微流管道內(nèi)懸浮沙?？苟氯囼炁c兩相流模擬分析

蘇曉俊

（新疆昌吉州奇臺縣白楊河灌區(qū)管理站，新疆 昌吉 831800）

滴頭堵塞是影響滴灌均勻度、運行成本及壽命的重要因素之一，也是科研人員重點研究對象。由于滴頭流道特征尺寸微?。ㄒ话銥? mm左右）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很容易堵塞。對于物理堵塞主要采用過濾、沉淀等措施。但經(jīng)過過濾后，仍然會有部分懸浮顆粒留在水中，并隨水流進(jìn)入滴頭[1]。如果能夠提高滴頭的抗堵塞性能，將會降低大田滴灌系統(tǒng)的投入，同時也可以降低生產(chǎn)和運行成本，有利于滴灌系統(tǒng)的推廣，更好地促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

我國于1974年引進(jìn)滴灌技術(shù)，1980年研制生產(chǎn)了自己的第一代成套滴灌設(shè)備，經(jīng)歷了從應(yīng)用試點到較大面積推廣應(yīng)用，并直接引進(jìn)國外的先進(jìn)工藝技術(shù)，高起點開發(fā)研制微灌設(shè)備產(chǎn)品?！鞍宋濉逼陂g微灌技術(shù)已被國家科委正式列為節(jié)能科技成果推廣項目。當(dāng)今世界上，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家都重視滴灌的研究，由于我國的農(nóng)業(yè)用水利用效率還不到50%，所以對滴灌設(shè)備的開發(fā)、研制的投入都很大，也取得了很多成果。

本文對四種不同類型的滴頭流道模型進(jìn)行了初步的模擬分析，通過試驗和對不同流道進(jìn)行兩相流模擬分析。

1 流道結(jié)構(gòu)與邊界條件

各種結(jié)構(gòu)形式的滴頭，其平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計，流道齒主體均以三角形為基礎(chǔ)構(gòu)建的，具體差異主要表現(xiàn)在流道結(jié)構(gòu)控制參數(shù)（齒高、齒寬、齒間距和流道長度等）的變化，如圖1所示。流道結(jié)構(gòu)控制參數(shù)的確定，可以使滴頭流道形狀基本確定，即可以根據(jù)流道尺寸確定滴頭流量。本文所指的流道長L是指水流經(jīng)過流道起點到流道末端處的直線距離之和，并不指水流經(jīng)過的實際長度，可以把齒間距作為一個流道單元，流道長度等于流道單元個數(shù)與齒間距的乘積。

圖1 流道結(jié)構(gòu)因素及代號

通過建立迷宮滴頭流道幾何模型（見圖2），滴頭流道是由多個結(jié)構(gòu)相同的單元組成，其滴頭流道尺寸見表1。

圖2 流道模型結(jié)構(gòu)

表1 滴頭流道尺寸

2 流道結(jié)構(gòu)形式和尺寸抗堵塞性能試驗

試驗滴灌帶的布置示意圖見圖3，在測試裝置上安裝5條同一滴灌帶，每條滴灌帶上有不少于5個滴頭，共測試的滴頭數(shù)量不少于25個，實驗測試四種31個尺寸的原型滴頭。滴頭的流量壓力關(guān)系試驗按照農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備-滴灌管技術(shù)規(guī)范GB/T17188-1997[76]進(jìn)行。通過對幾組不同結(jié)構(gòu)形式的滴頭在30～180 kPa范圍內(nèi)，9個壓力點下的多次模擬計算和試驗測試的滴頭流量。測試的滴頭流量是采用體積法測量25個滴頭出水量，每一壓力下測試時間為5分鐘。

圖3 流道幾何模型結(jié)構(gòu)

在抗堵塞試驗過程中，不同滴頭的平均流量隨時間的變化曲線呈現(xiàn)不同的規(guī)律。部分滴頭流量在整個抗堵塞8個試驗階段中隨著試驗階段的一次遞增流量急劇減小，在第二階段就出現(xiàn)了堵塞不出水的現(xiàn)象，如E4，表明滴頭對固體顆粒濃度和粒徑極為敏感；部分滴頭流量隨著試驗階段的依次遞增流量減小緩慢，表明滴頭對固體顆粒濃度和粒徑不敏感；個別滴頭在上一階段堵塞不出水，而在下一階段出現(xiàn)流量回升現(xiàn)象，其原因是各階段之間停泵30分鐘，在下一階段加沙前，開泵加壓，水流將堵在滴頭內(nèi)的沙粒沖開所致。當(dāng)一條滴灌帶上的部分滴頭發(fā)生堵塞時，該滴灌帶上其他沒有堵塞的滴頭的流量有少許增大，主要是因為滴灌帶流量的減少引起該滴灌帶水頭損失減少，使得該滴灌帶上未堵塞滴頭處的工作壓力有所增高而流量增加。

