微灌滴頭平角齒形微通道流動實驗研究

金 文,張鴻雁,何文博

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安 710055;2.西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校動力工程系,西安 710077)

0 引 言

微灌技術(shù)是通過微灌滴頭以微小的流量濕潤作物根部附近土壤的一種高效灌水技術(shù),它以節(jié)水、省工、灌水均勻度高等特點而被廣泛研究和大力推廣。微灌技術(shù)的關(guān)鍵在于滴頭的性能,而滴頭性能是由其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)決定的。通常,為提高滴頭流動阻力占整個系統(tǒng)總阻力的百分比以保證所有滴頭出水量均勻,滴頭內(nèi)部流道往往被設(shè)計得異常復(fù)雜,其特征尺寸也只有500μ m～1mm。由此導(dǎo)致在使用中由于滴頭堵塞造成整個系統(tǒng)報廢已成為目前制約該技術(shù)大范圍推廣的重要原因。

早期對微灌滴頭的研究主要集中在確定流量和壓差等水力參數(shù)間的關(guān)系。Wu和Gitlin(1974)導(dǎo)出了沿毛管總摩擦壓力水頭損失的公式和能量廓線方程(EGL),用這些公式和方程可以直接計算滴頭流量[1]。Tal和Zur(1980)對簡單的螺旋形長流道滴頭的流動特性進行了研究,建立了適合計算螺旋形灌水器壓降和流體速度的經(jīng)驗公式[2]。Wu和Little[3](1983),Peng和Peterson[4](1994)的工作揭示了微通道外部流量和壓差等參數(shù)對通道內(nèi)流的阻力規(guī)律、臨界雷諾數(shù)的影響。近年來,隨著Micro-PIV技術(shù)的出現(xiàn),對滴頭微通道內(nèi)流流場的測量成為可能[5]。HaoLi Wang和 Yuan Wang曾通過數(shù)學(xué)建模和Micro-PIV實驗測量相結(jié)合的方法對粗糙壁直通道內(nèi)流流場進行過詳細研究[6-9](2005,2007)。王元和金文等對尖角鋸齒型微通道內(nèi)流流場Micro-PIV實驗發(fā)現(xiàn),在流道的尖角處除存在一個完整的大渦外,在大渦上部存在一個疊加渦[10]。筆者在此基礎(chǔ)上,利用Micro-PIV技術(shù)對斷面尺寸800μ m×800μ m的平角齒形微通道流場進行測量,通過對這類復(fù)雜微通道流場結(jié)構(gòu)的研究,了解滴頭內(nèi)部的流動規(guī)律,發(fā)現(xiàn)堵塞形成的位置、原因及機理,從而為微灌滴頭流道優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗裝置與測量技術(shù)

1.1 Micro-PIV技術(shù)

微灌滴頭內(nèi)流通道尺寸只有幾百微米,按照國際流體力學(xué)界通用劃分原則,它屬于微尺度范疇,而對微流體可視化測量是近年才發(fā)展起來的。該項技術(shù)最具代表性的是Micro-PIV(微流體粒子圖像測速)技術(shù),可用于透明基體材料的微流場的速度、濃度、溫度、渦量場測量。它是在傳統(tǒng)PIV技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,而又與傳統(tǒng)PIV技術(shù)有明顯不同。首先,由于所關(guān)注的流動區(qū)域通常只有幾十到幾百微米,為獲取高品質(zhì)CCD圖像,必須采用顯微觀測設(shè)備以提高圖像的空間分辨率,但這同時大大限制了CCD相機的進光量;其次,由于激光片光厚度往往遠大于微通道尺度,測量中流場是被通體照亮的,拍攝成像景深必需依靠顯微鏡頭控制;第三,為了有效消除邊壁反光所形成的干擾,測量中要使用熒光示蹤粒子并在成像系統(tǒng)上配備熒光濾光裝置;最后,由于熒光示蹤粒子受激光誘導(dǎo)發(fā)出的熒光光強很弱,為提高成像的信噪比,需要使用有更高灰階位數(shù)的CCD相機[5]。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由Micro-PIV測量系統(tǒng)、平角齒形微通道測量段以及微流動驅(qū)動系統(tǒng)組成。

Micro-PIV測量系統(tǒng)包括激光光源、CCD相機、同步器、顯微鏡頭及相應(yīng)光學(xué)元件。其中激光光源采用美國NewWave公司生產(chǎn)的Mini：YAG雙脈沖激光器,工作頻率15Hz,最大脈沖能量150mJ;CCD相機使用德國Cooke公司的PCO.1600型,具有1600 ×1200像素和14位灰階動態(tài)范圍;同步器采用美國TSI公司生產(chǎn)的610034型,操作平臺采用 Insight 6.0軟件;示蹤粒子選擇美國Duke公司3μ m的熒光微球,其吸收波長峰值在532nm附近,激發(fā)波長為610nm;鏡頭選用日本Mitutoyo公司的Apo×10顯微物鏡和Nikon公司的60mm微距鏡頭并加裝只允許波長610nm紅光透過的濾光裝置。

