滴灌系統(tǒng)片式灌水器內(nèi)部流體運動特性分析

馮吉 劉海生 劉雁征 焦有權(quán) 楊林林 韓敏琦

摘?要：為明確滴灌系統(tǒng)片式灌水器流道內(nèi)水流及顆粒物的運動特性，借助兩相流模型對灌水器內(nèi)部水流運動特征和顆粒物輸移特性進行計算與分析。研究表明：沿著水流前進的方向，壓力呈現(xiàn)均勻降低的階梯狀變化規(guī)律，流體流動整體呈現(xiàn)主流區(qū)與非主流區(qū)的分區(qū)運動特征，在流道結(jié)構(gòu)突變處是流道消能的最主要部位，顆粒相速度稍低于水相。灌水器流道內(nèi)部顆粒物的整體跟隨性良好，但灌水器流道近壁面顆粒物的跟隨性明顯優(yōu)于中心區(qū)，齒尖附近顆粒物的跟隨性最差。

關(guān)鍵詞：滴灌;片式灌水器;水流;顆粒物;運動特性

中圖分類號：S275.6文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.032

Analysis of Fluid Movement Characteristics Inside the Flat Emitter of Drip Irrigation System

FENG Ji1， LIU Haisheng2，LIU Yanzheng， JIAO Youquan1，YANG Linlin1，HAN Minqi1

（1.Department of Water Resources and Architectural Engineering， Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442， China;

2.College of Water Resources， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）

Abstract：In order to clarify the movement characteristics of water flow and particulate inside the flat emitter flow path， a two-phase flow model was used to calculate and analyze the characteristics of the water flow and the characteristics of particulate matter transport in the emitter. The research shows that along the direction of water flow， the pressure shows a step-like change pattern of uniform decrease. The fluid flow as a whole shows the movement characteristics of the mainstream and non-mainstream areas. The particle phase velocity is slightly lower than that the water phase. The overall followability of the particulate matter in the emitter flow path is good， but the followability of the particulate matter near the wall of the flow path is significantly better than that in the center area， and the followability of the particulate matter near the tooth tip is the worst. The research provides a theoretical basis for designing drip irrigation products with high anti-blocking performance.

Key words： drip irrigation; flat emitter; water flow; particulate matter; movement characteristics

大力發(fā)展農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)是緩解我國水資源短缺問題的有效途徑之一[1-2]。在滴灌系統(tǒng)中，灌水器（也稱滴頭）是關(guān)鍵部位之一，其作用是使系統(tǒng)管路中的有壓水流在通過其內(nèi)部過水結(jié)構(gòu)后充分消能，然后以穩(wěn)定、均勻的定流量直接滴入作物根部附近的土壤[3]。由于灌水器流道狹窄（一般為0.5～1.2 mm），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此易受水中的懸浮物、溶解鹽、微生物等雜質(zhì)影響而堵塞。堵塞問題是制約滴灌技術(shù)應(yīng)用推廣的最大障礙，也是影響滴灌系統(tǒng)使用壽命和應(yīng)用效益的決定性因素[4-5]。眾多專家學(xué)者研究表明：水源中的固體顆粒物的存在是導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)堵塞的直接因素[6-8]。雖然利用各種工程措施可以有效地控制水中懸浮微粒含量，但不可能將其完全清除，粒徑較小的部分顆粒必然會進入灌水器流道。灌水器內(nèi)部流道中的水流為典型的固-液兩相流動，顆粒物在灌水器流道內(nèi)的分布特征及其邊界作用的方式都是引發(fā)流道堵塞的重要因素[9-10]。從提升灌水器本身的抗堵塞能力出發(fā)，設(shè)計出高抗堵塞性能的滴灌灌水器產(chǎn)品，是解決該問題的有效途徑之一，而實現(xiàn)流道內(nèi)部水流和顆粒物流動的可視化，為灌水器流道設(shè)計提供有效的理論指導(dǎo)，已成為滴灌灌水器設(shè)計人員急需解決的重要問題[11-12]。

