單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)出水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)對(duì)抗堵塞性能的影響

陶娟琴，陶洪飛*，李巧，劉姚，張慧，馬合木江·艾合買提，姜有為，楊文新

單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)出水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)對(duì)抗堵塞性能的影響

陶娟琴1,2，陶洪飛1,2*，李巧1,2，劉姚1,2，張慧1,2，馬合木江·艾合買提1,2，姜有為1,2，楊文新1,2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

【目的】研究進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)對(duì)單翼迷宮式滴灌帶抗堵塞性能的影響?！痉椒ā坎捎梦锢碓囼?yàn)、數(shù)值模擬、建立線性數(shù)學(xué)模型等方法，設(shè)計(jì)9組工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究額定流量為1.8 L/h的單翼迷宮式滴灌帶的水沙兩相流流場(chǎng)，以及滴灌帶不同進(jìn)出水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)、流量系數(shù)的影響?！窘Y(jié)果】SST兩方程低雷諾數(shù)紊流模型更加適用于單翼迷宮式滴灌帶流場(chǎng)的數(shù)值模擬；從進(jìn)水口到梯形流道再到出水口，泥沙顆粒質(zhì)量濃度逐漸變??；滴灌帶第5進(jìn)水口為主要進(jìn)水口，第3出水口為主要出水口；進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)影響極小，對(duì)流量系數(shù)的影響顯著性排序?yàn)樘菪瘟鞯例X數(shù)＞出水口數(shù)＞進(jìn)水口數(shù)；構(gòu)建了流量系數(shù)與三因素之間的多元線性模型，該模型決定系數(shù)為0.987，精度較好。【結(jié)論】在梯形迷宮流道尺寸相同時(shí)，梯形流道齒數(shù)越少流道內(nèi)部流速越大，更有利于泥沙顆粒排出流道。構(gòu)建的流量系數(shù)與三因素的公式可實(shí)現(xiàn)出水口位置精準(zhǔn)灌溉植物，合理利用土地資源。

單翼迷宮式滴灌帶；SST紊流模型；水沙兩相流；進(jìn)水口數(shù)；梯形流道齒數(shù)；出水口數(shù)

0 引言

【研究意義】壓力補(bǔ)償灌水器水力性能好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價(jià)高，因而大多灌水器都采用迷宮式流道，其中單翼迷宮式滴灌帶被廣泛應(yīng)用[1]。單翼迷宮式滴灌帶流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對(duì)滴灌系統(tǒng)的抗堵塞性能和壽命影響很大，研究進(jìn)出水口和梯形流道結(jié)構(gòu)的流動(dòng)機(jī)理和優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)是提升滴灌系統(tǒng)水力性能的關(guān)鍵之一[2]。

