進口結構對迷宮流道滴頭性能影響的模擬研究

謝巧麗，牛文全，李連忠

(1 西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2 德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253000)

進口結構對迷宮流道滴頭性能影響的模擬研究

謝巧麗1,2，牛文全1，李連忠1

(1 西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2 德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253000)

【目的】 分析進口柵格結構對滴頭性能的影響，為迷宮流道滴頭的設計提供參考。【方法】 應用計算流體力學CFD方法，對不同進口結構的滴頭流道流場進行數值模擬，分析進口數目、進口寬度、進口高度和緩水區(qū)深度對滴頭性能的影響。【結果】 進口流量在不同進口柵格之間分配，距離迷宮流道越遠的進口柵格流量越小，流量主要集中在靠近迷宮流道的幾個進口柵格；在總進口柵格斷面面積大于迷宮流道最小斷面面積的情況下，不同進口柵格結構幾乎對滴頭流量沒有影響，而對各進口柵格之間的流量分配影響較大；隨著進口高度和緩水區(qū)深度的增加，不同進口之間流量和流速的分布更加均勻，低速區(qū)面積減小，可降低進口處泥沙沉積，提高滴頭的抗堵塞性能；單純增加進口數目并不能從根本上改善進口處的堵塞狀況，片式滴頭進口數目以3～5個為宜?！窘Y論】 進口柵格結構對滴頭性能影響很大，應深入研究以優(yōu)化滴頭性能。

滴灌系統(tǒng)；迷宮流道；滴頭；進口結構；滴頭流量；數值模擬

堵塞仍是目前滴灌系統(tǒng)沒有得到根本解決的重要難題，滴頭堵塞問題嚴重制約著滴灌系統(tǒng)的壽命和應用。 影響滴頭堵塞的因素很多，如灌溉水中的泥沙含量和粒徑分布、難溶解性鹽含量、微生物含量等水質問題，以及滴頭的迷宮流道結構等[1-2]，其中迷宮流道結構參數對滴頭抗堵塞性能影響的研究一直是本領域的研究熱點。眾多學者采用樣品測試[3-4]、計算流體動力學CFD數值模擬[5-7]、粒子圖像測速技術PIV[8]及激光多普勒測速儀LDV[9]等技術，分別研究了滴頭迷宮流道結構參數對流態(tài)、流動機理、堵塞機理等的影響，確定了影響滴頭水力性能和抗堵塞性能的主要結構參數及影響規(guī)律，對滴頭設計提供了重要的理論指導和參考依據。另外，王文娥等[10]利用流體動力學軟件對迷宮滴頭進行了液固兩相流數值分析，結果表明滴頭進口和緩水區(qū)懸浮顆粒濃度較高。大量試驗研究和調查也發(fā)現(xiàn)，迷宮流道滴頭發(fā)生堵塞的位置大多數在滴頭進口及鄰近區(qū)域[11]。目前，迷宮流道進口結構一般均采用有3～30個進口的柵欄結構，而進口柵欄數量、柵欄結構參數對迷宮流道滴頭的流量、堵塞等的影響，尤其是如何影響流量、流速分布，以及進口和鄰近區(qū)域的流場分布，進而如何影響滴頭的堵塞及堵塞發(fā)生位置等，目前對該問題的研究較少。為此，本研究以市場應用最多的片式迷宮流道滴頭為研究對象，采用數值模擬方法，研究進口數量、結構參數對流量、流速分布的影響，以期為確定合理的進口結構及合理設計具有抗堵塞性能的滴頭提供參考。

1 材料與方法

1.1 進口流道結構

研究對象為內鑲片式迷宮流道滴頭(如圖1-a所示)，其進口部分由進水口和緩水區(qū)構成，進水口一般為柵欄結構(如圖1-b和圖1-c所示)。進口的控制參數有進口數目n、進口寬度a(mm)、進口間距l(xiāng)(mm)、進口長度h(mm)、進口高度b(mm)和緩水區(qū)深度d(mm)。圖1為進口數目n=5時的滴頭結構示意圖。水流由進水口進入，經過緩水區(qū)進入迷宮流道。在緩水區(qū)內，水流方向發(fā)生改變，一小部分壓能轉變?yōu)閯幽堋?/p>

根據對目前市場上常見的內鑲片式迷宮流道滴頭結構尺寸的調查和分析，本試驗選擇進口寬度a、進口高度b、緩水區(qū)深度d和進口數目n作為進口結構的控制參數，將進口間距l(xiāng)、進口長度h設為定值，其中l(wèi)=0.5 mm，h=1.0 mm。主流道結構一定：齒轉角為120°，齒間距為2 mm，齒高為0.6 mm，流道深度為1.0 mm，齒參差值為0，流道最小截面積為0.6 mm2。