因流道狹窄、邊界復(fù)雜及滴灌管（帶）的不透明性，導(dǎo)致原形灌水器流道內(nèi)流速測量試驗在技術(shù)和經(jīng)濟上都比較困難[12]，而常規(guī)手段又難以滿足流場測試要求，所以灌水器內(nèi)部流場分布的試驗研究受到了極大的限制。近年來，數(shù)值模擬以其自身的特點和獨特的功能，與理論分析及試驗研究一起，相輔相成，逐漸成為研究流體運動的重要手段，形成了新的學(xué)科——計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）。計算流體動力學(xué)方法因具有內(nèi)部流動預(yù)測、數(shù)值試驗、流動診斷等作用，使設(shè)計者以最快、最經(jīng)濟的途徑，方便地評價、選擇多個設(shè)計方案，與實驗室測試等實體試驗相比，

大幅減少

了研究工作量，已成為實現(xiàn)灌水器內(nèi)部流動可視化的主要手段之一[13-15]。

基于此，本文借助CFD模擬分析手段，借助最優(yōu)模擬湍流模型，對灌水器內(nèi)部水流運動特征和顆粒物輸移特性進行計算與分析，為設(shè)計出具備高抗堵塞性能的灌水器產(chǎn)品提供理論基礎(chǔ)。

1?材料與方法

1.1?灌水器選擇

選擇以色列Netafim公司生產(chǎn)的DRIPLINE系列片式灌水器產(chǎn)品為物理原型，借助高精度CT掃描，實現(xiàn)對流道各部分結(jié)構(gòu)尺寸的精確測量，測量精度為0.001 mm。具體流道結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)見表1。

1.2?灌水器內(nèi)部流動模擬與分析方法

1.2.1?物理模型建立與網(wǎng)格劃分

采用讀數(shù)顯微鏡（精度為0.001 mm）對模擬對象物理原型進行幾何參數(shù)精確測量，運用三維制圖軟件UGS NX10.0建立三維物理模型。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對于數(shù)值模擬的求解精度和計算速度有著重要的影響。本文采用ANSYS ICEM進行網(wǎng)格劃分，采用生成質(zhì)量好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對物理模型進行網(wǎng)格劃分，在近壁面及齒尖轉(zhuǎn)角處進行加密，以更準(zhǔn)確地模擬流體運動劇烈變化區(qū)域的流動變化特征。

1.2.2?求解方法與邊界條件

數(shù)值計算采用有限體積法離散控制方程，對流項等各參數(shù)的離散均采用二階迎風(fēng)格式，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法求解，湍流模型選擇RNG k-ε方程湍流模型[16]。在流場計算中，初始條件設(shè)置進口為壓力進口（0.1 MPa），出口為壓力出口（0 MPa）。除了計算域的進水口與出水口，其他所有流體和固體接觸的面均為壁面類型邊界，并設(shè)置為無滑移邊界，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來求解近壁區(qū)流動。采用標(biāo)準(zhǔn)歐拉-拉格朗日模型多相流模型模擬顆粒物運動。固體顆粒物密度設(shè)置為2 500 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)為0.03，顆粒粒徑為100 μm。

1.2.3?收斂判斷與后處理

以出口流量與殘差值作為是否收斂的依據(jù)，當(dāng)出口流量基本穩(wěn)定且殘差值低于10-5時，認(rèn)為迭代計算達到收斂。采用Tecplot 360 2011進行數(shù)據(jù)后處理。

1.2.4?灌水器流道內(nèi)部流體運動特性分析方法

本文主要對灌水器流道內(nèi)部水流運動的壓力場、速度場與湍流強度分布特征進行分析，對灌水器流道內(nèi)部的顆粒物全場運動的速度、顆粒相體積分布進行分析。

由于本研究對象為典型固液兩相流問題，因此采用跟隨性表征顆粒對流體運動的跟隨程度。采用顆粒運動速度與流體速度的有限幅值比和相位差作為顆粒能否跟隨流體運動的判別標(biāo)準(zhǔn)，分別選擇流道主流區(qū)（流道中心線）及近壁區(qū)（流道深度方向中截面近內(nèi)壁面0.01 mm處）流體運動的角頻率，定量研究顆粒跟隨性的動態(tài)變化特征。顆粒跟隨性計算公式為