【研究進(jìn)展】諸多紊流模型被應(yīng)用于計(jì)算灌水器流場(chǎng)，如Wei等[3]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算貼片式和單翼迷宮式灌水器流場(chǎng)，Wei等[4]應(yīng)用Renormalization Group（RNG）模型計(jì)算貼片式灌水器流場(chǎng)，Chen等[5]應(yīng)用Shear Stress Transport（SST）模型計(jì)算壓力補(bǔ)償式灌水器流場(chǎng)，Palau-salvador等[6]應(yīng)用Laminar 模型計(jì)算圓柱形灌水器流場(chǎng)，Zhang等[7]應(yīng)用雷諾應(yīng)力模型計(jì)算貼片式灌水器流場(chǎng)，Wu等[8]應(yīng)用Large Eddy Simulation（LES）模型計(jì)算圓柱形灌水器流場(chǎng)等。張傳杰等[9]、唐雪林等[10]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)梯形迷宮流道8個(gè)流道單元進(jìn)行數(shù)值模擬，研究流場(chǎng)的變化規(guī)律。謝巧麗等[11]以內(nèi)鑲貼片式滴灌帶為研究對(duì)象，應(yīng)用RNG紊流模型對(duì)進(jìn)口結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬，分析進(jìn)口數(shù)目、進(jìn)口寬度、進(jìn)口高度和緩水區(qū)深度對(duì)滴頭水力性能的影響。郭霖等[12]在眾多紊流模型中證明SST紊流模型更適用于計(jì)算雙向?qū)_流灌水器流場(chǎng)，并應(yīng)用該紊流模型計(jì)算灌水器流量和流道內(nèi)各點(diǎn)的流速。影響單翼迷宮式滴灌帶水力性能的因素很多，如流道轉(zhuǎn)角、流道寬度、流道深度、齒參差值、齒高、齒數(shù)、齒間距、齒底距、齒型等[13]。吳爭(zhēng)光等[14]認(rèn)為影響流量的因素為流道深度、流道寬度、流道轉(zhuǎn)角。胡宇祥等[15]認(rèn)為影響流態(tài)指數(shù)的因素為齒參差值、齒高、齒數(shù)、流道轉(zhuǎn)角、齒間距。謝巧麗等[16]認(rèn)為流量系數(shù)隨流道轉(zhuǎn)角和齒間距的增大而增大，流態(tài)指數(shù)隨著齒間距的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。馬曉鵬等[17]以4種單翼速宮滴灌帶為研究對(duì)象，分析不同壓力和梯形流道單元數(shù)量對(duì)滴灌帶水力和抗堵塞性能的影響，發(fā)現(xiàn)抗堵塞性能會(huì)隨梯形流道單元數(shù)的減少而提高。Tao等[18]、張慧等[19]對(duì)額定流量為1.8 L/h的單翼迷宮式滴灌帶運(yùn)行壓力、鋪設(shè)坡度、鋪設(shè)長(zhǎng)度、含沙量、化肥質(zhì)量濃度5個(gè)因素進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)運(yùn)行方式對(duì)滴灌帶抗堵塞性能的影響。

【切入點(diǎn)】國(guó)內(nèi)外諸多研究學(xué)者在數(shù)值模擬選取紊流模型時(shí)存在差異，主要是由于數(shù)值模擬流道型式不盡相同，也忽略了圓管流道、進(jìn)水口及出水口對(duì)流場(chǎng)帶來(lái)的影響，有必要選取適用于單翼迷宮式滴灌帶的紊流模型對(duì)1個(gè)完整的滴灌帶流道單元進(jìn)行數(shù)值模擬研究。關(guān)于進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)對(duì)抗堵塞性能影響的研究鮮見(jiàn)。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，本研究選取適用于單翼迷宮式滴灌帶的紊流模型對(duì)進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)和出水口數(shù)3個(gè)因素的9組工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究3個(gè)因素對(duì)流態(tài)指數(shù)、流量系數(shù)的影響，為單翼迷宮式滴灌帶流道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 物理試驗(yàn)設(shè)備與方法

滴灌帶（管）抗堵塞性能測(cè)試平臺(tái)試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1，本套滴灌帶抗堵塞性能試驗(yàn)臺(tái)型號(hào)為KD-DJC，由河北可道試驗(yàn)機(jī)科技有限公司制造，系統(tǒng)適用電壓380 V。

注 1-主控柜；2-閘閥；3-水箱；4-計(jì)算機(jī)；5-供水管；6-壓力表；7-流量測(cè)試平臺(tái)；8-滴灌帶

滴灌帶測(cè)試平臺(tái)長(zhǎng)度為35 m，試驗(yàn)時(shí)滴灌帶鋪設(shè)35 m，共鋪設(shè)3條滴灌帶，每條滴灌帶放置25個(gè)集水桶，總共放置75個(gè)集水桶。滴頭流量采用稱質(zhì)量法，使用的電子天平型號(hào)為YP2002N，由上海菁海儀器有限公司制造，最大量程2 000 g，精度值0.01 g。每次測(cè)量時(shí)間為15 min，測(cè)量3次，取平均值。

