滴灌灌水器流道內(nèi)流體流動的數(shù)值模擬

張琴 管瑤 曹洪武

(1 塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300)

(2 塔里木大學信息工程學院，新疆阿拉爾 843300)

滴灌技術(shù)是國際公認的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)水節(jié)肥、灌水均勻、管理便利、增產(chǎn)增收等優(yōu)點，被世界各國廣泛應用［1］。其中滴頭是滴灌系統(tǒng)的核心部件，其水力性能的好壞直接影響到滴灌灌水器的工作性能。因此滴頭的抗堵塞性能一直是滴灌技術(shù)研究的熱點，也是滴灌結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論依據(jù)。

由于灌水器的結(jié)構(gòu)極其微小，采用傳統(tǒng)的量測方式不能清楚地顯示其流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及水流在流道中的流速變化，這對于研究滴灌灌水器流道內(nèi)部的水流流動狀態(tài)極為困難。研究流體流動的重要的研究方向和方法，其基礎(chǔ)就是計算流體力學［2］。對于大多數(shù)人來說，在工作中需要對某些具體的流動過程進行分析、計算和研究，但是對流體力學微分方程的求解以及進行計算的全過程的了解和掌握卻非常有限，由此，計算準確、界面友好、使用簡單，又能解決問題的商業(yè)軟件就誕生了，目前，使用較多的有Fluent軟件［3］。本文就是利用 CFD數(shù)值模擬方法對滴灌灌水器流道內(nèi)水流流動特性進行模擬研究，從而對灌水器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 物理與數(shù)學模型

本文選用矩形迷宮式滴灌帶，可視為矩形方管，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)建三維計算模型，建立的物理模型如圖1所示，滴頭流道進口截面面積為S=B×D=1 mm×1 mm=1 mm2。

該滴頭流道為矩形方管流道，滴頭內(nèi)部的水流運動可以視為不可壓縮流體的運動，這里采用k—ε紊流模型描述灌水器微小流道中的水流，近壁區(qū)采用兩層模型的壁面函數(shù)法，結(jié)合Navier－Stokes方程和連續(xù)方程［4，5］。流量 Q 大致在0.57 ～8.31 L/h之間，流體運動平均速度v在0.28～2.87 m/s以內(nèi)，流道當量直徑 De為(0.6857～0.8889)×10－3m，運動粘滯系數(shù)μ 為1×10－6m2/s，雷諾數(shù)Re在243～2556之間。王尚錦等［6］借助笛卡爾坐標系下時均N－S方程，采用加罰有限元數(shù)值方法模擬了“圓弧迷宮式”滴灌灌水器流道內(nèi)流動場。并針對防堵塞要求，對該滴頭進一步優(yōu)化設(shè)計提出了合理建議。楊衛(wèi)華等［7，8］通過試驗發(fā)現(xiàn)，對于深 0.1 mm，寬0.5～1.0 mm，曲率半徑32＜R＜52的彎曲微小通道，臨界雷諾數(shù)為Re=1 000～1 200，由層流直接過渡到紊流區(qū)，無明顯的過渡區(qū)，且曲率對摩阻系數(shù)也有影響。李云開，楊培嶺等［9］對目前中國農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域最為典型的8種迷宮式流道滴頭水力性能進行了研究，表明升壓、降壓兩種工作方式對滴頭出流有一定影響，但未達到顯著水平;經(jīng)典的流量－壓力關(guān)系模型完全適合于1.5～15.0 m壓力區(qū)間。張俊等［10］對弧形迷宮式流道進行研究，使用層流和紊流模型進行比較模擬出的流量和試驗測試流量值后，發(fā)現(xiàn)使用紊流模型得到的流量更加接近測試結(jié)果，誤差更小。王福軍等［11］指出經(jīng)典的N－S理論還是能夠分析微通道中流體的運動特性的，可以反映壓力與流量的關(guān)系趨勢，但需要考慮更多的影響因素，部分參數(shù)應該進行修正。

圖1 滴頭模型

2 網(wǎng)格生成及邊界條件

采用流體力學分析軟件Fluent的前處理器Gambit進行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent對相對復雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。對迷宮滴頭內(nèi)流場進行數(shù)值模擬時采用的離散化方法是有限體積法，可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格;三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。該軟件還可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格疏密，這種網(wǎng)格的自適應能力對于求解有較大梯度的流場有非常實際的作用。

