微噴灌穩(wěn)流器流道水沙兩相流數(shù)值模擬

張中華，孫修東，謝錦平，李華，張冬菊，蔣亭亭，呂名禮*，華琳

(1. 華維節(jié)水科技集團(tuán)股份有限公司，上海 201505； 2. 上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201699； 3. 上海節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，上海 201505； 4. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在節(jié)水灌溉技術(shù)中，微噴灌技術(shù)以其霧化程度較高、灌水速率較小、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)在果樹(shù)、菌類(lèi)等經(jīng)濟(jì)作物種植中應(yīng)用廣泛[1-3].為了克服灌溉系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定灌水不均勻的缺點(diǎn)，通常系統(tǒng)支管上的微噴頭需要搭配穩(wěn)流器組成壓力補(bǔ)償灌水器來(lái)調(diào)壓穩(wěn)流.壓力補(bǔ)償灌水器是一種通過(guò)消能流道和彈性膜片的形變，在一定壓力范圍內(nèi)使出水流量保持恒定的灌溉末端裝置，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)灌溉系統(tǒng)的灌水均勻性和抗堵塞性能至關(guān)重要[4-5].其組成部分分別為壓力補(bǔ)償腔體、彈性墊片和消能流道.其中，墊片主要起調(diào)節(jié)流量作用，迷宮流道不僅具有消能穩(wěn)流作用，還可以實(shí)現(xiàn)自沖洗減少泥沙沉積，提升灌水器的抗堵塞性能.微灌系統(tǒng)的堵塞主要包括物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞等[6-8].微噴灌灌水器相比于滴灌的流量更大，不容易發(fā)生堵塞，但是在穩(wěn)流器內(nèi)部,進(jìn)水孔口直徑小、流道曲折、堵塞情況依然存在.因此在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)壓力補(bǔ)償灌水器時(shí)，在考慮穩(wěn)流性能的同時(shí)也要將抗堵塞性能作為重要的參考條件.

根據(jù)灌水器與管路的連接方式不同，主要分為管上式和內(nèi)鑲式；根據(jù)壓力補(bǔ)償原理的不同可以分為孔口補(bǔ)償式和流道補(bǔ)償式[9].在微灌中，常用的流道補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)是迷宮型流道，由于灌水器的流道尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)流道內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確研究.灌水器流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在保證穩(wěn)定流量的同時(shí)提高抗堵塞性能.YANG等[10]對(duì)灌水器流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，以湍動(dòng)能的能量耗散和低流速為優(yōu)化指標(biāo)對(duì)流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效提高了灌水器的抗堵塞性能；魏正英等[11]對(duì)迷宮型灌水器流道進(jìn)行兩相流數(shù)值模擬，將圓弧形流道和矩形流道結(jié)合形成新的抗堵流道，消除了流動(dòng)滯止區(qū)，提高了流道的抗堵塞性能.崔振華等[12]對(duì)滴灌灌水器的弧形及弧齒形2種結(jié)構(gòu)的流道進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)弧齒形流道相比于弧形流道可以減小零流速區(qū)域強(qiáng)化旋渦區(qū)，提高灌水器的水力性能與抗堵塞能力.LI等[13]通過(guò)2D-PIV試驗(yàn)觀察迷宮流道內(nèi)部的二維流動(dòng)，指出流道內(nèi)部流動(dòng)屬于湍流，因此要獲得準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果需要選擇合適的湍流模型.AL-MUHAMMAD等[14]用幾組不同的湍流模型對(duì)圓柱形迷宮流道的水力性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得出STANDARDk-ε和 RNGk-ε模型結(jié)果更符合試驗(yàn)數(shù)據(jù).王文娥等[15]對(duì)比不同湍流模型、不同網(wǎng)格密度等因素對(duì)滴頭內(nèi)部流場(chǎng)的模擬計(jì)算影響，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了流場(chǎng)內(nèi)部的壓力和流量關(guān)系.閆大壯等[16]采用DPM模型對(duì)滴頭內(nèi)部含沙水的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到沙粒濃度分布和不同直徑懸浮顆粒的隨流性.

