滴灌灌水器側(cè)壁斜度和外形曲率對其性能的影響

王敏杰，唐 葉，蘭 明，王長林，丁國軍

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.新疆天業(yè)集團(tuán)，烏魯木齊 832000)

滴灌系統(tǒng)因具有節(jié)水、提高作物產(chǎn)量、節(jié)省勞動力和資源、抑制雜草生長等優(yōu)點，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[1,2]。滴灌系統(tǒng)中的核心部件是灌水器，易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。懸浮物質(zhì)堵塞是灌水器堵塞的主要原因[3]，而流道的幾何結(jié)構(gòu)是影響懸浮物質(zhì)堵塞的主要因素。

國內(nèi)外研究者對不同類型灌水器的流場和抗堵性能進(jìn)行了研究。Jafar Al-Muhammad等[4]發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)模型獲得的模擬結(jié)果與實際情況有較大差異。Lili Zhangzhong等[5]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)工作壓力提升會導(dǎo)致低速渦流區(qū)增大。張俊[6,7]認(rèn)為湍流模型比層流模型更適用于灌水器流場模擬。陳瑾等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)提高灌水器流量需要考慮流道的建模要素與流量的關(guān)系。為直觀觀察灌水器流道內(nèi)的流場，許多學(xué)者也采用了粒子圖像測速技術(shù)(PIV)，該技術(shù)能揭示出傳統(tǒng)測試技術(shù)無法觀察到的瞬態(tài)流場[9,10]。武鵬等[11-14]通過PIV可視化實驗，發(fā)現(xiàn)PIV可以很好地觀察灌水器的局部流場，同時驗證了模擬的準(zhǔn)確性。

綜上所述，目前在優(yōu)化灌水器流道幾何結(jié)構(gòu)的過程中，均將其流道上下壁面視為平面，沒有關(guān)注上下壁面的曲率半徑對顆粒堆積產(chǎn)生的影響。內(nèi)鑲式灌水器采用注塑成型工藝制成，其流道側(cè)壁具有成型工藝必需的脫模斜度，這會影響到流道流場，但未見此流道形狀參數(shù)的相關(guān)研究。為此，本文研究了灌水器流道側(cè)壁斜度對流量和流態(tài)指數(shù)的影響，分析了灌水器流道上下壁面曲率半徑對顆粒堆積產(chǎn)生的影響及其原因。并采用水力性能和可視化實驗，驗證了灌水器內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

1 灌水器流道流場模擬

1.1 模擬前處理

本文研究對象是內(nèi)鑲式灌水器，安裝于直徑為16 mm的聚乙烯(PE)軟管上，形成迷宮式的微小流道，以達(dá)到對水流減壓的目的，如圖1和圖2所示。

圖1 注塑成型的內(nèi)鑲式灌水器Fig.1 Drip irrigation emitter made by injection molding

圖2 灌水器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the drip irrigation emitter installation

1.1.1 內(nèi)鑲式灌水器流道結(jié)構(gòu)

內(nèi)鑲式灌水器可設(shè)計成兩種外形結(jié)構(gòu)，整體呈圓弧形的灌水器可稱為圓弧形灌水器，整體呈平板型的灌水器可稱為平板形灌水器，兩種灌水器流道的上下壁面有所不同，如圖3所示。研究的圓弧形灌水器流道上下壁面存在8 mm的曲率半徑，而流道側(cè)壁由于注塑成型工藝要求必然存在一定的斜度，結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中α表示側(cè)壁斜度。

圖3 兩種內(nèi)鑲式灌水器流道結(jié)構(gòu)Fig.3 Channel structures of the two types of drip irrigation emitters

圖4 具有側(cè)壁斜度的圓弧形灌水器流道結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of arc drip irrigation emitter channel with side wall slope

1.1.2 網(wǎng)格劃分與湍流模型的選擇

對圓弧形灌水器流道繪制尺寸為0.1 mm的六面體網(wǎng)格，如圖5所示。灌水器內(nèi)的流體介質(zhì)為常溫水，視其為不可壓縮的連續(xù)流體，在流道內(nèi)的流動為定常流動，本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對流場進(jìn)行模擬分析。

