之間的過(guò)渡區(qū)，流道內(nèi)水流流線(xiàn)湍動(dòng)不明顯，流道中水頭損失與流速的1.49～1.60 次方成比例；有渦迷宮流道中流道內(nèi)水流流態(tài)為湍流，流道中水頭損失與流速的1.75～2.00次方成比例，此結(jié)果與雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，流道內(nèi)流線(xiàn)湍動(dòng)明顯。

（3）對(duì)于同一種形式的流道模型，流道去掉渦漩后，其流量系數(shù)均變小，流態(tài)指數(shù)均變大，說(shuō)明此時(shí)流道迷宮灌水器的壓力補(bǔ)償性增大，流道內(nèi)流量對(duì)壓力的敏感程度增大，灌水器的水力性能變差。

（4）4 組模型的有渦流道迷宮灌水器的流態(tài)指數(shù)均靠近0.5，說(shuō)明有渦流道迷宮灌水器壓力補(bǔ)償性較低，壓力的變化對(duì)迷宮流道內(nèi)水流流量的影響較小，抗堵性能及水力性能較好。

（5）渦漩的存在既可以造成流道內(nèi)微小顆粒的堵塞，也可以增強(qiáng)流道內(nèi)水流的湍動(dòng)強(qiáng)度，有利于增強(qiáng)迷宮流道灌水器的水力性能。