專門設(shè)計的微流動驅(qū)動系統(tǒng)由壓縮空氣源、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力表、貯液容器以及壓縮空氣管路和溶液管路組成,通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的進氣壓力來調(diào)節(jié)微通道的流量。圖1展示了整個實驗及測量裝置。

圖1 微通道測量平臺Fig.1 The micro-channels measuring platform

平角齒形微通道試件采用有機玻璃制作,通道全長10cm,共 36個齒,過流斷面為等邊矩形,邊長800μ m(見圖2)。實驗中將微通道試件固定在一臺二維微型坐標(biāo)架上,成像系統(tǒng)、座標(biāo)架以及調(diào)節(jié)裝置固定于由特殊型材制作的實驗臺面上,以保證光路系統(tǒng)精度。

圖2 微通道試件照片F(xiàn)ig.2 The pattern photo of micro-channel

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗參數(shù)設(shè)定

在實際微灌工程中,微灌滴頭的輸水流量是微灌系統(tǒng)的主要控制參數(shù),針對不同的土質(zhì),要求不同,一般微灌滴頭輸水量控制范圍大致在1.0～3.0L/h之間[11]。實驗中,為了解滴頭微通道在不同控制參數(shù)下流動規(guī)律,按照上述實際工程數(shù)據(jù),通過調(diào)節(jié)輸送壓力來控制微通道流量,進而調(diào)節(jié)流動雷諾數(shù)Re。結(jié)合測量試件內(nèi)通道尺寸,實驗雷諾數(shù)選定為100、150、 200、250、300。涵蓋了一般微灌滴頭輸水量范圍。

2.2 流動圖像獲取與處理

圖3給出微尺度PIV測量系統(tǒng)拍攝的微通道內(nèi)粒子圖。從圖3可以看出,Micro-PIV測量系統(tǒng)對微通道流場中熒光粒子拍攝的效果很好,粒子輪廓清晰,而采用濾光技術(shù)后,干擾光大大減少,背景顏色與粒子像顏色反差鮮明,粒子圖像的信噪比高,也說明濾光拍攝方式對于提高圖像質(zhì)量十分有效。

圖3 Micro-PIV拍攝微通道粒子圖像Fig.3 The particle image by Micro-PIV

在微尺度測量中,由于流動特征尺度本身很小,示蹤粒子布朗運動引起的誤差常常不可忽略。示蹤粒子的布朗運動屬于正態(tài)分布的隨機運動,它產(chǎn)生的誤差分布是無偏的[12],當(dāng)流動定常時,可以通過對多幅圖像疊加平均的方法降低由此引起的誤差。由于該實驗試件內(nèi)通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流動變化較大,因此在圖像處理中未使用矢量平滑技術(shù),以保證流場測量準(zhǔn)確。

2.3 實驗結(jié)果與分析

2.3.1 微通道整體流場結(jié)構(gòu)

使用Micro-PIV系統(tǒng)對平角齒形微通道流場進行測量得到的粒子圖像,經(jīng)過互相關(guān)處理后,得到流場的速度矢量分布圖(見圖4)。從圖4可以看到流場內(nèi)測點分布均勻,各測點速度矢量信息清晰,布朗運動效應(yīng)基本消除。

由于測量部位在微通道后半部分,對圖4展示的滴頭內(nèi)流平角齒形微通道在Re=200時的流場進行分析,發(fā)現(xiàn)滴頭內(nèi)通道兩個齒間流體流動結(jié)構(gòu)基本一致,說明流體在充分發(fā)展后每齒通道內(nèi)的流動具有周期性,因此對平角齒形滴頭內(nèi)流通道流動結(jié)構(gòu)的分析研究可針對一個齒內(nèi)進行。另外,齒內(nèi)流速分布顯示,在微通道內(nèi)不同位置速度差異較大,微通道中受流體沖擊側(cè)部位流速較大,是通道內(nèi)流體的高速區(qū),而通道的轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)向直道內(nèi)側(cè)為低速區(qū),且其中伴有渦的存在。

圖4 平角鋸齒形微通道流場速度矢量圖Fig.4 The velocity vector of jagged micro-channels flow field

2.3.2 微通道頂角區(qū)流場

為了更加有效地分辨低速旋渦區(qū)的流動細節(jié),提高流場的分辨率,實驗使用10倍顯微物鏡對微通道局部位置采取縮小檢測區(qū)域的辦法進行了測量。圖5給出了Re=200時微灌滴頭平角齒形微通道內(nèi)流頂角區(qū)域流場的速度矢量圖、速度云圖及流線圖。圖5的流場結(jié)構(gòu)清晰地表明此處屬于回流區(qū),流速低,有渦流存在,容易造成雜質(zhì)顆粒的沉積。