進口寬度a設置5個水平，進口高度b設置4個水平，緩水區(qū)深度d設置2個水平，進口數目n設置為1，3，5，6，8，10，12，14，16，18，20個，3個因素共22個試驗組合，具體設置如表1所示。

進口截面積S=a·h·n，單個進口最小截面積為0.5 mm2。按照到達迷宮流道的距離遠近，依次將柵欄進口編號為1，2，3，……。

為了考慮進口截面積對進口流量的影響，本文分析進口數目n對滴頭流量的影響后，模擬分析了進口數目n=1，進口高度b=1.0 mm，緩水區(qū)深度d=1.5 mm時，進口寬度a(0.25，0.50，0.60 mm)、進口長度h(0.25，0.50，1.00 mm)和進口截面積發(fā)生變化后滴頭流量的變化。

1.2 數值模擬與邊界條件

數值模擬選擇ANSYS公司的計算流體動力學軟件FLUENT6.3，迷宮流道灌水器三維模型采用AUTOCAD軟件繪制，然后導入FLUENT6.3軟件自帶的GAMBIT模塊中進行網格劃分，網格單元采用六面體形式，將網格加密到一定程度(0.05 mm)后對計算精度提高并不明顯，因此為加快計算速度，本模擬中將網格大小均設置為0.1 mm。

對流量和流場的數值計算采用單相流，懸浮顆粒分布的兩相流模擬采用離散相模型(DPM)進行流固耦合計算，懸浮顆粒體積分數為1%，顆粒密度為2 500 kg/m3；顆粒粒徑設定為0.05 mm。數值計算采用有限體積法對RNGk-ε湍流模型進行離散，對流項等參數采用一階迎風格式，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法求解，流道壁面的處理采用壁面函數法。進、出口控制設置為壓力條件，進口壓力為0.1 MPa，出口壓力設定為0，試驗過程中監(jiān)測記錄的指標有出口流量、截面流速等，收斂精度設為10-4。

2 結果與分析

利用FLUENT的流量監(jiān)測界面(Report flux)和圖像顯示可得到各進口流量和進口流場分布及懸浮顆粒的分布情況。

2.1 進口結構對滴頭流量的影響

各進口流量疊加值即為滴頭流量。試驗D1～D22滴頭流量的平均值為4.02 L/h，計算各滴頭流量對平均流量的相對偏差，結果如表2所示。

從表2可以看出，所有處理的滴頭流量約為 4.0 L/h，不同處理之間差異非常小。除處理D13之外，其他試驗編號滴頭流量的相對偏差均在-1%～1%。

進口高度b不同，其他結構參數均相同的處理D1～D4流量相對偏差較小，說明進口高度b的改變對滴頭流量影響非常小。同理，處理D1～D8、處理D2和D9～D12之間流量相對偏差小，說明緩水區(qū)高度d或進口寬度a的改變對滴頭流量影響也非常小。處理D8及D13～D22，其進口數目n不同，其他結構參數均相同，其中處理D13在所有處理中流量相對偏差最大，超過1%。為探明進口截面積對流量的影響，本研究通過改變D13的進口截面積，模擬計算得出各滴頭流量，及與處理D13流量的相對偏差，結果見表3。由表3可以看出，滴頭流量隨著進口截面積的減小而減小，而相對偏差越來越大，說明此時滴頭流量受到進口截面積的限制。

處理D1～D12、D14～D22進口結構參數有一定改變，但總進口截面積仍大于迷宮流道最小截面積。在總進口截面積大于流道最小截面積時，滴頭流量主要由主流道結構控制，因此滴頭流量差異微小。這與現(xiàn)在普遍認為的，灌水器是通過其內部復雜的長流道結構進行消能從而控制流量是相符的。當總進口截面積小于流道最小截面積時，水流在進口處受到限制，滴頭流量隨著總進口截面積的減小也逐漸減小。

2.2 進口結構對各進口之間流量分配的影響

根據測定的各進口流量，計算每個進口流量占總流量的比重，結果見圖2。

從圖2可以看出，從進口1依次到離迷宮流道最遠的進口，各進口流量占總流量的比重依次減小，離迷宮流道最近的進口1和進口2的流量占主導地位。如處理D1進口1的流量占總流量的46.52%，進口1和進口2的流量之和占總流量的71.59%，而進口5的流量僅占總流量的6.02%。另外，隨著進口的增多，各進口流量占總流量的比重均有所減小。