圖5 網(wǎng)格劃分后模型Fig.5 Model after grid partition

1.1.3 邊界條件設(shè)置

選取入口壓力100 kPa，出口壓力0 kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，采用TR200粗糙度儀測量得到的壁面粗糙度為0.2 μm，選擇壁面無滑移的邊界條件、Simple算法、二階迎風(fēng)的離散格式進(jìn)行求解。

1.2 流場模擬結(jié)果與分析

流場模擬結(jié)果如圖6所示，流場主要由主流速區(qū)域、渦流區(qū)、低速區(qū)(死角)組成。主流速區(qū)呈“S”形走向，兩側(cè)分布著渦流，起到減壓、消能的作用，其渦流區(qū)外側(cè)和流道輪廓產(chǎn)生的間隙以及渦流中心區(qū)構(gòu)成了流場中的低速區(qū)。

圖6 流場速度分布(單位：m/s)Fig.6 Fluid velocity distribution

2 灌水器流道側(cè)壁斜度對其水力性能的影響分析

灌水器流量與壓力的關(guān)系式為：

q=khx

(1)

式中：q為灌水器的流量；h為壓力水頭；k為流量系數(shù)；x為無量綱，表示流態(tài)指數(shù)，反映了流量對壓力的敏感程度，決定了灌水的均勻度，是評價灌水器水力性能的重要參數(shù)[15]。

灌水器采用注塑成型工藝制成，由于脫模斜度所需使得灌水器必然會有側(cè)壁斜度。為分析側(cè)壁斜度對灌水器水力性能的影響，對原結(jié)構(gòu)三維模型的側(cè)壁設(shè)定0°～5°斜度，按照上述步驟進(jìn)行流場模擬，獲得其在40～120 kPa壓力范圍對應(yīng)的流量，并對流量、壓力曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢?，隨著側(cè)壁傾斜度增大，流量也隨之增大；灌水器側(cè)壁傾斜度為2°～4°時，流態(tài)指數(shù)有所減小，能夠有效提高其工作性能。

圖7 不同側(cè)壁斜度的灌水器水力性能曲線Fig.7 Hydraulic performance curve of the drip irrigation emitters with different side wall slope

圖8 不同側(cè)壁斜度的灌水器流態(tài)指數(shù)變化Fig.8 Flow index changes of the drip irrigation emitters with different side wall slopes

3 灌水器流道內(nèi)顆粒運動模擬分析

采用Fluent軟件離散相模型，對流場內(nèi)注入的顆粒進(jìn)行模擬，分析顆粒在灌水器流道內(nèi)的運動情況，并根據(jù)模擬結(jié)果，探究顆粒堵塞情況發(fā)生的原因。

3.1 離散相模型的條件設(shè)置

基于1.2小節(jié)中所得到的流場數(shù)據(jù)，采用固液耦合的方式，設(shè)置顆粒注入為面注入，選擇顆粒屬性為惰性顆粒，顆粒直徑分布服從rosin-rammler分布，最小直徑為0.05 mm，最大直徑為0.125 mm，每秒流入流場的質(zhì)量為7.6×10-7kg，采用隨機(jī)軌道模型(Discrete Random Walk Model)，添加顆粒材料密度為2 550 kg/m3，并調(diào)小松弛因子。

3.2 模擬結(jié)果分析

分析模擬所得結(jié)果，將流道內(nèi)顆粒濃度大于25 kg/m3的區(qū)域，視為顆粒濃度較高處，如圖9所示。顆粒主要沉積在灌水器流道的上下壁面，中部區(qū)域基本不堆積，在齒尖端(I處)、圓角部位(II處、IV處)和入口(III處)的堆積最為嚴(yán)重。根據(jù)對灌水器流道的堵塞情況的實際調(diào)查和試驗，灌水器的堵塞大多發(fā)生在進(jìn)口處[16,17]、齒尖端[16]、拐角處[17]，與本文的模擬結(jié)果吻合。另外灌水器外側(cè)流道中的顆粒濃度較高，內(nèi)側(cè)流道濃度較低，即顆粒在兩側(cè)更易受渦流影響而進(jìn)入低速區(qū)滯留，因此進(jìn)一步探究灌水器流道上下壁面曲率半徑對顆粒濃度分布的影響。