滴頭斷面面積為S=1 mm×1 mm=1 mm2，流道長度分別為6個單元數(shù)，邊界條件設(shè)定為:入口水頭壓力為8米，出口壓力水頭均為0米。

3 模擬結(jié)果和分析

常溫下(按20℃計)取滴頭流道在紊流流動狀態(tài)下的工作流量Q=8.33 L/h，雷諾數(shù)

式中:Q為灌水器的流量，L/h;μ為流體的運動粘性系數(shù)，20℃時水的運動粘性系數(shù)μ=1.003×10－6m2/s;A為流道截面面積，A=B·D=1 mm·1 mm=1 mm2，B、D 為流道橫截面長和寬，mm;De為灌水器的當量直徑，mm，因灌水器流道斷面設(shè)定為矩形斷面，則當量直徑De為:

計算后得到流道內(nèi)雷諾數(shù)為2306，則可判斷流道中流體應為紊流。得到的滴頭流道流場矢量圖如圖2所示。

由圖2可以看出，受進出口段和轉(zhuǎn)彎段的影響，緊挨進口上游、出口下游的個別單元段速度分布不同，其他的單元段流速變化趨勢基本相同。從圖中還可以看出，直角轉(zhuǎn)彎處流速基本趨近于0，處于速度滯止區(qū)。而內(nèi)壁面很明顯存在兩個渦流區(qū)，容易造成堵塞。對比這兩個區(qū)域可知，在層流時雷諾數(shù)小，公式(1)中De、A和μ量不變，則進口區(qū)域的流量較小，流速比較低，一個單元數(shù)內(nèi)流體整體速度值變小，而在紊流條件下，流道內(nèi)的渦旋區(qū)和低速滯止區(qū)明顯比層流狀態(tài)多，拐彎處速度比層流狀態(tài)高，繞開直角區(qū)域后就會形成渦旋區(qū)，此時流速較大，不易形成堵塞。因此，流道優(yōu)化以紊流流動狀態(tài)下的流道為主。

圖2 速度矢量圖

流道內(nèi)流線圖見圖3。流線是某一瞬時在流場中匯出的一條曲線，該曲線上各個點的速度向量都與該曲線相切，它表示出了瞬間的流動方向。因此，恒定流時，流線的形狀和位置不隨時間的改變而改變，流體質(zhì)點沿著流線運動，理想的流線應相互平行，并且是一條光滑曲線。由圖3可以看出，矩形迷宮流道內(nèi)的流線在經(jīng)過流道下壁面直角區(qū)域時脫離，造成主流流線離開下游拐角處，在流道轉(zhuǎn)彎前，主流流線偏向到流道的一側(cè)，且流線比較集中，這就造成近壁面局部流量變小，流速降低。從以上闡述可知，隨著流體一起運動的微小顆粒雜質(zhì)在上述區(qū)域內(nèi)運動時，速度變小，從而就比較容易沉積形成微團，然后形成滯止區(qū)，最終造成滴頭微小流道堵塞，整個滴灌系統(tǒng)不能運行甚至達到報廢，因此對流道進行優(yōu)化時必須首先考慮消除上述區(qū)域。

圖3 流道流線圖

通過對流道速度場的分析知道，這種傳統(tǒng)的矩形迷宮式滴頭流道內(nèi)流線偏移比較嚴重，流道內(nèi)低速滯止區(qū)域較大并且在拐彎處主流流體的速度變化梯度比較大。當灌溉的時候，和流體一起運動的雜質(zhì)經(jīng)過這些區(qū)域流動時，就很容易造成沉積而引起滴灌灌水器流道的堵塞，從而影響滴灌的效果。由流體力學知識可知，如果流線在整個滴頭流道內(nèi)相互平行，而且近壁面的流體質(zhì)點的速度較高則可以保證近壁面不會因雜質(zhì)速度較低而形成沉積，從而消除產(chǎn)生流道堵塞的根本原因。

4 流道優(yōu)化

綜上所述，從灌水器流道的結(jié)構(gòu)形狀本身出發(fā)，對矩形迷宮流道進行改造和優(yōu)化?？梢钥紤]根據(jù)流線的分布將其設(shè)計成為圓弧形，這樣就使得流道中的細小雜質(zhì)可被水攜帶出灌水器流道，消除雜質(zhì)沉積，提高灌水器抗堵塞性。優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)見圖4:

