三角環(huán)流滴灌灌水器抗堵塞特性研究

陶 凱

（句容市水利農(nóng)機(jī)局，江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

滴灌作為國(guó)際公認(rèn)的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，具有灌水均勻、高效節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)增收、便于管理等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用，并快速發(fā)展，在我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。灌水器是滴灌技術(shù)的核心部件，其成本占滴灌系統(tǒng)造價(jià)的25%～35%[1]，主要作用是使壓力水流通過(guò)內(nèi)部的流道消能，使水流穩(wěn)定、均勻的滴入土壤，其水力性能的優(yōu)劣對(duì)滴灌系統(tǒng)的造價(jià)、能耗、灌水質(zhì)量及使用壽命等具有決定性的作用。但灌水器流道尺寸狹小，流態(tài)復(fù)雜，滴灌水中的雜質(zhì)易在流道內(nèi)沉積、凝結(jié)與黏附，使灌水器發(fā)生堵塞現(xiàn)象，降低滴灌灌水質(zhì)量和使用壽命[2-5]。滴灌水肥一體化、低壓滴灌、地下滴灌的發(fā)展[6-9]，再生水、黃河水、微咸水等在滴灌技術(shù)中的應(yīng)用，增加了灌水器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)因素[10-14]。堵塞已成為滴灌技術(shù)的行業(yè)難題，是影響滴灌技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文構(gòu)建一種三角環(huán)流滴灌灌水器，并采用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬分析，開(kāi)展灌水器內(nèi)部流動(dòng)、固-液-氣多相耦合運(yùn)動(dòng)的分析，預(yù)測(cè)灌水器水力性能及抗堵塞性能。

1 三角環(huán)流滴灌灌水器結(jié)構(gòu)

在對(duì)灌水器進(jìn)行CFD數(shù)值模擬之前，需要通過(guò)CAD對(duì)灌水器進(jìn)行造型，如圖1所示，構(gòu)建一種三角環(huán)流滴灌灌水器。三角環(huán)流滴灌灌水器由進(jìn)口、出口與流道主體3個(gè)部分組成，流道主體由30個(gè)流道單元依次連接而成，流道單元為2個(gè)三角形扁柱體嵌套形成的三角環(huán)流通道。進(jìn)口部分由3個(gè)長(zhǎng)度為1.5 mm的長(zhǎng)方體組成，每個(gè)長(zhǎng)方體間隔0.5 mm，出口部是1個(gè)1.5 mm×0.6 mm×0.7 mm的長(zhǎng)方體。

圖1 三角環(huán)流滴灌灌水器結(jié)構(gòu)

2 CFD數(shù)值模擬

灌水器流道中的水流是水與各種泥沙、雜質(zhì)等顆粒的混合流動(dòng)，屬于液-固兩相流動(dòng)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬分析，能夠便捷的獲取灌水器流道內(nèi)固體顆粒流動(dòng)與分布情況，預(yù)測(cè)灌水器水力性能與抗堵塞性能。

2.1 網(wǎng)格劃分

利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于分段劃分的思想，將滴頭分為進(jìn)口段、流道段和出口段分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，采用0.08 mm基本尺寸的六面體網(wǎng)格，考慮到流道單元拐角處為三角形塊，選用TGrid網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了更準(zhǔn)確地模擬近壁區(qū)的流動(dòng)狀況，在近壁區(qū)加密網(wǎng)格，最終生成18萬(wàn)個(gè)左右的單元網(wǎng)格，流道單元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 流道網(wǎng)格局部放大圖

2.2 數(shù)值計(jì)算

求解器選擇Fluent5/6，流體選用不可壓縮的水，溫度為室溫，運(yùn)動(dòng)粘度為v=1.0×10-6。入口邊界類(lèi)型選擇壓力入口，出口邊界類(lèi)型選擇壓力出口，湍流模型采用k-ε模型，用分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器求解各控制方程，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法處理，各參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風(fēng)格式。采用歐拉-拉格朗日法離散相模型來(lái)進(jìn)行模擬分析，單向藕合方法來(lái)計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)顆粒的形狀為球形，密度為2500 kg/m3，顆粒直徑d分別取0.01 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.12 mm、0.15 mm等5個(gè)水平，體積濃度取1%，進(jìn)口壓力設(shè)置為50 kPa，出口壓力為0，其他壁面條件為默認(rèn)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 顆粒粒徑對(duì)抗堵塞性能的影響

不同粒徑模擬的流量與濃度結(jié)果如表1所示，不同粒徑的顆粒相濃度分布如圖3所示。

由表1可知，粒徑大小不同時(shí)，灌水器流量變化很小，流道內(nèi)顆粒濃度差異較大。粒徑為0.01 mm時(shí)，最大濃度為1.446%；當(dāng)粒徑增加到0.1 mm時(shí)，最大濃度達(dá)到39%；而當(dāng)顆粒粒徑為0.05 mm時(shí)，最大濃度只有1.582%，說(shuō)明三角環(huán)流滴灌灌水器具有較好的抗堵塞能力。隨著粒徑的增大，顆粒濃度呈線(xiàn)性增大。雖然粒徑大小對(duì)瞬時(shí)流量影響不大，但當(dāng)?shù)喂嚅g歇灌水的停止期間，毛管內(nèi)殘留的顆粒會(huì)結(jié)塊，濃度大結(jié)塊就大，再灌水時(shí)易引起灌水器堵塞。因此，對(duì)于圖1所示的三角環(huán)流滴灌灌水器，當(dāng)灌溉水源中有超過(guò)0.1 mm的顆粒粒徑時(shí)，須采取有效水處理措施給予去除。