比較四類流道結(jié)構(gòu)形式，由表2在試驗的前三個階段基本未堵，之后第5階段堵塞加劇，堵塞率由56.6%增加到96%，表明額定流量較小的滴頭（1.03～1.82 L/h）流道尺寸對粒徑為0.09 mm固體顆粒，濃度1250 mg/L較敏感。按流道結(jié)構(gòu)形式抗堵性能排序：鋸齒＞斜齒＞直齒＞弧齒。

3 流道內(nèi)部模擬流場分布

在此次模擬計算滴頭流道的流動和顆粒輸運狀況算例中，我們是采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格體系，每個網(wǎng)格均為九節(jié)點四邊形單元，由于壓力的求解需要滿足LBB條件，因此，在流場計算中實際采用單元類型為混合階單元。模型的雷諾數(shù)為60，流道入口寬度為1 mm，長度約為40 mm，采用準(zhǔn)定長假設(shè)，給定初使?jié)舛确植技叭肟诹髁?，時間步長為0.01 ms。

圖4顯示的是流道內(nèi)部的壓力分布圖，從圖中可以得到入口處的壓力大約為1.3 atm（圖中壓力值為無量綱值），與試驗給定的入口壓力較為接近，說明模型的計算結(jié)果是合理的。流道內(nèi)沿水流前進(jìn)方向整體壓力均勻下降，與試驗結(jié)果也一致。

表2 四種流道類型滴頭抗堵塞試驗匯總

圖4 流道內(nèi)固液兩相壓力流線分布圖

由圖4可以看出沙粒的速度分布與水流的速度分布比較相近，也在齒尖的后部有渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，顆粒在流道中運動是各種力綜合作用的結(jié)果，作用在顆粒上的力包括：重力、水流拖曳力、水流上舉力（升力）、顆粒間作用力等。其中重力、水流拖曳力、水流上舉力（升力）與顆粒大小相關(guān)，顆粒間作用力與懸浮顆粒濃度密切相關(guān)[2]。由于流道中泥沙的濃度和顆粒粒徑都比較小，從上圖中可以看出入流顆粒濃度低時顆粒與水的速度分布比較一致，兩者之間的差異不是很大，與實驗值較為吻合。且從圖中可以看出速度值一般在坎前到達(dá)最大，坎后速度有回落，并且流形較坎前也有較大的變化。

4 結(jié)論

由于滴頭流道復(fù)雜、尺寸微小，所以內(nèi)部的流動以及物質(zhì)輸運狀況也比較復(fù)雜，本文通過對典型滴頭流道進(jìn)行兩相數(shù)值模擬，并得到了以下主要結(jié)論：

（1）模擬采用了二階時空精度的有限元離散和求解手段，對不同結(jié)構(gòu)形式的滴頭進(jìn)行了模擬分析并得到了初步結(jié)果。

（2）通過給定入口流量及出口壓力等初始條件，經(jīng)過模擬計算得到了該條件下的入口壓力值并與試驗值接近，說明了采用的數(shù)值模擬是合理的。

（3）在E2型滴頭流道內(nèi)部，懸浮流動的泥沙顆?？偸窃诹鞯纼?nèi)的齒前集中，相對齒后的濃度則較小些。且在拐角處有與其他流道明顯的不同速度和泥沙濃度分布，但由于顆粒的粒徑小，所以流道內(nèi)水相和顆粒相的速度差異并不大。

（4）通過對滴頭流道的兩相數(shù)值模擬，由兩相速度差異結(jié)果中可以看出，不同粒徑顆粒的速度場均有所差異，從模擬圖的結(jié)果可以看出，當(dāng)粒徑由0.01 mm增大到0.05 mm時，水相與顆粒相的速度差異開始明顯。