η=（1+f1）2+f22

β=tan-1[f2/（1+f1）]

其中

f1=[1+9Ns2（s+1/2）]1-ss+1/281（s+1/2）2（2N2s+Ns2）2+[1+9Ns2（s+1/2）]2

f2=9（1-s）（s+1/2）2（2N2s+Ns2）81（s+1/2）2（2N2s+Ns2）2+[1+9Ns2（s+1/2）]2

Ns=ν/ωd2p

s=ρp/ρf

式中：η為速度幅值比;β為速度相位差;Ns為Stokes數(shù);ν為流體的運動黏滯系數(shù);ω為流體運動的角頻率;dp為顆粒粒徑;s為顆粒與流體的密度比;ρp為顆粒的密度;pf為流體的密度。

η=1且β=0°時，表示顆粒完全跟隨流體運動;η<1且β<0°時，表示顆粒滯后于流體運動;η>1且β>0°時，表示顆粒超前于流體運動。

2?灌水器流道內(nèi)部水流及顆粒物運動特征分析

2.1?水流運動壓力場分布

進口壓力為0.1 MPa條件下，灌水器內(nèi)部水流壓力分布云圖見圖1?？梢钥闯?，流道內(nèi)水流的壓力沿著前進方向呈現(xiàn)均勻下降態(tài)勢。在流道首部壓力最大，水流流經(jīng)整個流道后，到達流道末端出水口時壓力降低至0，即經(jīng)過流道各單元的持續(xù)消能，最終使得水流呈水滴狀均勻滴出。在流道齒尖或者水流方向急劇變化的部位，壓力變化較為明顯。

進口壓力為0.1 MPa條件下，灌水器流道深度方向中截面兩側(cè)近內(nèi)壁面0.01 mm處沿水流前進方向壓力分布見圖2。從圖2中可以更為清晰地看出，沿著水流前進的方向，壓力呈現(xiàn)均勻降低的階梯狀變化規(guī)律，在流道結(jié)構(gòu)突變處壓力急劇下降。

2.2?水流運動速度場

進口壓力為0.1 MPa條件下灌水器流道內(nèi)速度矢量及流線分布見圖3?？梢钥闯觯鞯纼?nèi)流體運動明顯分為高速的主流區(qū)和低速的非主流區(qū)，伴隨著水流的擺動，流速分別為1.47～2.54 m/s、0～1.32 m/s。在流道結(jié)構(gòu)近壁面區(qū)，水流速度較小，并伴隨有旋渦的產(chǎn)生，不同結(jié)構(gòu)單元的流速分布較為一致，呈現(xiàn)周期性變化狀態(tài)。

2.3?顆粒物流場及體積分?jǐn)?shù)分布

中間結(jié)構(gòu)單元（第5和第6個結(jié)構(gòu)單元）水相和顆粒相速度矢量分布見圖4?？梢钥闯觯?、顆粒兩相速度大小與分布基本一致，水相速度稍大于顆粒相速度。其原因是計算中兩相流模型選用的是Eulerian模型，其在計算過程中對計算域中的每一相均分別建立動量方程，將多相流視為互相滲透的連續(xù)介質(zhì)。因此，在計算顆粒相時也被當(dāng)做連續(xù)介質(zhì)，因而最終水相和顆粒相的速度分布與大小較為接近。

2.4?顆粒物跟隨特性分析

顆粒物在灌水器流道內(nèi)的跟隨性是評價其堵塞可能性的重要因素，灌水器流道內(nèi)部近壁面與中心區(qū)顆粒物跟隨性的速度幅值比、速度相位差動態(tài)變化特征見圖5。可以看出，速度幅值比中心區(qū)介于0.991～0.997之間，邊壁區(qū)介于0.990～1.000之間，速度相位差中心區(qū)介于-0.282～-0.203之間，邊壁區(qū)介于-0.285～-0.028之間，二者均在良好的數(shù)值范圍內(nèi)，雖然其顆粒的跟隨性在中心區(qū)和近壁區(qū)存在一定差異，但顆粒整體的跟隨性依然良好。灌水器流道近壁面顆粒物的跟隨性要明顯優(yōu)于中心區(qū)，齒尖附近顆粒物的跟隨性最差。

