鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭內(nèi)部流道仿真計(jì)算及分析

王曉玲

(甘肅亞盛亞美特節(jié)水有限公司，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

滴頭作為灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，被廣泛的應(yīng)用于溫室大棚、大田經(jīng)濟(jì)作物的灌溉。隨著社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)作物需求的不斷增加，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水量也隨之激增，為了滿足生產(chǎn)的灌溉需求，對(duì)滴灌系統(tǒng)性能也提出了新的要求。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的用于制作滴灌帶的滴頭多為內(nèi)鑲式，因其扁平的結(jié)構(gòu)便于在管帶內(nèi)部固定，創(chuàng)新的滴頭設(shè)計(jì)均以此為基礎(chǔ)[1]。輸水順暢，輸出流速穩(wěn)定是滴頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以簡(jiǎn)單的計(jì)算公式，結(jié)合實(shí)際工作記錄數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)滴頭內(nèi)部流道。這種方法需要多次開模、小批量制造，組成滴灌帶系統(tǒng)來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)效果，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)測(cè)試成本高，且過(guò)程耗時(shí)耗力，不適合產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、制造、搶占市場(chǎng)。鑒于此類情況，采用基于計(jì)算流體力學(xué)的滴頭設(shè)計(jì)方法，對(duì)決定滴頭性能的內(nèi)部流道進(jìn)行計(jì)算分析，得到滴頭在設(shè)計(jì)工況下內(nèi)部液體的流動(dòng)狀態(tài)及出口流動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)分析計(jì)算得到速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布云圖，進(jìn)一步研究、優(yōu)化流動(dòng)狀態(tài)，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)。文中以某型鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭為研究對(duì)象，在給定工況下，計(jì)算分析內(nèi)部流道，獲得對(duì)應(yīng)的流動(dòng)參數(shù)，驗(yàn)證滴頭設(shè)計(jì)的合理性，以及提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)方案。將此方法應(yīng)用于滴頭設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程、縮短研發(fā)周期有著重大的意義。

1 計(jì)算模型及仿真方法

1.1 計(jì)算模型

文中所述鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭其為扁平長(zhǎng)型一體化結(jié)構(gòu)式滴頭，在其粘結(jié)面上沿長(zhǎng)度方向設(shè)置有進(jìn)水過(guò)濾口，與進(jìn)水過(guò)濾孔平行設(shè)置短而寬的齒形流道，該流道的進(jìn)口與進(jìn)水過(guò)濾口連通，齒形流道的出口與浴池形出水槽連通，形成完整的內(nèi)部流道。鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭二維結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

根據(jù)二維圖紙，使用三維建模軟件，對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭進(jìn)行三維建模，獲得研究對(duì)象的數(shù)字模型。鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭模型如圖2所示。

圖1 鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭二維結(jié)構(gòu)示意1.進(jìn)水孔 2.齒形流道 3.出水槽

圖2 鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭三維模型

由于計(jì)算分析的對(duì)象為鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭的內(nèi)部流道，因此要對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭三維模型做前處理，即提取獲得內(nèi)部流道。通過(guò)對(duì)上述三維模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，同時(shí)考慮到仿真軟件的工作特點(diǎn)，需要忽略計(jì)算對(duì)象中不影響計(jì)算結(jié)果的部分模型特征，以減輕計(jì)算機(jī)計(jì)算壓力，最終獲得可用于仿真分析的算模型。此研究所需計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

采用前處理軟件對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算模型網(wǎng)格劃分，由于此研究流道內(nèi)輸送介質(zhì)為流體，在網(wǎng)格劃分時(shí)需要配置適合計(jì)算流體力學(xué)的離散化網(wǎng)格劃分格式?？紤]到該計(jì)算模型在形狀上既存在直角部分結(jié)構(gòu)，又存在圓角部分結(jié)構(gòu)，為方便網(wǎng)格劃分，兼顧網(wǎng)格質(zhì)量，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分形式。劃分獲得的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為70 843個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量為325 811個(gè)。鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道計(jì)算部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道計(jì)算部分網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算方法及控制方程

在對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道進(jìn)行仿真時(shí)，其內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為水，考慮流動(dòng)特性，做出如下假設(shè)[2]：①鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道內(nèi)部空間被液體完全充滿；②由于重力、體積力遠(yuǎn)小于黏滯力，可忽略不計(jì)；③假設(shè)內(nèi)部流動(dòng)為定常狀態(tài)，與時(shí)間維度無(wú)關(guān)；④流體計(jì)算域流體為不可壓縮液體。

基于以上假設(shè)，在進(jìn)行求解時(shí)對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流場(chǎng)采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型[3]，忽略溫度的作用，不考慮能量方程，控制方程如下：

(1) 連續(xù)性方程

(1)

(2)

(2) 動(dòng)量方程

(3)