通過分析各進口流量占總流量的比重，當進口數目大于6時，進口1～6累計流量占總流量的比重均大于90%。由此可見，增加進口數目將使各進口之間流量分配更加不均勻。

處理D1～D12均為5個進口，從進口1到進口5的進口流量均呈迅速減小趨勢，因此可以用進口5與進口1的流量比ε表示不同進口之間流量分布的均勻度，ε值越大表明進口之間流量分布的均勻度越高。以流量比ε來分析進口寬度a、進口高度b、緩水區(qū)深度d對流量均勻度的影響，結果見圖3和圖4。從圖3可以看出，當其他參數相同時，隨著進口寬度a的增大，流量比ε線性減小，當進口寬度a從0.50 mm增加到0.70 mm時，流量比ε從接近0.30降低到0.15，5個進口之間流量分配更加不均勻，此時進口流量更加集中在靠近迷宮流道的2個進口。隨著進口寬度a的增大，單個進口的截面積增大，其過流能力也隨之增強，在迷宮流道總過流能力一定的情況下，遠離迷宮流道進口的流量占總流量的比重迅速下降。為了提高柵格過濾效果，使進口流量分布更加均勻，應適當減小進口寬度。

從圖4可以看出，隨著進口高度b的增大，流量比ε呈增大趨勢，但是增大趨勢比較緩慢。說明隨著進口高度b的增大，每個進口通道長度增大，過流的局部水頭損失增大，不同進口之間的流量分配趨于均衡。緩水區(qū)深度d對流量比ε的影響遠大于進口高度b，隨著緩水區(qū)深度d的增大，流量比ε快速升高。分析其原因，主要是隨著緩水區(qū)深度d的增大，緩水區(qū)空間則增大，當水流進入緩水區(qū)后緩沖效果增強，各進口末端的流速、壓力差異減小，促進了各進口之間流量的均衡分配。

綜上所述，在不增加片式滴頭厚度的情況下，應適當增加緩水區(qū)深度，減小進口高度，提高各進口之間流量分配均勻度；在保證流道供水能力的前提下，減小進口寬度可以提高柵格的過濾和防堵塞能力。

2.3 進口結構對進口流速場分布的影響

利用FLUENT可觀測滴頭內部的流速分布情況，限于篇幅，本研究僅列出具有代表性的處理D1、D8、D14、D22進口1/2深處的流速分布，如圖5所示。從流速分布情況看，為防止進口及鄰近區(qū)域的泥沙沉降及堵塞，應盡量提高各進口間流量分配的均衡性，降低緩水區(qū)的0流速區(qū)域。從圖5可以看出，處理D1進口的高流速區(qū)主要集中在進口1、進口2及其緩水區(qū)，其他3個進口及其緩水區(qū)0流速區(qū)域較大。與處理D1相比，處理D8進口1、進口2的流速較低，而進口3、4、5流速較高，說明處理D8各進口流速差異相對不是非常明顯，流速分布較均勻。D1～D12其他處理的流速分布均勻度介于D1和D8之間。

由圖5還可以看出，處理D14進口流速分布較處理D1、 D8、 D22進口流速分布均勻；處理D22的進口4～20處流速基本為0，流速分布最不均勻?？梢娫黾舆M口數目將使流速分布更加不均勻。

由滴頭進口流速分布圖和2.2節(jié)分析可知，滴頭進口之間流量分配的均勻程度與進口流速分布的均勻程度相一致。

2.4 進口結構對進口懸浮顆粒分布的影響

對應圖5列出處理D1、D8、D14、D22進口1/2深處的懸浮顆粒分布圖，結果如圖6所示。由圖6可以看出，處理D1懸浮顆粒的高質量濃度區(qū)域主要集中在遠離迷宮流道的進口4和5附近；處理D8懸浮顆粒的高質量濃度聚集區(qū)域主要集中在進口5及靠近邊界的緩水區(qū)域；D22各進口和緩水區(qū)懸浮顆粒的質量濃度均較高，離迷宮流道近的進口1和2懸浮顆粒的高質量濃度區(qū)域略小于其他區(qū)域，緩水區(qū)內幾乎都有高質量濃度懸浮顆粒分布，其高質量濃度區(qū)域面積明顯高于其他處理；處理D14懸浮顆粒的高質量濃度區(qū)域面積最小。

綜上所述，從進口部分懸浮顆粒的分布來分析，單純增加進口數目并不能從根本上改善進口處的堵塞狀況，而進口數目適當減小時，高質量濃度懸浮顆粒區(qū)域減小，進口處泥沙沉積幾率降低，滴頭的抗堵塞性能提高。因此，應適當減小進口的數目。這與2.3節(jié)分析結果一致，可見進口處顆粒的沉積區(qū)域與流速的分布關系密切，流速低的區(qū)域，泥沙顆粒容易沉降，造成進口和緩水區(qū)鄰近區(qū)域堵塞。