1.2 數(shù)值模擬

本研究對(duì)1個(gè)單翼迷宮式滴灌帶單元進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其結(jié)構(gòu)參數(shù)由高清拍照技術(shù)和AutoCAD技術(shù)相結(jié)合的方式測(cè)量，物理模型結(jié)構(gòu)由ANSYS 19.0 DM軟件建立，單翼迷宮式滴灌帶物理模型及尺寸見(jiàn)圖2，進(jìn)水口數(shù)為5口、梯形流道齒數(shù)為85齒、出水口為3口，流道深1 mm。

圖2 單翼迷宮式滴灌帶物理模型及尺寸

在ANSYS 19.0 Fluent軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，梯形迷宮流道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)可被視為不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)范疇。設(shè)定圓管流道處進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，出水口處出口邊界條件為壓力出口，其他固體邊界均采用標(biāo)準(zhǔn)無(wú)滑移固壁邊界條件。梯形單元內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)[20]，因此對(duì)各種紊流模型的精度逐一進(jìn)行對(duì)比分析，選擇適于單翼迷宮式滴灌帶的紊流模型是十分必要的。Eddy-viscosity models對(duì)流線曲率不敏感，為使Standard Eddy-Viscosity Models對(duì)流線曲率的影響敏感，需對(duì)渦流產(chǎn)生項(xiàng)進(jìn)行修正，以及對(duì)紊流模型的曲率修正。Standard Two-Equation Turbulence Models的缺點(diǎn)是在停滯點(diǎn)附近會(huì)過(guò)多地產(chǎn)生湍流能量，為了避免在停滯區(qū)域形成湍動(dòng)能，使用兩方程模型生產(chǎn)限制器來(lái)限制湍流動(dòng)能方程的產(chǎn)生項(xiàng)。為提高數(shù)值模擬計(jì)算精度，對(duì)流項(xiàng)等參數(shù)采用二階迎風(fēng)格式，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法求解，殘差收斂精度為10-4。渾水條件下懸浮顆粒質(zhì)量濃度為1 g/L（泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.057 9%），顆粒密度為1 725.9 kg/m3，顆粒粒徑設(shè)定為級(jí)配分級(jí)中間值0.056 8 mm。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用流量-壓力關(guān)系對(duì)單翼迷宮式滴灌帶模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算式為[21]：

式中：為流量（L/h）；為流量系數(shù)；為壓力（kPa）；為流態(tài)指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在ANSYS 19.0 Mesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑捎梅墙Y(jié)構(gòu)四面體混合型網(wǎng)格。為增加Mesh軟件和Fluent軟件的運(yùn)行速度，將滴灌帶單元分為圓管流道和梯形迷宮流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。SST模型被諸多學(xué)者用于計(jì)算迷宮灌水器流場(chǎng)，因此驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性時(shí)采用該模型[11]。本研究設(shè)定進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，相對(duì)壓力為100 kPa，出口邊界條件為壓力出口，相對(duì)壓力為0，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證見(jiàn)表1。第6～第10組網(wǎng)格尺寸的加密對(duì)出口流量的影響變幅不大，與實(shí)際流量誤差范圍在5.655%內(nèi)；而當(dāng)圓管流道網(wǎng)格尺寸為2 mm，梯形迷宮流道網(wǎng)格尺寸為0.2 mm時(shí)，模擬流量值（1.902 L/h）與實(shí)際流量值（1.892 L/h）比較誤差最小，為0.529%；網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度越慢（計(jì)算機(jī)性能：二核四線程），第9組和第10組流量差距為0.003。為減少計(jì)算量，最后網(wǎng)格數(shù)量確認(rèn)為300 182，單翼迷宮式滴灌帶整體及局部網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