圖9 顆粒濃度較高區(qū)域示意圖Fig.9 The schematic diagram of the high particle concentration regions

4 圓弧形和平板形灌水器流道中顆粒堆積情況分析

4.1 顆粒高濃度分布比較

對兩種結(jié)構(gòu)流道進(jìn)行模擬，流道內(nèi)顆粒濃度大于25 kg/m3的區(qū)域如圖10所示。除了入口處，在其他位置平板形灌水器流道的顆粒高濃度分布區(qū)域明顯少于圓弧形灌水器，其顆粒堆積主要分布在拐角區(qū)域中8個圓角部位的渦流低速區(qū)，其他區(qū)域的顆粒濃度均比較低，說明顆粒能夠較為流暢地通過流道，不易滯留堆積。

圖10 兩種灌水器流道的顆粒高濃度分布Fig.10 High concentration distribution of particles in two types of drip irrigation emitters

4.2 流道截面速度分布比較

由于顆粒運動直接受流場影響，因此可以從流場角度來解釋兩種灌水器流道內(nèi)顆粒濃度分布差異的原因。兩種灌水器流道截面速度分布如圖11所示。平板型灌水器流道內(nèi)流場低速區(qū)域面積較小，流場速度對稱分布在流道中面兩側(cè)，顯然平板型灌水器的流道結(jié)構(gòu)比圓弧形灌水器更為合理。

圖11 兩種灌水器流道截面速度分布Fig.11 Velocity distribution in the cross section of two types of drip irrigation emitters

4.3 流道中面垂直速度分量比較

兩種灌水器流道中面垂直速度分量分布如圖12所示，平板型灌水器流道中面垂直速度分量較小，速度值在±0.025 m/s區(qū)間內(nèi)的區(qū)域占總區(qū)域的90%，而圓弧形灌水器僅占25%。表明圓弧形灌水器流道的流場對顆粒存在較大的流道高度方向作用力。

圖12 兩種灌水器流道中面垂直速度分量分布直方圖Fig.12 Histogram of vertical velocity component in the middle surface of two types of drip irrigation emitters

4.4 顆粒運動軌跡比較

通過流道中的顆粒運動軌跡模擬，可以直觀分析兩種灌水器流道中顆粒濃度分布差異的原因。選取相同參數(shù)的顆粒在指定注入位置進(jìn)入流道，顆粒在流道中的運動軌跡如圖13所示。

圖13 兩種灌水器流場內(nèi)的顆粒運動軌跡Fig.13 Particle trajectories in the two types of drip irrigation emitters

可見，在平板形灌水器流道中，顆粒很少進(jìn)入渦流區(qū)域，且基本沿著流場主流速方向運動；在圓弧形灌水器流道中，顆粒頻繁進(jìn)入渦流區(qū)域，這是造成兩種灌水器流場內(nèi)顆粒濃度分布差異的根本原因。另外，在平板型灌水器流道中，顆粒即使進(jìn)入渦流區(qū)域也基本在一同水平面上運動，在高度方向上產(chǎn)生位移較小，保證了顆粒能夠較快地離開流道；在圓弧形灌水器流道中，顆粒易產(chǎn)生高度方向的運動，這是由于圓弧形灌水器流道的流場在中面垂直速度分量較大，易使小直徑顆粒向高度方向運動，大大增加了顆粒滯留在流道中的時間和堆積的可能性。

5 水力性能實驗和可視化實驗

5.1 實驗裝置

為直接觀察灌水器流道內(nèi)流場分布，確保流道結(jié)構(gòu)的完整性，設(shè)計并制造灌水器四板式可視化平面模型裝置，該裝置由三塊有機(jī)玻璃板(PMMA)和一塊1 mm厚的鋼板組成，鋼板上具備流道的幾何結(jié)構(gòu)，三塊有機(jī)玻璃板分別為給裝置提供水路入口、出口和流道入口格柵、出口等作用。裝配完成后的可視化模型裝置如圖14所示，整體的實驗裝置[18,19]如圖15所示。