圖4 優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)(單位:mm)

用Fluent模擬得到其流速分布圖:

圖5 優(yōu)化后的流道流速圖

從圖5可以看出，采用了圓弧過渡，優(yōu)化后的滴頭水力性能和抗堵塞性能得到了很大程度的提高;與優(yōu)化前的矩形流道相比，優(yōu)化后建立的圓弧形迷宮流道渦旋區(qū)和低速滯止區(qū)基本消除，盡管在近壁面還有少量的低速滯止區(qū)，但是與矩形滴頭流道相比已減少了很多。并且優(yōu)化后的流道雖然在拐彎處的小部分區(qū)域速度稍微有點偏高，但是從流道整體來看，優(yōu)化后的圓弧形流道內(nèi)主流速度分布比較均勻，且流體充滿了整個流道區(qū)域。雖然紊流時流道內(nèi)的速度變化還是比較平緩，主流區(qū)接近流道中心的區(qū)域，在流道拐彎的近壁面存在輕微的低速區(qū)，但是低速區(qū)非常小，足以把水中的雜質(zhì)帶出流道，從而不會引起流道內(nèi)的堵塞。因此采用優(yōu)化后的迷宮流道灌水器，可大大增加灌水器的抗堵性能，為設(shè)計水力性能好的灌水器提供了有效方法。

5 結(jié)論

5.1 本文利用Fluent軟件對灌水器流道內(nèi)水流流動進行了模擬研究，降低了灌水器內(nèi)水流流動可視化的復雜程度，表明利用數(shù)值模擬來進行灌水器設(shè)計的方法是可行的。

5.2 通過數(shù)值模擬，可以看到灌水器內(nèi)水流流動狀態(tài)主要為紊流。從灌水器流道內(nèi)流體的速度矢量分布，可以清楚的揭示其內(nèi)部流動場，在矩形灌水器轉(zhuǎn)角處存在大面積的低速區(qū)和速度滯止區(qū)，在近壁面存在渦旋區(qū)和低速區(qū)。

5.3 根據(jù)流線圖，可將矩形灌水器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圓弧形，通過模擬可以看出，優(yōu)化后的灌水器流道渦旋區(qū)和速度滯止區(qū)基本消除，流道內(nèi)主流速度分布較均勻，且流體充滿整個流道區(qū)域，提高了灌水器的抗堵塞性能。

本文旨在用數(shù)值模擬的方法來揭示滴灌灌水器內(nèi)部流場的變化，為滴頭的設(shè)計提供參考，因此沒有從試驗上進行比較。

［1］王立洪，管瑤等.節(jié)水灌溉技術(shù).北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］魏青松，史玉升，董文楚，等.滴灌灌水器流體流動機理及其數(shù)字可視化研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2004，(3):1 －4.

［3］魏朝暉，李異，金文，等.基于Pro/E和Gambit嵌入式對灌水器流道建模的研究［J］.江西農(nóng)業(yè)學報，2011，23(6):119－121.

［4］魏正英，唐一平，趙萬華，等.迷宮型灌水器水沙兩相流場分析及結(jié)構(gòu)改進［J］.機械工程學報，2009，45(8):89－94.

［5］王新坤，李俊紅，李亞飛，等.基于正交試驗的三角環(huán)流流道灌水器數(shù)值模擬［J］.排灌機械工程學報，2010，9:444 －448.

［6］王尚錦，劉小民，席光等.迷宮式滴頭內(nèi)流動的有限元數(shù)值分析［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2000，31(4):43 －46.

［7］楊衛(wèi)華，程惠爾，張志軍.水在小高寬比微小高度矩形彎道中的流動特性的試驗研究［J］.水動力學研究與進展，2003，18(3):365 －371.

［8］楊衛(wèi)華，程惠爾，蔡岸.彎曲微小通道流阻特性的數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學報，2003，24(1):66 －68.

［9］李云開，楊培嶺，任樹梅等.滴頭性能綜合測試平臺構(gòu)建及其在水力特性研究中的應用［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2005，2:104 －106.

［10］Zhang Jun，Zhao Wanhua，Wei Zhengying，et al.Numerical and experimental study on hydraulic performance of emitter with arc labyrinth channels［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2007，56(2):120 － 129.

［11］王福軍，王文娥.滴頭流道CFD分析的研究進展與問題［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(7):188 －192.