注 小流道包括進(jìn)水口、梯形迷宮流道、出水口。

2.2 試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

為探究單翼迷宮式滴灌帶低壓小流量技術(shù)，本研究設(shè)計(jì)進(jìn)水口壓力為20、40、60、80、100 kPa。使用滴灌帶（管）抗堵塞性能測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行壓力-流量物理試驗(yàn)，進(jìn)水口壓力為20、40、60、80、100 kPa對(duì)應(yīng)的出水口流量分別為0.847、1.211、1.477、1.664、1.892 L/h。

圖3 單翼迷宮式滴灌帶整體及局部網(wǎng)格圖

本研究主要采用ANSYS 19.0 Fluent軟件進(jìn)行壓力-流量數(shù)值模擬，仿真模型選用Laminar模型，Spalart-Allmaras（S-A）為單方程模型，Scalable wall Function（SWF）RNG、Enhanced wall Functions（EWF）RNG、Menter-Lechner（M-L）RNG為兩方程模型，Standard、BaseLine、SST為兩方程模型，試驗(yàn)與仿真對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。仿真模型模擬誤差排序?yàn)槟Ｐ停綥aminar模型＞RNG模型，SST低雷諾數(shù)紊流模型更接近物理試驗(yàn)值，說(shuō)明單翼迷宮式滴灌帶內(nèi)水流流動(dòng)屬于低雷諾數(shù)紊流。模型中精度排序?yàn)镾ST模型＞BaseLine模型＞Standard模型，3個(gè)模型的區(qū)別BaseLine模型是在Standard的基礎(chǔ)上使用近壁面的混合函數(shù)進(jìn)行修正，而SST模型更進(jìn)一步引入另一個(gè)湍流黏度限制的混合函數(shù)，可知在單翼迷宮式滴灌帶的模擬中需要對(duì)近壁區(qū)和湍流黏度進(jìn)行修正。M-L RNG模型應(yīng)用一種低雷諾數(shù)公式，因此EWF RNG模型、SWF RNG模型模擬精度高。SWF RNG兩方程模型模擬精度較差，誤差在-19.225%以上；BaseLine、SST兩方程模型模擬精度較優(yōu)，誤差在±5.007%以內(nèi)，2種紊流模型在進(jìn)水口壓力為20、40、60、80 kPa時(shí)模擬結(jié)果一致，而在進(jìn)水口壓力為100 kPa時(shí)SST兩方程模型流量值與單翼迷宮式滴灌帶實(shí)際流量更吻合，眾多紊流模型中SST兩方程紊流模型更適用于單翼迷宮式滴灌帶數(shù)值模擬。

表2 試驗(yàn)與仿真對(duì)比結(jié)果

2.3 水沙兩相流流場(chǎng)研究

為研究單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)水口和梯形流道的水沙兩相流流動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)用SST紊流模型及歐拉-歐拉兩相流模型對(duì)單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)行渾水條件的仿真，分別計(jì)算在運(yùn)行壓力為50、100、150 kPa，時(shí)間為36、72、108、144、180 s的流場(chǎng)。滴灌帶在運(yùn)行壓力為50、150 kPa的不同時(shí)間的流量無(wú)變化，分別為1.497、2.454 L/h；而運(yùn)行壓力為100 kPa在時(shí)間為144～180 s時(shí)流量由2.040 L/h下降到2.039 L/h，流量下降率為0.035%。時(shí)間為36、72、108、144、180 s，滴灌帶運(yùn)行壓力為50、100、150 kPa下的流量變化不明顯，取36 s時(shí)流量做仿真流量對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬流量與實(shí)際流量對(duì)比誤差在10.958%以下，仿真效果較好。

運(yùn)行壓力為150 kPa時(shí)，清水和渾水流速與流線疊加見(jiàn)圖4。清水條件下環(huán)繞的流線多出現(xiàn)在青色以下區(qū)域，對(duì)應(yīng)的流速為0.6 m/s以下區(qū)域；渾水條件下環(huán)繞的流線出現(xiàn)在淺藍(lán)色以下區(qū)域，流速為0.4 m/s以下區(qū)域。渾水條件下低速區(qū)流線環(huán)繞比清水條件下復(fù)雜，漩渦分布范圍越大代表水流在此處停留時(shí)間越長(zhǎng)，渾水條件下易積累泥沙造成堵塞。清水條件下低速區(qū)的面積比渾水條件下的大，渾水條件下高速區(qū)的面積比清水條件下的大。渾水條件下主流區(qū)的水流流動(dòng)弧度大于清水條件下的，這是由于渾水條件梯形流道拐角處的慣性力大于清水條件梯形流動(dòng)拐角處的慣性力，致使清水水流較渾水水流平緩。