現(xiàn)有的研究主要針對(duì)滴灌技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的管上式滴頭和內(nèi)鑲式迷宮流道研究較多.但在微噴灌領(lǐng)域中，管路流量較大，傳統(tǒng)的壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償效果欠佳.另外，灌水器的結(jié)構(gòu)尺寸大小對(duì)其補(bǔ)償性能影響很大，更小的結(jié)構(gòu)尺寸可以獲得較平穩(wěn)的水力性能曲線，但是其補(bǔ)償區(qū)間和流態(tài)指數(shù)相應(yīng)也會(huì)受到影響[17].因此文中基于一款結(jié)構(gòu)緊湊、適用于微噴灌的大流量壓力補(bǔ)償穩(wěn)流器，通過(guò)CFD數(shù)值模擬方法對(duì)穩(wěn)流器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究穩(wěn)流器流道結(jié)構(gòu)的抗堵塞性能和消能機(jī)理.

1 壓力補(bǔ)償穩(wěn)流器及其流道結(jié)構(gòu)

圖1為灌水器及壓力補(bǔ)償穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)圖.如圖1a所示，微噴壓力補(bǔ)償灌水器由微噴頭、壓力補(bǔ)償穩(wěn)流器和支管組成.其中，壓力補(bǔ)償穩(wěn)流器由壓力補(bǔ)償腔、墊片和消能流道組成，水流注入壓力補(bǔ)償腔對(duì)彈性墊片施加變形壓力，墊片的形變量調(diào)節(jié)壓力補(bǔ)償腔的出口流量.水流從壓力補(bǔ)償腔流出后進(jìn)入消能流道進(jìn)一步消能穩(wěn)流，消能流道采用雙出口、對(duì)稱“W型”圓弧流道結(jié)構(gòu)，進(jìn)水口直徑為1.9 mm，額定壓力為200～400 kPa，額定流量為80 L/h. 通過(guò)NX.10.0軟件繪制穩(wěn)流器消能流道模型，如圖1b所示.

圖1 灌水器及壓力補(bǔ)償穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算模型及邊界條件

灌水器內(nèi)部的固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)低于5%，為稀相流，一般采用離散相或者歐拉模型進(jìn)行模擬[7].以Fluent軟件為計(jì)算平臺(tái)，采用歐拉兩相流模型進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬.黏性模型選用RNGk-ε可以更好地處理流線彎曲程度較大的流動(dòng)，曳力模型選用Gidaspow.主相為水，次相為密度2 500 kg/m3、黏性0.001 kg/m·s的河沙顆粒，在流道入口處設(shè)置河沙含量為1%，顆粒直徑為0.1～0.5 mm，考慮重力作用，計(jì)算域入口設(shè)為壓力進(jìn)口，壓力p范圍為200～400 kPa，每組間隔50 kPa，出口壓力為0.采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，網(wǎng)格數(shù)量為303 202，殘差收斂精度為10-4，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt設(shè)為0.000 5 s.

3 結(jié)果與討論

3.1 穩(wěn)流器流道水力特性分析

圖2為20～40 m水頭下穩(wěn)流器流量的試驗(yàn)和模擬結(jié)果.由于試驗(yàn)中存在水頭損失，因此試驗(yàn)和模擬結(jié)果存在一定誤差，但流量隨壓力變化的趨勢(shì)一致，說(shuō)明采用文中的模擬方法是合理的.由模擬值擬合得到流量和壓力的關(guān)系式為

圖2 穩(wěn)流器的壓力水頭和出口流量關(guān)系

Q=kHx=33.191 5H0.507 6, (R2=0.996 8),

(1)

式中：Q為出口流量，L/h；H為壓力水頭，m；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)，取值范圍0～1，其值越小，表示產(chǎn)品的流量調(diào)節(jié)性能越好.文中的流態(tài)指數(shù)x為0.507 6，說(shuō)明流量對(duì)壓力變化的敏感程度較低，該流道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)流效果較好.

3.2 穩(wěn)流器消能流道抗堵塞性能分析

穩(wěn)流器在實(shí)際應(yīng)用中和微噴頭搭配使用，基于對(duì)射程的要求，這種微噴灌灌水器的出口流量通常比滴灌灌水器大，沙粒在流道中沉積造成堵塞的可能性小，因此將沙粒含量大于10%視為有堵塞隱患.圖3為流道底部x-y平面沙粒體積分?jǐn)?shù)分布R及主要監(jiān)測(cè)位置.圖中，在灌水器內(nèi)部容易發(fā)生堵塞的區(qū)域?yàn)榱鞯愧蛲鈧?cè)，流道Ⅱ與流道Ⅲ的過(guò)渡段外側(cè)分別沿流向設(shè)置監(jiān)測(cè)線Line1和Line2，以定量分析沙粒含量.

