內(nèi)齒位置對雙向流道灌水器水力特性影響的數(shù)值模擬

摘要 在雙向流道灌水器加入1個或2個內(nèi)齒，構(gòu)成4種內(nèi)齒相對位置不同的單內(nèi)齒雙向流道灌水器和4種內(nèi)齒相對位置不同的雙內(nèi)齒雙向流道灌水器，以此探求加入內(nèi)齒前、后雙向流道灌水器水力性能的優(yōu)劣，對于每種灌水器，通過AutoCAD對灌水器流道進行三維建模，采用AnsysFluent對流道內(nèi)部流體的流動狀態(tài)進行水力性能模擬，計算流道的局部損失系數(shù)，同時通過回歸分析獲得其流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)。結(jié)果表明：改進型雙向流道的局部損失系數(shù)為11.24～56.89，與原雙向流道相比明顯提高；改進型雙向流道的流量系數(shù)均小于原雙向流道，當(dāng)單內(nèi)齒位置在支流道入口上時，流態(tài)指數(shù)最優(yōu)，相較于原雙向流道降低了5.6%；內(nèi)齒的位置可影響雙向水流配比，進而影響水力性能，驗證了主支流道不同流量比與水力性能的內(nèi)在關(guān)系。該研究可為雙向流道灌水器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、水力性能的提高提供參考。

關(guān)鍵詞 灌水器；雙向流道；內(nèi)齒位置；數(shù)值模擬；水力特性

中圖分類號 S27 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0167-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.041

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Numerical Simulation of the Influence of Inner Tooth Position on the Hydraulic Characteristics of Bidirectional Flow Channel Emitter

YU Dong-ping1， LI Hai-yang2， SUN Zhi-yong3 et al

（1.Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy Co.， Ltd.， Jinan， Shandong 250000;2. Dezhou Water Conservancy Bureau， Dezhou， Shandong 253000;3. China Construction Eighth Bureau First Construction Co.， Ltd.， Jinan， Shandong 250000）

Abstract One or two inner teeth were added to the bidirectional flow channel emitter to form four kinds of single inner tooth bidirectional flow channel emitters with different relative positions of inner teeth and four kinds of double inner tooth bidirectional flow channel emitters with different relative positions of inner teeth， so as to explore the tz+n1/0rhmYn8K5opnDSEQ==advantages and disadvantages of the hydraulic performance of the bidirectional flow channel emitters before and after the addition of inner teeth. For each emitter， the three-dimensional modeling of the flow channel of the emitter was carried out by AutoCAD， and the flow state of the fluid inside the flow channel was simulated by Ansys Fluent. The local loss coefficient of the flow channel was calculated， and the flow coefficient and flow index were obtained by regression analysis. The results show that the local loss coefficient of the improved bidirectional flow channel is 11.24-56.89， which is significantly higher than that of the original bidirectional flow channel. The flow coefficient of the improved bidirectional flow channel is smaller than that of the original bidirectional flow channel. When the single inner tooth is located at the inlet of the branch channel， the flow index is the best， which is 5.6% lower than that of the original bidirectional flow channel. The position of the inner tooth can affect the bidirectional flow ratio， which in turn affects the hydraulic performance， and verifies the internal relationship between the different flow ratios of the main and branch channels and the hydraulic performance. The research can provide reference for the structural optimization and hydraulic performance improvement of the bidirectional flow channel emitter.

Key words Emitter;Bidirectional flow channel;Internal tooth position;Numerical simulation;Hydraulic characteristics

基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0402809）；山東省省級水利科研與技術(shù)推廣項目（SDSLKY201703）。

作者簡介 于東平（1985—），女，山東棲霞人，高級工程師，碩士，從事水利規(guī)劃設(shè)計研究。

收稿日期 2023-09-09

滴灌是利用灌水器的消能作用將有壓水流變成滴水狀的一種灌水方式，灌水器的水力性能一直是設(shè)計研發(fā)的重要研究問題，流道結(jié)構(gòu)類型直接影響灌水器流態(tài)指數(shù)的大小，是反映其水力性能的重要因素。