表1 不同粒徑條件下的流量與濃度

圖3 不同粒徑顆粒濃度分布

由圖3可知，在流道單元拐角處、流道交匯處濃度均有升高，其他區(qū)域相對(duì)較低。流道單元拐角處的顆粒濃度和入口處濃度，與顆粒大小無(wú)明顯關(guān)系；流道拐角處背水區(qū)的顆粒濃度隨著粒徑大小的增加而降低。

由表1可以看出，粒徑與最大濃度之間存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)擬合，得出粒徑與流道內(nèi)顆粒濃度間的關(guān)系，見(jiàn)式（1）。

式中，VF為流道內(nèi)的顆粒濃度，%；d為灌溉水中顆粒物粒徑，mm。公式擬合的相關(guān)度R2=0.9983，可見(jiàn)顆粒相的最大濃度與粒徑有非常高的相關(guān)度。根據(jù)式（1）能夠通過(guò)水中顆粒粒徑，預(yù)測(cè)三角環(huán)流滴灌灌水器流道內(nèi)的顆粒濃度，可以作為灌水器設(shè)計(jì)或滴灌工程中水處理設(shè)施配置的依據(jù)。

3.2 入口濃度對(duì)抗堵塞性能的影響

表2為顆粒直徑0.1 mm，灌水器入口（灌溉水）顆粒濃度0.1%～3%，入口濃度與灌水器流量、流道內(nèi)濃度分布的影響。圖4為不同入口濃度條件下流道內(nèi)的濃度分布圖。

由表2可知，在入口濃度增大時(shí)，灌水器的流量也受到一定影響，但變化不明顯，入口濃度對(duì)流量沒(méi)有顯著作用。隨著入口濃度的增大，流道內(nèi)的顆粒濃度按照一定規(guī)律逐漸增大。通過(guò)擬合，得出入口濃度與流道內(nèi)顆粒濃度之間的關(guān)系，見(jiàn)式（2）。

表2 入口濃度與灌水器流量、流道內(nèi)濃度

圖4 不同入流顆粒濃度的濃度分布圖

式中，VF為流道內(nèi)的顆粒濃度，%；x為灌溉水中顆粒濃度，%。公式擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.9761，較好的揭示了兩者間的關(guān)系。隨著入口濃度的增大，流道中顆粒濃度增大。根據(jù)式（2）可以通過(guò)水中顆粒濃度，預(yù)測(cè)三角環(huán)流滴灌灌水器流道內(nèi)的顆粒濃度，能夠作為灌水器設(shè)計(jì)的依據(jù)。

整體上看，流道內(nèi)顆粒濃度的分布隨著灌水器入口濃度的升高而升高，流道內(nèi)各個(gè)位置處的顆粒濃度變化規(guī)律略有不同。隨著灌水器入口濃度的增加，在單元進(jìn)水口處的顆粒濃度有所升高。流道拐角處的顆粒濃度與入口濃度沒(méi)有明顯關(guān)系，顆粒粒徑一定時(shí)，此處的顆粒濃度差異不大。灌溉水中顆粒濃度達(dá)到3%時(shí)，流道內(nèi)的顆粒濃度只有5.25%，流道內(nèi)的顆粒濃度增加梯度小于灌溉水中顆粒濃度增加梯度，說(shuō)明三角環(huán)流滴灌灌水器流道內(nèi)泥沙顆粒的累積效應(yīng)不顯著，具有較好的抗堵塞能力。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三角環(huán)流灌水器兩相流的數(shù)值模擬分析得出，隨著顆粒直徑和體積濃度的增大，灌水器的流量沒(méi)有顯著的變化，而顆粒相在流道中的濃度分布呈一定規(guī)律變化。當(dāng)灌溉水中顆粒粒徑為0.05 mm時(shí)，最大濃度只有1.582%；流道內(nèi)的顆粒濃度增加梯度小于灌溉水中顆粒濃度增加梯度，說(shuō)明流道內(nèi)泥沙顆粒的累積效應(yīng)不顯著。因此，三角環(huán)流滴灌灌水器具有較好的抗堵塞能力。擬合了粒徑與流道內(nèi)濃度的關(guān)系式及入口濃度與流道內(nèi)濃度的關(guān)系式，可以作為灌水器設(shè)計(jì)及滴灌工程水處理的依據(jù)。

流道中懸浮顆粒物的運(yùn)動(dòng)與流道中水流速度密切相關(guān)，水流速度越大其泥沙輸運(yùn)能力越強(qiáng)。三角環(huán)流流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致流道中的流場(chǎng)分布雜亂，流道中流場(chǎng)局部存在漩渦，單元兩側(cè)拐角處流速梯度較大，懸浮顆粒濃度在流道中的分布發(fā)生了變化，有利于增加灌水器流道的抗堵塞能力。當(dāng)流速一定時(shí)，流道內(nèi)水流的泥沙輸運(yùn)能力也是有限的，粒徑越大、入口濃度越高，灌水器流道內(nèi)局部的顆粒濃度也就越高。停止灌水后，部分顆粒將會(huì)留在流道內(nèi)，多次使用后顆粒將在這些部位沉淀結(jié)塊，容易造成堵塞。因此，滴灌灌溉水源應(yīng)根據(jù)使用的灌水器流道尺寸及結(jié)構(gòu)，使用合適的過(guò)濾裝置，盡量降低懸浮顆粒的大小及濃度，延長(zhǎng)灌水器的使用壽命。