3?討?論

通過對灌水器內(nèi)部水流運動特征分析可知，水流流經(jīng)整個流道后，壓力由最大值降低為0。其原因是水流經(jīng)過整個流道時，流道各結(jié)構(gòu)單元對水流具有持續(xù)消能作用，最終使得水流動能消耗完畢，呈水滴狀均勻滴出。由壓力場分布、速度場分布和湍流強度分布可知，在流道結(jié)構(gòu)突變處壓力和速度有較為顯著的變化，流體受到較大擾動，流道結(jié)構(gòu)的突變（齒尖）使得該處流體運動結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇調(diào)整，流速分布發(fā)生改變，流線更為密集。在此過程中，本身具有黏性的液體質(zhì)點間相對運動加強，內(nèi)摩擦力增大，能量損失更為嚴(yán)重，因此流道結(jié)構(gòu)突變區(qū)便成為流道消能的主要區(qū)域，消能效果最為顯著。

于此同時，通過灌水器內(nèi)部水流和顆粒物運動特征分析可以發(fā)現(xiàn)，流道內(nèi)水流呈現(xiàn)主流區(qū)與非主流區(qū)分區(qū)流動狀態(tài)，并存在旋渦。其原因是在主流區(qū)與非主流區(qū)交界處，分區(qū)流體運動速度大小相差顯著且流體本身存在黏性，加之壁面的阻礙作用，最終導(dǎo)致在非主流區(qū)形成低速的旋渦。旋渦區(qū)流速較小，導(dǎo)致堵塞物質(zhì)極易發(fā)生沉積，這也是導(dǎo)致灌水器發(fā)生堵塞的主要原因。因此，需要從灌水器結(jié)構(gòu)出發(fā)，盡量使旋渦充分發(fā)展，提高該區(qū)域流速及其對流道內(nèi)壁面的沖刷作用，使得堵塞物質(zhì)不發(fā)生沉積且更多地隨水流排出灌水器外，這是提高灌水器抗堵塞性能的最根本辦法。

通過本研究發(fā)現(xiàn)，灌水器流道近壁面顆粒物的跟隨性明顯優(yōu)于中心區(qū)，齒尖附近顆粒物的跟隨性最差。一般來說，堵塞物質(zhì)通常會在顆粒物跟隨性差的齒尖附近形成，而滴灌工程實際應(yīng)用過程中，灌水器堵塞物質(zhì)通常會在近壁面處形成，其主要原因是近壁面區(qū)流速變化較小、流動剪切力變化小，而中心區(qū)恰好相反。在近壁面區(qū)產(chǎn)生堵塞的主要原因是該區(qū)域通常顆粒物濃度較高，系統(tǒng)停止運行后顆粒物在此處沉積，而顆粒物通常在表面附有一層生物膜，生物膜的黏性使得顆粒物在流道近壁面附著。換句話說，系統(tǒng)反復(fù)停止、啟動過程中使得顆粒物在近壁面低速區(qū)沉積、附著，長期作用就會導(dǎo)致灌水器流道堵塞。

4?結(jié)?論

為明確滴灌系統(tǒng)片式灌水器流道內(nèi)水流及顆粒物的運動特性，借助兩相流模型對灌水器內(nèi)部水流運動特征和顆粒物輸移特性進行計算與分析，得出以下結(jié)論。

（1）沿著水流前進的方向，壓力呈現(xiàn)均勻降低的階梯狀變化規(guī)律，流體流動整體呈現(xiàn)主流區(qū)與非主流區(qū)的分區(qū)運動特征，流道結(jié)構(gòu)突變處是流道消能的最主要部位。

（2）水、顆粒兩相速度大小與分布基本一致，水相速度稍大于顆粒相速度。

（3）顆粒的跟隨性在中心區(qū)和近壁區(qū)存在一定差異，但整體顆粒的跟隨性依然良好。灌水器流道近壁面顆粒物的跟隨性明顯優(yōu)于中心區(qū)，齒尖附近顆粒物的跟隨性最差。

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