圖3 流道底部x-y平面沙粒體積分?jǐn)?shù)分布及主要監(jiān)測(cè)位置

圖4為壓力為200～400 kPa時(shí)Line1 和Line2監(jiān)測(cè)位置的沙粒體積分?jǐn)?shù)R.在Line1處，流道Ⅱ的前端銜接圓弧彎道，流體與細(xì)長(zhǎng)流道壁面之間的摩擦造成了大量的沿程損失，因此流動(dòng)對(duì)流道外壁的沖刷作用較弱，沙粒主要在流道外側(cè)沉積.其中，200 kPa時(shí)平均沙粒體積分?jǐn)?shù)最大，為4.75%；300 kPa時(shí)平均沙粒體積分?jǐn)?shù)最小，為4.01%.Line2位于流道Ⅱ與Ⅲ的過(guò)渡段，沙粒體積分?jǐn)?shù)沿程呈上升趨勢(shì).在0～2.1 mm段，沙粒體積分?jǐn)?shù)均值穩(wěn)定在4.5%左右.在2.1～2.4 mm段的彎道出口處形成了流動(dòng)死區(qū)，流體的流動(dòng)速度較慢，沙粒容易沉降堆積，沙粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值，200 kPa時(shí)平均沙粒體積分?jǐn)?shù)最高；為8.50%，300 kPa時(shí)平均沙粒體積分?jǐn)?shù)最小，為6.10%.在流道中最易堵塞的Line1和Line2處，沙粒體積分?jǐn)?shù)均低于10.00%，在300 kPa時(shí)沙粒體積分?jǐn)?shù)最小，說(shuō)明文中的穩(wěn)流器流道結(jié)構(gòu)抗堵塞性能較為優(yōu)良，最佳壓力運(yùn)行工況為300 kPa.含沙水中的沙粒粒徑同樣會(huì)對(duì)流道內(nèi)部的堵塞發(fā)生產(chǎn)生不同的影響.在Line1處粒徑與發(fā)生堵塞可能性成正比，當(dāng)沙粒直徑為0.5 mm時(shí)，平均體積分?jǐn)?shù)最大，為6.21%.在Line2處沙粒體積分?jǐn)?shù)和粒徑的關(guān)系不再呈正相關(guān)，由于小粒徑沙石的動(dòng)能小，流入拐角低速區(qū)后不容易流出，反而會(huì)在低速區(qū)沉積形成堵塞.當(dāng)粒徑為0.5 mm時(shí)，該位置的沙粒平均濃度最小，為5.51%，但當(dāng)沙粒粒徑為0.1 mm時(shí)平均體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了9.90%，極易發(fā)生堵塞.

圖4 流道內(nèi)部監(jiān)測(cè)位置的沙粒體積分?jǐn)?shù)

3.3 流道內(nèi)部流場(chǎng)分析

根據(jù)最優(yōu)工況300 kPa時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步詳細(xì)分析穩(wěn)流器流道內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性.

渦量Ω一般被用來(lái)描述渦旋的強(qiáng)度和方向，對(duì)于一般的黏性流體，其表達(dá)式為

(2)

式中：F為外力；ρ為流體密度；p為壓力；ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù).

圖5為流道內(nèi)部x-y平面的渦量云圖.在穩(wěn)流器的流場(chǎng)內(nèi)部，高渦量值的旋渦不僅起到消能作用而且旋渦的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流道壁面的沖刷可以加強(qiáng)自沖洗作用，減少沙粒沉積.對(duì)比圖5和圖3可以看出，渦量值和沙粒體積分?jǐn)?shù)成反比，渦量大的地方沙粒體積分?jǐn)?shù)較小，流體對(duì)流道的沖刷作用比較明顯.圖6為流道內(nèi)部x-y平面流線圖.結(jié)合圖6的流線圖分析，旋渦的存在以及流體與壁面之間邊界層內(nèi)的剪切作用都會(huì)造成高渦量值.例如，在流道Ⅰ與流道Ⅱ的過(guò)渡圓弧流道內(nèi)側(cè)和流道Ⅱ內(nèi)側(cè)，流線直順沒(méi)有旋渦，水流速度增長(zhǎng)到了10～12 m/s，但是渦量比流道外側(cè)的渦量值大，達(dá)到了8.0×103～20.0×103s-1，說(shuō)明此處的水流高速?zèng)_刷流道壁，邊界層內(nèi)剪切作用劇烈，可以有效減少沙粒沉積.相反的，在流道②的外側(cè)，由于圓弧流道結(jié)構(gòu)對(duì)流體的偏轉(zhuǎn)作用，流體對(duì)流道外側(cè)壁面的沖刷作用較弱，使沙粒更容易沉積.這種產(chǎn)生黏性應(yīng)力的剪切層不僅出現(xiàn)在流體與流道壁面之間，對(duì)于2股方向一致但速度不同的流體之間同樣會(huì)存在這樣的剪切層.例如，流道Ⅰ，Ⅱ的過(guò)渡圓弧段以及流道Ⅱ，Ⅲ的過(guò)渡段，流道內(nèi)側(cè)圓弧壁面和流動(dòng)介質(zhì)接觸的迎水面為高流速區(qū)，背水面形成低流速區(qū)，由于迎水面和背水面存在速度差，流體內(nèi)部出現(xiàn)剪切層，因此，此處的渦量值遠(yuǎn)高于周?chē)鷧^(qū)域.