迷宮式流道是最為廣泛的灌水器流道，部分學(xué)者研究齒間角［1］、齒寬［2］、齒轉(zhuǎn)角和齒間距［3］、雙內(nèi)齒［4］對迷宮流道水力性能的影響，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)和流態(tài)指數(shù)的關(guān)系。也有部分學(xué)者相繼提出了一些新型流道結(jié)構(gòu)，苑偉靜等［5］認為，迷宮流道只利用了流道的轉(zhuǎn)折，因此將漸縮、漸擴以及分流用到新型灌水器流道設(shè)計中，提出一種分流式灌水器。郭霖等［6-8］設(shè)計了一種可產(chǎn)生正反雙向流混摻等多種局部水頭損失形式共同作用的雙向?qū)_流滴灌灌水器，流態(tài)指數(shù)在0.5以下，具有良好的水力性能。邢少博等［9］基于植物木質(zhì)部導(dǎo)管中的梯狀有孔板輸水構(gòu)造設(shè)計，提出一種穿孔形流道，靠灌水器自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋渦提高灌水器的抗堵塞與消能效果。楚華麗等［10］借鑒流體力學(xué)中的卡門渦街形狀來設(shè)計滴灌灌水器的流道結(jié)構(gòu)，在正交試驗的基礎(chǔ)上采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，進行流道結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化，最終優(yōu)化得到的卡門渦街形流道具有良好的水力性能和抗堵塞性能。上述這些研究主要針對迷宮式流道、分流式流道和雙向流道，對于將迷宮流道的內(nèi)齒加至雙向流道，以及內(nèi)齒位置對于雙向流道水力性能的關(guān)系有待研究?；诖?，筆者以改進型雙向流道為研究對象，通過CFD數(shù)值模擬分析方法，研究內(nèi)齒位置對雙向流道灌水器水力性能的影響和灌水器流場分布，探究灌水器流態(tài)指數(shù)最優(yōu)時內(nèi)齒的位置和影響機理，為灌水器流道設(shè)計及研究提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 流道結(jié)構(gòu)改進

原雙向流道結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其工作原理為通過擋水件前端分叉角，將整體水流分成主流道水流和支流道水流，支流道水流受到擋水件回轉(zhuǎn)半徑的作用，改變流向，形成反向水流，在支流道出口正反雙向水流交匯，形成劇烈的對沖與混摻，產(chǎn)生局部水頭損失。改進時仍以原雙向流道為基礎(chǔ)，以充分發(fā)揮雙向流道水流混摻消能的機制為目的，在支流道入口處和出口處分別加入內(nèi)齒，促進支流道水流和主流道對沖水流增大，增大對沖消能效果，如圖1b所示。

1.2 灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)流道設(shè)計和工作原理可知，使得流道內(nèi)水流發(fā)生改變的結(jié)構(gòu)直接影響其水力性能。在原雙向流道的基礎(chǔ)上，在主流道分別加入2個、1個內(nèi)齒，形成4種內(nèi)齒相對位置不同的單內(nèi)齒雙向流道和4種內(nèi)齒相對位置不同的雙內(nèi)齒雙向流道，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

該研究灌水器流道截面為1 mm×1 mm，選取5個流道單元為研究對象，擋水件入口段長為5 mm、回轉(zhuǎn)半徑為1 mm、分叉角為45°、單元間距為1.5 mm，內(nèi)齒高為0.5 mm、寬為0.1 mm、角度為45°，流道單元結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

1.3 數(shù)值計算

1.3.1 數(shù)值模擬。利用CAD軟件可構(gòu)建流道三維模型，如圖3所示，并將流道三維模型導(dǎo)入到Ansysfluent前處理器Mesh進行網(wǎng)格劃分，流道網(wǎng)格單元選擇0.2 mm的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)大約為1×104，如圖4所示。數(shù)值計算采用定常的非耦合隱式算法，流道的進口邊界設(shè)置為壓力進口并按照壓力范圍19.6～98.0 kPa，每隔19.6 kPa壓力計算1次流量，灌水器的出口邊界設(shè)置為壓力出口，出口壓力為0，流道壁面采用標(biāo)準壁面函數(shù)法處理，壁面設(shè)為無滑移邊界，流體選取20 ℃水，標(biāo)準k-ε模型具有穩(wěn)定性、較高的計算精度、更易于收斂的優(yōu)點［11-12］。因此，數(shù)值模擬采用標(biāo)準k-ε模型，同時為了提高數(shù)值模擬的計算精度，壓力項等將默認的一階迎風(fēng)格式變?yōu)榫雀叩亩A迎風(fēng)格式，為使迭代計算盡可能減小誤差，殘差一般為10-5，并采用精度較高的Simple方式計算。

1.3.2 試驗驗證。為驗證模擬模型選取與計算精度的可靠性，對原雙向流灌水器進行灌水試驗。試驗在三峽大學(xué)水工廳進行，試驗裝置主要由供水箱、水泵、大量程壓力表、小量程壓力表、閥門、灌水器、量筒組成，如圖5所示。試驗首先將止水閥關(guān)閉，灌水器壓力由小量程壓力表測定，壓力表精度為0.1 kPa，壓差范圍0～98 kPa。通過調(diào)節(jié)壓力控制閥控制灌水器壓力，采用量筒容積法測量不同壓力下灌水器流量。將試驗所得流量實測值與模擬值進行對比分析，結(jié)果如圖6。實測值與模擬值誤差在10%之間，誤差在允許范圍內(nèi)，說明數(shù)值模擬可較好反映實際滴灌毛管及灌水器流場特性。