式中:p為壓力，Pa；υ為運(yùn)動(dòng)粘度；fi為體積力，N。

1.4 邊界條件及求解方法選擇

鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流場(chǎng)的計(jì)算，其邊界條件主要為液體進(jìn)口的參數(shù)、出口類型的設(shè)置，以及被求解量的確定。根據(jù)實(shí)際工作狀況，將被計(jì)算流場(chǎng)流體進(jìn)口設(shè)為壓力入口，出口設(shè)為自由流出，流體域壁面為無(wú)滑移壁面。求解在當(dāng)?shù)喂鄮?nèi)部水壓為0.1 MPa的工況下，鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)。

鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)計(jì)算基于壓力速度耦合，對(duì)離散后的計(jì)算模型采用SIMPLEC算法[4]。為了減少計(jì)算過(guò)程中流場(chǎng)偽擴(kuò)散，離散格式選用適用于多面體網(wǎng)格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)上述工況下鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)的計(jì)算，獲得了該區(qū)域流場(chǎng)分布的壓力云圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，在正面壓力分布云圖中，鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)計(jì)算域壓力的最大值出現(xiàn)在兩段齒形流道中與出口處出水槽相連的一段，且壓力的最大值為0.279 MPa；背面云圖中，流場(chǎng)液體進(jìn)口處的壓力值為0.1 MPa；壓力的最小值出現(xiàn)在出口水槽處，由于設(shè)置出口邊界條件為自由出流，則在此處液體的壓力值為0 MPa。從圖中可以看出，在齒形流道出口與出水槽連接處，壓力值從最大直降為0 MPa，表明此處壓力存在較大的梯度差，則流體對(duì)此處鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭材質(zhì)的沖擊力較大。

圖5 鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)壓力云圖

對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)在給定工況下內(nèi)部流體的速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，獲得鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道速度場(chǎng)分布云圖如圖6所示。

圖6 鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)速度分布云圖

從圖6正面速度分布云圖可以看出，鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)速度的最大值為0.65 m/s，速度的最大值出現(xiàn)在齒形流道出口與出口水槽連接處，對(duì)應(yīng)壓力云圖中壓力最小值處；從背面速度分布云圖可以看出，進(jìn)水口處不同部位處的流速為0.3～0.5 m/s之間，且速度梯度較小，表明該設(shè)計(jì)方案滴頭進(jìn)水孔能夠保證相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)水流量。在出口水槽部分，流體速度從齒形流道出口處的0.6 m/s逐漸下降，速度從最大值逐漸降為0.035 m/s，表明該滴頭出口水槽擴(kuò)散式流道設(shè)計(jì)能夠有效減緩出口處水流的速度，證明設(shè)計(jì)的合理性。

針對(duì)圖5在齒形流道出口與出水槽連接處存在較大的梯度差，造成流體對(duì)此處鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭材質(zhì)的沖擊力較大的問(wèn)題，通過(guò)檢查三維設(shè)計(jì)模型圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，此處存在一段凹槽，導(dǎo)致流體在此處產(chǎn)生回流，造成沖擊，使該處壓力梯度過(guò)渡不夠平緩，建議取消將此處凹槽的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)內(nèi)部流道在齒狀轉(zhuǎn)角處做倒圓角處理，以減少大壓力梯度產(chǎn)生，從而減小水流對(duì)滴頭材料的沖擊，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)求解計(jì)算。根據(jù)二維圖紙，建立三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理獲得計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上通過(guò)布爾運(yùn)算獲得計(jì)算流體域，并對(duì)該曲線進(jìn)行離散化處理。在給定工況下對(duì)被計(jì)算流場(chǎng)進(jìn)行了求解，結(jié)果表明：鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭流道流場(chǎng)計(jì)算域壓力的最大值為0.279 MPa，在兩段齒形流道中與出口處出水槽相連的一段；速度的最大值為0.65 m/s，速度的最大值出現(xiàn)在齒形流道出口與出口水槽連接處，對(duì)應(yīng)壓力云圖中壓力最小值處。結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案滴頭進(jìn)水孔能夠保證相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)水流量，且出口水槽擴(kuò)散式流道設(shè)計(jì)能夠有效減緩出口處水流的速度。但在齒形流道出口與出水槽連接處存在較大的梯度差，為減小水流對(duì)滴頭材料的沖擊，建議取消將此處凹槽的設(shè)計(jì)。通過(guò)此研究所述方法，考慮鉆孔型內(nèi)鑲式扁平滴頭實(shí)際工況，通過(guò)計(jì)算獲得各所需物理場(chǎng)的云圖，能夠直觀反映計(jì)算結(jié)果。在驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)是否合理的同時(shí)，還能為設(shè)計(jì)者提供改進(jìn)意見(jiàn)。該方法對(duì)優(yōu)化滴頭設(shè)計(jì)提供了新的手段，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法極大的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度、縮短了研發(fā)周期和研發(fā)成本。