圖5 流道內(nèi)部x-y平面的渦量云圖

圖6 流道內(nèi)部x-y平面流線圖

從圖7的速度云圖和壓力分布圖可以看出，在穩(wěn)流器流道內(nèi)主要存在3種流體能量耗損方式：① 流道入口處的回流摻混消耗大量能量.② 流道直徑的收縮和擴(kuò)大也進(jìn)一步增大了流動(dòng)的湍流程度，消耗部分能量.③ 流體和流道壁面摩擦產(chǎn)生沿程損失，消耗部分能量.在圖6的流線圖中，水流從進(jìn)水口入流道后遇到外壁阻擋，流動(dòng)方向發(fā)生改變.在入水口處形成旋渦，使流體的動(dòng)能減少.水流進(jìn)入主流道后流域變得開(kāi)闊，流速開(kāi)始降低.在分流口處主流被動(dòng)分成3個(gè)流動(dòng)部分，一部分流向左流道，一部分流向右流道，還有一小部分流動(dòng)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，流向進(jìn)水口，形成回流并與流入的水流發(fā)生強(qiáng)烈的摻混，使主流道Ⅰ的紊動(dòng)程度加劇，形成旋渦消耗大量動(dòng)能，流動(dòng)速度急劇降低，水流在此處發(fā)生第1次消能.在壓力云圖中，流道過(guò)渡彎角段均存在較大的壓降，說(shuō)明流道內(nèi)徑的變化使得彎角處存在較大的局部水頭損失，水流在此處發(fā)生第2次消能.由上文分析可知，流道Ⅱ和流道Ⅲ的壁面均與流體發(fā)生沖刷作用，在減少了沙粒沉積的同時(shí)也產(chǎn)生了一部分沿程水力損失，消耗了部分能量，水流在此處發(fā)生第3次消能.經(jīng)過(guò)以上3次消能行為，水流的動(dòng)能損耗得到良好的控制調(diào)節(jié)，使灌水器出口流量維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍，保證了出水流量的均勻.

圖7 流道內(nèi)部x-y平面的壓力云圖和速度云圖

4 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的“W型”穩(wěn)流流道結(jié)構(gòu).雙出口的對(duì)稱布置節(jié)省了流道空間，減小了穩(wěn)流器的尺寸.圓弧流道和變徑流道結(jié)構(gòu)能有效消能穩(wěn)流，有利于降低穩(wěn)流器的流態(tài)指數(shù)，使不同壓力條件下的出口流量更加恒定，適用于較大流量的微噴灌系統(tǒng).

2) 模擬得到穩(wěn)流器流場(chǎng)內(nèi)的顆粒物沉積分布情況，流道Ⅱ的內(nèi)側(cè)以及銜接流道Ⅱ，Ⅲ的直角過(guò)渡段外側(cè)沙粒體積分?jǐn)?shù)極大，是容易發(fā)生堵塞的隱患區(qū).穩(wěn)流流道結(jié)構(gòu)抗堵塞性能優(yōu)良，局部沙粒體積分?jǐn)?shù)最大不超過(guò)8.5%，最佳的使用壓力為300 kPa.

3) 流場(chǎng)內(nèi)部的渦量與沙粒沉積分布成反比，渦量大的地方沙粒體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較小.形成高渦量的原因包括回流摻混形成的旋渦和邊界層內(nèi)部的強(qiáng)剪切作用.穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)的消能方式主要包括回流的摻混、變徑流道的收縮和擴(kuò)大以及流體和流道壁之間的摩擦.