3 結論與討論

(1)在總進口截面積大于迷宮流道最小截面積時，進口結構參數的改變對滴頭流量不產生影響；反之，滴頭流量隨總進口截面積的減小逐漸減小。

陳雪等[12]、王瑞環(huán)等[13]的研究表明，流量與流道單元數、齒角度、齒間距、截面面積等結構尺寸有關。魏正英等[14]研究認為，單元尺寸越小流量越小，因此滴頭流量大小主要受迷宮流道最小尺寸的影響，總進口截面積大于迷宮流道最小截面積就不會影響滴頭流量。

(2)離迷宮流道越遠的進口流量越小，主要流量集中在靠近迷宮流道的幾個進口；可通過適當減小進口寬度、增大進口高度和緩水區(qū)深度等方法，提高各進口之間流量的均勻分配以及進口處的抗堵塞能力。進口結構對滴頭進口之間流量分配的均勻程度、進口流速分布的均勻程度、懸浮顆粒分布情況的影響是一致的。因此，可通過流量分配情況來分析進口結構對滴頭抗堵塞性能的影響。

目前還未看到與進口間流量分配情況類似的相關研究。另外，由于滴頭尺寸太小，還沒有可用于實際觀測各進口流量的驗證試驗方案，包括PIV等方法都無法準確確定各進口的實際流速和流量。

(3)適當減少進口數目，可顯著提高各進口流量的分配均勻性，提高各進口的流速，改善進口及鄰近區(qū)域的流場分布，防止進口及鄰近區(qū)域的泥沙沉降及堵塞。目前，市場上常見的片式滴頭進口數均在5個以上，最多達到30個左右，但本試驗結果發(fā)現(xiàn)，單純增加進口數量不僅無法提高進口處的抗堵塞能力，反而由于流量分配分散，部分進口流速過低，緩水區(qū)0流速區(qū)域過大，更易造成進口及鄰近區(qū)域泥沙沉降堵塞。從理論上分析，單一進口的流場特性最佳，但考慮到實際進入毛管的水流首先通過過濾器，由于過濾器的過濾效果、損壞及其他原因，部分較大顆粒還是有機會進入毛管，容易造成滴頭進口堵塞；另外，即使過濾效果較好的情況下，當過濾器無法過濾的細小顆粒(直徑小于0.1 mm)質量濃度較大時，也容易造成毛管沉積堵塞。因此，適當增加進口數目，有利于防止部分進口堵塞，保證滴頭流量的供給。綜合考慮上述因素、滴頭大小及結構的復雜性，建議片式滴頭進口數目以3～5個為宜，但該結論還需要進一步的試驗驗證。

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Influence of inlets on performance of labyrinth channels emitter

XIE Qiao-li1,2,NIU Wen-quan1,LI Lian-zhong1

(1CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2DezhouProspectingandDesigningInstituteofWaterConservancy,Dezhou,Shandong253000,China)

【Objective】 This study analyzed the impact of fencing inlets structure on the performance of emitter to improve the design of labyrinth channels emitter.【Method】 Computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation was used on dental labyrinth channel emitters.The effect of inlet number,inlet width,inlet height and depth of store on performance of emitter was analyzed.【Result】 The flow rate of emitter was allocated between different fencing inlets.The smaller the inlet was,the farther the flow rate would be away from the dental labyrinth channels.Moreover,the flow rate was mainly concentrated in inlets near the dental labyrinth channels.In the case that total area of inlets was greater than the minimum cross-sectional area of dental labyrinth channels,the structure of inlets had no influence on flow rate of emitter,but had a greater influence on the distribution of flow rate between inlets.With the increase of the depth of inlets and store,the distribution of flow rate and velocity between inlets was more evenly and the low-speed area reduced.This reduced the sediment deposition in the inlets,and improved the anti-clogging performance of emitters.Clogging in the inlets cannot be improved fundamentally by increasing the number of inlets simply.A total of 3-5 inlets were appropriate for emitter.【Conclusion】 The impact of fencing inlet structure on emitter performance was great,and should be further investigated to optimize the performance of emitter.

drip irrigation system;labyrinth channels;emitter;structure of inlet;emitter flow rate;numerical simulation

2013-09-13

國家高技術發(fā)展計劃“863計劃”項目(2011AA100507)

謝巧麗(1987-)，女，河北石家莊人，碩士，主要從事灌溉理論與節(jié)水技術研究。E-mail:wwwhappyxie@126.com

牛文全(1972-)，男，甘肅甘谷人，教授，博士，主要從事灌溉理論與節(jié)水技術研究。E-mail:nwq@vip.sina.com

時間:2014-12-12 09:30

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.01.023

S275.6

A

1671-9387(2015)01-0206-07

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20141212.0930.023.html