1.4 指標(biāo)測定與計算方法 為進一步驗證流道的消能效果，根據(jù)水力學(xué)理論和能量損失疊加原理得到流道的水頭損失：

hw=hf+hj（1）

由沿程水頭損失公式可知：

hf=λ·l4R·v22g（2）

局部水頭損失公式為：

hj=ξj·v22g（3）

矩形截面流道的水力半徑為：

R=Aχ=ab2（a+b）（4）

由Blasius公式可知：

λ=0.316 4Re0.25（5）

其中雷諾數(shù)Re可表示為：

Re=4ρvRμ（6）

式中：hw為水頭損失（m）；hf為沿程水頭損失（m）；hj為局部水頭損失（m）；ξj為局部損失系數(shù)；v為平均流速（m/s）；g為重力加速度，取10 m/s2；λ為摩阻系數(shù)；l為流道長度（m）；R為流道水力半徑（m）；A為流道截面面積（m2）；χ為濕周（m）；a和b為流道截面的寬和深（m）；ρ為水的密度（kg/m3）；μ為動力黏滯系數(shù)（N·s/m2）。

由能量守恒原理可知，進口總水頭H為：

H=hf+hj+v22g（7）

將式（2）、（5）、（6）聯(lián)立可知：

hf=0.316 4（4ρvRμ）0.25·l4R·v22g=ξf·v22g（8）

估算得到ξf的數(shù)量級為10-3，相對局部損失系數(shù)可忽略不計，因此進口總水頭可簡化為：

H=hj+v22g=ξj·v22g+v22g（9）

局部損失系數(shù)總和為：

ξj=2gHA2q2-1（10）

式中，q為灌水器流量（L/h）。

q=k·Hx（11）

式中：k為流量系數(shù)；H為入口壓力水頭或進水口壓力水頭（m）；x為流態(tài)指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)齒對流道局部損失系數(shù)的影響 在98 kPa入口壓力下，試驗方案1～8灌水器流道結(jié)構(gòu)局部損失系數(shù)為11.24～56.89，試驗方案9灌水器流道結(jié)構(gòu)局部損失系數(shù)為3.07，其計算結(jié)果見表2。由表2可知，增加內(nèi)齒后，流道局部水頭損失系數(shù)增大，雙內(nèi)齒增大率明顯高于單內(nèi)齒，試驗方案5局部損失系數(shù)達到最大值，相較于試驗方案9原雙向流道相比，增大了1 750.7%。并且傳統(tǒng)的迷宮流道的局部損失系數(shù)為11.96～24.95［13］，與其流道相比消能效果有所提高。

2.2 內(nèi)齒對流道水力性能的影響 對試驗方案９種灌水器流道，利用Ansysfluent分別對其在19.6、39.2、58.8、78.4、98.0 kPa 5個壓力水平條件下進行數(shù)值模擬計算，獲得灌水器流量，應(yīng)用Excel軟件，依據(jù)式（11）分別對各組合方案的壓力水頭及流量數(shù)據(jù)進行曲線擬合（圖7），得到公式中的參數(shù)x和k，在相同壓力水頭下，加入內(nèi)齒，流道流量明顯降低，這可初步說明內(nèi)齒對流道水力性能產(chǎn)生了影響。

由表3流量系數(shù)可知，試驗方案9原雙向流道的流量系數(shù)為7.585，而加入內(nèi)齒的雙向流道的流量系數(shù)明顯小于原雙向流道，其中單內(nèi)齒雙向流道的流量系數(shù)為原雙向流道的50%左右，雙內(nèi)齒雙向流道的流量系數(shù)為原雙向流道的40%左右，最小流量系數(shù)是內(nèi)齒布置在支流道入口上和出口上的雙內(nèi)齒雙向流道，流量系數(shù)為2.126，較原雙向流道減小了71.97%。

由表3流態(tài)指數(shù)可知，試驗方案9原雙向流道的流態(tài)指數(shù)為0.518，與加入內(nèi)齒的雙向流道的流態(tài)指數(shù)有明顯的差異；在單內(nèi)齒雙向流道中，內(nèi)齒布置在支流道出口上下，對流態(tài)指數(shù)無明顯的影響，內(nèi)齒布置在支流道入口上時，流態(tài)指數(shù)最小為0.489，相較于原雙向流道降低了5.6%，流態(tài)指數(shù)在0.5以下，水力性能較優(yōu)，而內(nèi)齒布置在支流道入口下的單內(nèi)齒雙向流道流態(tài)指數(shù)略微增大；雙內(nèi)齒雙向流道的流態(tài)指數(shù)均小于原雙向流道，當(dāng)內(nèi)齒布置在支流道入口上和出口上時，流態(tài)指數(shù)最小為0.494，相較于原雙向流道降低了4.6%，但相比單內(nèi)齒布置在支流道入口上時，流態(tài)指數(shù)略微增大。