圖4 清水和渾水流速與流線疊加圖

運(yùn)行壓力為150 kPa、時(shí)間為180 s時(shí)，泥沙顆粒及流線分布規(guī)律見(jiàn)圖5。圖5（a）中紅色區(qū)域代表泥沙顆粒的體積分?jǐn)?shù)（泥沙顆粒與水的體積之比）＞0.057 9%，相當(dāng)于泥沙顆粒質(zhì)量濃度＞1 g/L，即泥沙顆粒在圓管底部沉積質(zhì)量濃度＞1 g/L。大部分泥沙顆粒將沉積在圓管流道底部，圓管后段藍(lán)色區(qū)域和梯形流道部分藍(lán)色區(qū)域代表體積分?jǐn)?shù)＜0.005 79%，相當(dāng)于泥沙顆粒質(zhì)量濃度＜0.1 g/L，即泥沙顆粒在圓管后段上部和梯形流道內(nèi)沉積質(zhì)量濃度＜0.1 g/L。圓管進(jìn)口處泥沙顆粒質(zhì)量濃度梯度分布明顯，底部流線旋滾不一。圖5（b）中紅色區(qū)域代表泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)＞0.000 579%，相當(dāng)于泥沙顆粒質(zhì)量濃度＞0.01 g/L，即泥沙顆粒在進(jìn)水口處和梯形流道前部沉積質(zhì)量濃度?0.01 g/L，從進(jìn)水口到梯形流道再到出水口，泥沙顆粒質(zhì)量濃度逐漸變小，泥沙顆粒沉積在梯形流道內(nèi)，出水口只有極少區(qū)域的泥沙顆粒質(zhì)量濃度＞0.01 g/L。

圖5 泥沙顆粒及流線分布規(guī)律

2.4 進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)數(shù)值模擬分析

圖5（a）中梯形流道主流區(qū)流線主要來(lái)源為第5進(jìn)水口，第5進(jìn)水口為主要進(jìn)水口，流量主要集中在靠近迷宮流道的進(jìn)水口；圖5（b）中主流區(qū)流線流往第3出水口，第3出水口為主要出水口。因此為探究進(jìn)水口數(shù)、梯形迷宮流道齒數(shù)、出水口數(shù)與流量的關(guān)系，在單翼迷宮式滴灌帶模型進(jìn)水口、梯形流道、出水口尺寸不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)9組均勻正交工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

按9組均勻正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表3。流態(tài)指數(shù)波動(dòng)幅度為1.367%，進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)和出水口數(shù)的變化不會(huì)造成流態(tài)指數(shù)較大波動(dòng)。流量系數(shù)波動(dòng)幅度為12.698%，不同進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)和出水口數(shù)下的出口流量差別較大。

表3 進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果

本研究使用SPSS 26.0軟件建立進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)與流量系數(shù)的多元線性關(guān)系（式（2）），決定系數(shù)2為0.987，精度較好。

首先確定進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)，根據(jù)式（2）得流量系數(shù)，再根據(jù)式（1）推求流量。如當(dāng)出水口間距為20 cm時(shí)，根據(jù)圖6可設(shè)計(jì)進(jìn)水口數(shù)為3口、出水口數(shù)為3口，確定梯形流道齒數(shù)為60齒，流態(tài)指數(shù)取0.439，由式（2）計(jì)算得為0.276，因此運(yùn)行壓力為100 kPa時(shí)流量為2.083 L/h。當(dāng)已知作物最優(yōu)需水量時(shí)，根據(jù)滴灌帶流量確定作物灌溉時(shí)長(zhǎng)。這種方法對(duì)出水口間距進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，合理利用土地資源，提高作物產(chǎn)量。