2.3.3 微通道轉(zhuǎn)角區(qū)流場

圖6給出了Re=200時微通道內(nèi)流體在轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)區(qū)域的流場矢量圖、速度云圖及流線圖。從圖中可以看出,轉(zhuǎn)角區(qū)內(nèi)側(cè)也是一處低速回流區(qū),該區(qū)域為一狹長空間,寬度約占據(jù)通道截面1/3,區(qū)域內(nèi)伴有渦生成。雖然該區(qū)域的渦旋會卷入流體中固體雜質(zhì),在流速和壓差作用下雜質(zhì)將滯留于此,但渦的右側(cè)為主流區(qū),流速較高,因此當(dāng)通道內(nèi)有雜質(zhì)卷入時,不易造成永久性通道堵塞。

圖5 平角齒形微通道頂角區(qū)域流場速度矢量圖及流線圖Fig.5 The velocity vector&streamline graphs of the regional corner flow field

圖6 平角齒形微通道轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)區(qū)域流場速度矢量圖及流線圖Fig.6 The velocity vector&streamline graphs of the inner side region flow field

圖7展示了微通道轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的回流區(qū)隨雷諾數(shù)改變而發(fā)生的變化。基本趨勢是隨著Re的增加回流區(qū)沿截面方向范圍略有增加,沿流向方向范圍縮短,且隨Re增大渦有變大趨勢。從圖7可以看到,Re=100時,回流區(qū)占據(jù)截面方向范圍不到1/2,而當(dāng)Re=300時,占據(jù)截面方向范圍已增大到近2/3。與此同時流體流動速度等值線分布也有所不同,隨著Re的增大,高速區(qū)域范圍逐漸縮小,且位置下移,這與低速流道內(nèi)繞流阻力比高速流道內(nèi)繞流阻力小有關(guān)。

圖7 不同雷諾數(shù)下通道轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)區(qū)域流場結(jié)構(gòu)變化圖Fig.7 The structure graphs of the inner side region flow field at different Re

長期以來,由于微灌滴頭流道尺寸微小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部流動規(guī)律不詳,設(shè)計一直缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。在實際使用中,通常總是希望微灌滴頭流道通暢,不易發(fā)生堵塞。這在滴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時,要求盡量消除流道內(nèi)的低速區(qū)和渦旋區(qū),因為這些旋渦區(qū)的存在,會使流動中帶有的固體顆粒被流體渦旋卷入渦旋結(jié)構(gòu)內(nèi)從而使顆粒在運動過程中始終聚集于渦旋區(qū)。對于進入低速渦旋區(qū)內(nèi)的顆粒,由于其所處區(qū)域水流速度極低,顆粒進入后很難再被沖出,久而久之就會因相互間的碰撞凝并,使微小顆粒合并長大、沉降而堵塞流道。但另一方面,流道圓滑會導(dǎo)致流動阻力減小,而滴頭內(nèi)流道設(shè)計是希望通過提高滴頭流動阻力占整個微灌系統(tǒng)總阻力的百分比以平衡處于微灌管網(wǎng)不同位置滴頭的流動損失,保證在灌溉中所有的滴頭出水量均勻。因此,流道結(jié)構(gòu)的改進應(yīng)綜合考慮兩方面因素的影響,在保證微灌滴頭出水均勻的條件下,根據(jù)實驗結(jié)果給出的流動結(jié)構(gòu),有針對性選擇滴頭流道形式,降低堵塞現(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié) 論

(1)建立了微灌滴頭內(nèi)流微通道流動測量Micro-PIV實驗平臺,采用 10x顯微物鏡、14位灰階PCO1600相機、3μ m熒光示蹤粒子和僅允許610nm紅光透過的濾光鏡相配合、解決了相機與PIV系統(tǒng)的匹配問題,提高了圖像信噪比。在圖像處理中使用多次測量取平均的方法消除示蹤粒子的布朗運動影響,獲取了清晰的粒子圖像;

(2)通過對800μ m平角齒形微通道內(nèi)流場Micro-PIV實驗測量,得到了微通道內(nèi)流體流動的速度矢量分布圖和流線分布圖,發(fā)現(xiàn)微通道內(nèi)各齒間流動結(jié)構(gòu)基本一致,即微通道內(nèi)流充分發(fā)展后是一種周期性流動。測量結(jié)果顯示在微通道中存在低速渦流區(qū),分析得知顆粒在此處易發(fā)生沉積,是造成堵塞的主要原因;

(3)通過對平角齒形微通道局部進行Micro-PIV實驗測量,獲得了兩個低速渦旋區(qū)流體流動結(jié)構(gòu)的細微狀況,并指出了低速渦旋區(qū)內(nèi)渦旋隨時間和雷諾數(shù)變化而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化趨勢,對微灌滴頭內(nèi)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出了建議。

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