圖14 四板式可視化平面模型裝置Fig.14 Transparent device with the shape characteristics of the drip irrigation emitter channel

1-進(jìn)水管；2-閥門開關(guān)；3-水箱；4-120目疊片過濾器；5-回流管；6、8-調(diào)壓閥；7-285W全自動自吸泵；9-精密壓力表；10-可視化模型；11-量筒；12-排氣閥；13-LED光源；14-NIKON 微距鏡頭；15-Photron sa4高速攝像機(jī)；16-數(shù)據(jù)采集pc圖15 實驗裝置圖Fig.15 Experimental device diagram

5.2 水力性能實驗與結(jié)果分析

通過水力性能實驗得到不同入口壓力下裝置的出口流量，實驗及模擬結(jié)果如圖16所示，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相差僅2%～5%。

圖16 水力性能實驗和模擬結(jié)果Fig.16 Hydraulic performance curves of the experiments and numerical simulation results

圖17 可視化實驗結(jié)果Fig.17 Visualization experiment results

5.3 可視化實驗與結(jié)果分析

將可視化模型裝置與水路連接后固定于實驗平臺上，利用拍攝頻率為5 000 幀/秒的Photron sa4高速攝像機(jī)和NIKON 微距鏡頭對顆粒運動軌跡進(jìn)行記錄，在另一側(cè)采用LED光源提供光源，兩者均由可調(diào)節(jié)高度和水平位置的移動平臺支撐。采用40 kPa的工作壓力，將直徑為20 μm碳粉顆粒作為示蹤粒子注入可視化模型裝置，待流場穩(wěn)定后，拍攝模型齒尖區(qū)域和拐角區(qū)域的顆粒運動情況，結(jié)果如圖17所示。通過Photron FASTCAM Viewer將視頻轉(zhuǎn)變成按照連續(xù)排列的圖片，通過Matlab獲取相鄰幀中顆粒的位置，導(dǎo)入Origin 9.0中獲取其速度場，如圖18所示，模擬所得流場速度矢量圖，如圖19所示。計算可得，兩區(qū)域內(nèi)粒子最大速度值分別為1.348 9 m/s和1.588 6 m/s，與模擬所得最大流場速度分別相差5%和10%，實驗獲得的流場渦流區(qū)域和主流速區(qū)分布也同模擬結(jié)果基本一致。

圖18 實驗獲得的示蹤粒子速度矢量圖Fig.18 The velocity vector diagram of the tracer particles obtained by the experiment

圖19 數(shù)值模擬獲得的速度矢量圖Fig.19 Velocity vector diagram obtained by numerical simulation

6 結(jié) 語

(1)通過數(shù)值模擬和可視化實驗，發(fā)現(xiàn)灌水流道內(nèi)流場由主流速區(qū)域、渦流區(qū)、低速區(qū)(死角)組成。主流速區(qū)呈“S”形走向，每個背齒處存在渦流區(qū)，在拐角處的渦流面積更大，強大更高，渦流區(qū)外側(cè)與流道輪廓產(chǎn)生的間隙以及渦流中心區(qū)構(gòu)成了低速區(qū)。

(2)通過數(shù)值模擬和水力性能實驗，發(fā)現(xiàn)隨著灌水器流道側(cè)壁傾斜角增大，灌水器的流量會有所提高，灌水器存在2°～4°的側(cè)壁傾斜角能夠減小其流態(tài)指數(shù)，有效提升灌水均勻度。

(3)通過顆粒離散相模擬，表明圓弧形灌水器比平板型灌水器更易堵塞，這是因為圓弧形灌水器流道的流場存在更大面積的低速區(qū)，并在高度方向存在較大的速度，以致顆粒受流場影響在高度方向發(fā)生運動，使其運動軌跡復(fù)雜，延長了在流道內(nèi)運動的時間，隨著工作時間的增加，便會造成流道堵塞。