=0.355 6-0.000 3-0.001 4+0.001 7， （2）

式中：為流量系數(shù)；為進(jìn)水口數(shù)；為梯形流道齒數(shù)；為出水口數(shù)。

對(duì)進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)和出水口數(shù)進(jìn)行分析，因素水平均值見(jiàn)圖6，梯形流道齒數(shù)對(duì)流量系數(shù)影響最顯著，與流量系數(shù)負(fù)相關(guān)；出水口數(shù)與流量系數(shù)正相關(guān)；在數(shù)值模擬因素水平范圍內(nèi)，流量系數(shù)較優(yōu)的組合是進(jìn)水口為3口、梯形流道齒數(shù)為65齒、出水口數(shù)為3口。

圖6 因素水平均值

對(duì)計(jì)算得到的流量系數(shù)進(jìn)行方差分析，進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。進(jìn)水口數(shù)和出水口數(shù)對(duì)流量系數(shù)影響不顯著，梯形流道齒數(shù)影響極顯著。流量系數(shù)影響因素顯著性排序?yàn)樘菪瘟鞯例X數(shù)（）＞出水口數(shù)（）＞進(jìn)水口數(shù)（）。單純?cè)鰷p進(jìn)水口和出水口數(shù)目，流量變化不大。

表4 流量系數(shù)方差分析

注 *表示在<0.05水平差異顯著；**表示在<0.01水平差異極顯著。

結(jié)合方差分析結(jié)果，最終選取進(jìn)水口數(shù)-梯形流道齒數(shù)-出水口數(shù)為3-65-3、1-75-3、5-85-3的組合梯形流道中部進(jìn)行分析，不同進(jìn)水口數(shù)和梯形流道齒數(shù)流速與流線疊加見(jiàn)圖7。在運(yùn)行壓力為20、40、60、80、100 kPa情況下，3種型式滴灌帶流速排序均為3-65-3型＞1-75-3型＞5-85-3型，在此只對(duì)運(yùn)行壓力為100 kPa流速及流線進(jìn)行分析。流線在主流區(qū)呈波浪狀前進(jìn)，由圖7可知，主流區(qū)水流流速大于近壁區(qū)，中部轉(zhuǎn)角處流速均偏大，上轉(zhuǎn)角和下轉(zhuǎn)角會(huì)產(chǎn)生渦流。梯形流道齒數(shù)越少，流道內(nèi)部流速越大，更有利于泥沙顆粒排出流道。

圖7 不同進(jìn)水口數(shù)和梯形流道齒數(shù)流速與流線疊加圖

3 討論

3.1 SST k-ω紊流模型的適用性

RNG、模型對(duì)于以渦流為主的流動(dòng)問(wèn)題模擬精度較高，但RNG模型受渦流黏性各向同性假設(shè)限制更適合于計(jì)算雷諾數(shù)較高的流動(dòng)問(wèn)題，模型適合計(jì)算雷諾數(shù)偏低的流動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于模型，通常使用Enhanced wall Functions或Menter-Lechner；如果壁面函數(shù)與方程相似，用Scalable wall Function。Menter-Lechner函數(shù)利用一種新的低雷諾數(shù)公式，避免了湍流雷諾數(shù)劃分流態(tài)的一些缺點(diǎn)（湍動(dòng)能值極低的區(qū)域可能容易產(chǎn)生?200的湍流雷諾數(shù)）[12]。Spalart-Allmaras模型不再使用湍動(dòng)能和湍流耗散率計(jì)算渦黏性系數(shù)，而是直接導(dǎo)出渦黏性系數(shù)的輸運(yùn)方程，更適合平均流場(chǎng)中有劇烈變化的湍流。單翼迷宮式滴灌帶仿真模擬中SST低雷諾數(shù)紊流模型更接近物理試驗(yàn)值，說(shuō)明單翼迷宮式滴灌帶內(nèi)水流流動(dòng)屬于低雷諾數(shù)紊流，Aitmouheb等[22]、Demir等[23]研究也證明，迷宮通道內(nèi)的流動(dòng)具有相當(dāng)?shù)偷睦字Z數(shù)。SST可以更進(jìn)一步引入另一個(gè)湍流黏度限制的混合函數(shù)，對(duì)近壁區(qū)和湍流黏度進(jìn)行修正。