因此，在雙向流道設(shè)計時可在支流道入口上布置內(nèi)齒，使得流道流態(tài)指數(shù)較小，同時流量的波動較小，水力性能更優(yōu)良。

2.3 灌水器流道流場分析

選擇試驗方案9、單內(nèi)齒流態(tài)指數(shù)最小的試驗方案1和雙內(nèi)齒流態(tài)指數(shù)最小的試驗方案5對流場流速分布與消能機理進行分析。圖8a為試驗方案1、5和9流道在58.8 kPa壓力下的流場速度分布圖，從方案1和方案9流場速度分布來看，位于支流道入口上的內(nèi)齒，促進主流道水流進入支流道，增大支流道出口處的對沖效果，同時由于主流道增加了內(nèi)齒，導(dǎo)致主流道增加內(nèi)齒側(cè)出現(xiàn)較大漩渦低速區(qū)，兩者混摻劇烈，形成較大的能量損失；從方案1和方案5流場速度分布來看，位于支流道出口上的內(nèi)齒，使得大部分主流道水流流向下個單元的支流道，支流道成為主流區(qū)，增大了沿程水頭損失，但對沖混摻效果減弱，這是造成方案5流態(tài)指數(shù)大于方案1的主要原因。

通過Ansysfluent軟件中的速度場計算以及Tecplot速度提取功能可得到第三流道單元主支流道截面的正反向水流的平均流速，試驗方案9主流道水流流速為5.054 m/s，支流道水流流速為0.274 m/s，由于主支流道橫截面相同，所以主流道水流的流量遠大于支流道的流量；試驗方案5主流道水流流速為0.232 m/s，支流道水流流速為1.200 m/s，即支流道水流的流量遠大于主流道的流量；試驗方案1主流道水流流速為0.881 m/s，支流道水流流速為1.927 m/s，相較于試驗方案9和試驗方案5，主支流道的流量較為接近。由于主支流道水流的對沖混摻是消能紊流的核心，主支流道流量越接近，灌水器的水力性能越好。這與部分研究結(jié)果相同，郭霖等［6］對雙向?qū)_流灌水器研究，認為正向和反向水流的流量比趨近1，則流態(tài)指數(shù)越小，水力性能越好。

由圖8b可知，不同試驗方案流道沿程壓力遞減的趨勢相近，在各級支流道出口段均出現(xiàn)較大的壓降，這是由于主支流道對沖混摻，增大了局部水頭損失，在流道單元首端的末端產(chǎn)生較大的壓差。從圖8a和圖8b對比看出，流速越小的區(qū)域其壓強越大。這與部分研究結(jié)果相同，張軍［14］對新型果樹根灌器研究，認為這是由于流道內(nèi)的流體機械能守恒，當(dāng)忽略重力勢能的影響時，流速越大的區(qū)域其壓強越小。

3 結(jié)論

（1）筆者對原雙向流道加入內(nèi)齒改進，設(shè)計了一種改進型雙向流道滴灌灌水器。10 m壓力水頭局部損失系數(shù)為11.24～56.89，與原雙向流道和傳統(tǒng)迷宮流道相比消能效果明顯提高，表明改進型雙向流道灌水器結(jié)構(gòu)較為合理，有一定的應(yīng)用前景。

（2）采用數(shù)值模擬獲得各組合方案灌水器的流量系數(shù)為2.126～7.585，其中單內(nèi)齒雙向流道的流量系數(shù)為原雙向流道的50%左右，雙內(nèi)齒雙向流道的流量系數(shù)為原雙向流道的40%左右；流態(tài)指數(shù)有明顯的差異，其中單內(nèi)齒布置在入口上，流態(tài)指數(shù)最小為0.489，相較于原雙向流道降低了5.6%，雙內(nèi)齒雙向流道的流態(tài)指數(shù)均小于原雙向流道。

（3）利用CFD軟件和Tecplot速度提取功能對流道流場進行可視化研究。流道形成正向和反向水流的對沖混摻，是消能的本質(zhì)，在支流道入口上布置內(nèi)齒，可適度加快反向水流流量，提高水力性能，但支流道入口上出口上均布置內(nèi)齒時，反向水流流量過大時，支流道水流成為主流區(qū)，正反向水流對沖混摻效果減弱，從微觀角度解釋了內(nèi)齒位置對雙向流道的影響機理。

筆者通過對原雙向流道加入內(nèi)齒，設(shè)計出一種改進型雙向流道，初步探明在支流道入口上加入內(nèi)齒可適度加快反向水流流量，對提高其水力性能和消能機理的研究有一定的參考價值，有深入研究的必要。

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