單翼迷宮式滴灌帶流道內(nèi)湍動(dòng)能隨著壓力的增加而增加，但湍動(dòng)能均較小，是由于流道尺寸小不具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性和耗散性，迎水區(qū)湍動(dòng)能較大，并隨著壓力的增加而增加[24]。迎水區(qū)湍動(dòng)能會(huì)隨著壓力的增加而增加，水流在梯形流道內(nèi)紊動(dòng)較低。

3.2 水沙兩相流流場(chǎng)規(guī)律

低速漩渦區(qū)易積累泥沙造成堵塞，設(shè)計(jì)滴灌帶結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減少低速漩渦區(qū)，鄭超[25]、劉春景[26]式滴灌帶流道內(nèi)泥沙顆粒質(zhì)量濃度較大的位置是圓管流道底部緩水區(qū)、進(jìn)水口及梯形流道近壁區(qū)。每次灌水前后應(yīng)當(dāng)對(duì)滴灌帶進(jìn)行沖沙處理，防止堵塞梯形流道不易沖出，這樣避免了再次灌溉時(shí)流量極不均勻的情況。

3.3 進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)對(duì)流道的影響

單翼迷宮式滴灌帶第5進(jìn)水口為主要進(jìn)水口，流量主要集中在靠近迷宮流道的進(jìn)水口，這與文獻(xiàn)[11]研究結(jié)果一致，單翼迷宮式滴灌帶渦流發(fā)生在流道低速區(qū)，在梯形流道上轉(zhuǎn)角和下轉(zhuǎn)角處易形成大小不一的漩渦，在渦流區(qū)分布范圍越大代表水流停留時(shí)間越長(zhǎng)，在此處易積累泥沙造成堵塞；此結(jié)論與文獻(xiàn)[20]研究結(jié)果一致，渦流增強(qiáng)流道內(nèi)水流的湍動(dòng)強(qiáng)度，提高水力性能，但同時(shí)增加了堵塞風(fēng)險(xiǎn)。梯形流道齒數(shù)越少，流道內(nèi)部流速越大，更有利于泥沙顆粒排出流道，可減少泥沙在流道內(nèi)部形成堵塞，因此在梯形迷宮流道尺寸相同時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用齒數(shù)較少滴灌帶進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。文獻(xiàn)[17]也同樣證明了單翼迷宮滴灌帶在梯形迷宮流道尺寸相同的情況下，抗堵塞性能會(huì)隨著梯形流道單元數(shù)的減少而提高。隨著流道單元數(shù)的增加消能效果越好[27]，但不利于懸浮顆粒的排出，會(huì)更容易發(fā)生物理堵塞、化學(xué)堵塞、生物堵塞和復(fù)合堵塞。

本研究的不足在于只研究30 cm的1個(gè)單翼迷宮式滴灌帶單元，忽略了長(zhǎng)度上沿程水頭損失帶來(lái)的壓力影響；未對(duì)單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)水口、梯形流道、出水口尺寸進(jìn)行研究。今后將從單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)出水口、梯形流道尺寸對(duì)抗堵塞性能的影響開(kāi)展研究工作。

4 結(jié)論

1）SST兩方程紊流模型更加適用于單翼迷宮式滴灌帶的數(shù)值模擬。仿真模擬精度表現(xiàn)為＞Laminar＞RNG，單翼迷宮式滴灌帶的流動(dòng)屬于低雷諾數(shù)紊流，主流區(qū)湍動(dòng)能較大。

2）大部分泥沙顆粒將沉積在圓管流道底部，少量泥沙顆粒會(huì)通過(guò)進(jìn)水口到梯形流道并沉積，只有極少泥沙顆粒會(huì)到達(dá)出水口。

3）進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)影響極小，對(duì)流量系數(shù)的影響顯著性表現(xiàn)為梯形流道齒數(shù)＞出水口數(shù)＞進(jìn)水口數(shù)；確定進(jìn)水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)、出水口數(shù)后，可根據(jù)=0.355 6-0.000 3-0.001 4+0.001 7計(jì)算流量系數(shù)，以此得到單翼迷宮式滴灌帶流量，再確定灌水時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的精準(zhǔn)灌溉；在梯形迷宮流道尺寸相同時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用齒數(shù)較少滴灌帶進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）

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Effects of the Number of Inlet and Outlet Ports and Trapezoidal Channel Teeth on Anti-clogging Performance of a Single-wing Labyrinth Drip Irrigation Belt

TAO Juanqin1,2, TAO Hongfei1,2*, LI Qiao1,2, LIU Yao1,2, ZHANG Hui1,2, MAHEMUJIANG·Aihemat1,2, JIANG Youwei1,2, YANG Wenxin1,2

(1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;2. Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention, Urumqi 830052, China)

【Objective】This paper is to study the effects of the number of water inlets, the number of teeth of the trapezoidal flow channel and the number of outlets on the anti-clogging performance of the single-wing labyrinth drip irrigation belt. We designed nine groups of working conditions for numerical simulation.【Method】Physical experiments, numerical simulations, linear mathematical models were used to study water and sand flow in a single-wing labyrinth drip irrigation belt when the flow rate was 1.8 L/h, as well as the influence of different inlet and outlet numbers and trapezoidal flow channel teeth on the flow index and flow coefficient of the drip irrigation belt.【Result】The SSTtwo-equation for low Reynolds number turbulence model is more suitable for numerical simulation of flow field in the single-wing labyrinth drip irrigation belt. From the inlet to the trapezoidal channel and then to the outlet, the mass concentration of sediment particles gradually decreases; the fifth water inlet of drip irrigation belt is the main water inlet, and the third water outlet is the main water outlet; the number of water inlets, trapezoidal channel teeth, and the number of water outlets have a minimal impact on flow regime index; the their impact on the flow coefficient is ranked in the order of trapezoidal channel teeth>number of water outlets>number of water inlets;a multivariate linear model between the flow coefficient and the three factors was constructed, with a decision coefficient being 0.987.【Conclusion】When the size of the trapezoidal labyrinth flow path is the same, the smaller the number of teeth in the trapezoidal flow path was, the greater the internal flow velocity in the flow path would be. This facilitates discharge of sediment particles from the flow path. The constructed flow coefficient and three factor formula can achieve accurate irrigation at the outlet location, making reasonable use of land resources.

single-wing labyrinth drip irrigation belt; SSTturbulence model; the two-phase flow of water and sand; number of water inlets; trapezoidal channel teeth; number of water outlets

1672 - 3317（2023）09 - 0053 - 08

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023053

陶娟琴, 陶洪飛, 李巧, 等. 單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)出水口數(shù)、梯形流道齒數(shù)對(duì)抗堵塞性能的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 53-60.

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2023-02-18

2023-05-05

2023-09-18

新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目（2022A02003-4）；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（XJAUGRI2022020）

陶娟琴（1997-），女。碩士研究生，主要從事節(jié)水新技術(shù)與新設(shè)備以及計(jì)算水力學(xué)研究。E-mail: 2665501228@qq.com

陶洪飛（1987-），男。副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水新技術(shù)與新設(shè)備以及計(jì)算水力學(xué)研究。E-mail: 304276290@qq.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開(kāi)放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：白芳芳