基于沙粒運動特性的分流對沖式滴頭抗堵優(yōu)化

摘要：針對灌溉水源泥沙含量高導(dǎo)致灌水器易堵塞的難題，對分流對沖式滴灌灌水器開展抗堵塞優(yōu)化研究.通過短周期渾水試驗確定出易造成灌水器堵塞的沙粒敏感粒徑區(qū)間，應(yīng)用CFD模擬分析流道的流場分布和敏感粒徑區(qū)間沙粒的運移特性，最后根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果劃分出流道邊壁中的敏感區(qū)域并據(jù)此開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化.結(jié)果表明：沙粒粒徑越大，跟隨性越差，造成灌水器堵塞的進程越快，0.10 mm以上的沙粒極易造成灌水器的堵塞.流道邊壁上存在敏感區(qū)域，沙粒與敏感區(qū)域發(fā)生碰撞后其運動方向會發(fā)生改變并進入旋渦區(qū)聚集，導(dǎo)致流道被堵塞的風(fēng)險顯著增加.針對流道邊壁敏感區(qū)域開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化可顯著改善沙粒的運移特性，使沙粒能夠順暢通過灌水器內(nèi)部的流道單元，優(yōu)化后灌水器的水力性能降低1.5%，但其抗堵塞性能大幅提高30.0%～60.0%.基于沙粒運動特性提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可為灌水器流道的抗堵優(yōu)化設(shè)計提供參考.

關(guān)鍵詞：分流對沖式灌水器；沙粒粒徑；抗堵性能；水力性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：S277.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8530（2024）09-0914-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0233

秦程，呂德生，王振華，等.基于沙粒運動特性的分流對沖式滴頭抗堵優(yōu)化[J].排灌機械工程學(xué)報，2024，42（9）：914-920.

QIN Cheng， LYU Desheng， WANG Zhenghua， et al. Optimization of anti-clogging for shunt-hedging dripper based on motion cha-racteristics of sand particle[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（9）：914-920.（in Chinese）

Optimization of anti-clogging for shunt-hedging dripper based

on motion characteristics of sand particle

QIN Cheng^{1，2，3}， LYU Desheng^1，2，3*， WANG Zhenghua^1，2，3， LIU Ningning^{1，2，3}，

ZHANG Dongnan^{1，2，3}， LI Jiayang^1，2，3

（1. College of Water and Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832000， China; 2. Key Laboratory of Modern Water Saving Irrigation of the Xinjiang Production amp; Construction Corps， Shihezi， Xinjiang 832000， China; 3. Corps Industrial Technology Research Institute， Shihezi， Xinjiang 832000， China）

Abstract： Aiming at the problem that the emitter was easy to be blocked due to the high sediment content in the irrigation water source， the optimization of anti-clogging for shunt-hedging drip irrigation emitters was carried out. The sensitive diameter ranges of sand particles that was easy to block the emitter was determined through the short-cycle anti-clogging tests. Computational fluid dynamics （CFD） method was applied to analyze the flow field distribution in the flow channel and the motion characteristics of sand particles within the sensitive diameter range. Finally， the sensitive areas in the flow channel boundary was divided according to the numerical simulation results， and the structure optimization was carried out. The results show that the larger the sand particle size， the worse its followability and the faster the process of blocking the emitters. Sand particles with a diameter greater than 0.10 mm can easily cause blockage of the emitter. There are sensitive areas on the boundary of the flow channel. When the sand particles collides with the sensitive areas， their movement direction will be changed and it will enter the vortex area to aggregate， resulting a significant increase in the risk of the flow channel blockage. The structure optimization aimed at the sensitive area improves the motion characteristics of sand particles. After optimization the hydraulic performance of the optimized emitter is slightly reduced by 1.5%， but its anti-clogging performance is greatly improved by 30.0%-60.0%. The structure optimization scheme based on the sand movement characteristics can provide a reference for the anti-clogging optimization design of the flow channel of the emitter.

Key words： shunt-hedging emitter；sand particle size；anti-clogging performance；hydraulic performance；structure optimization

為緩解中國干旱半干旱地區(qū)灌溉用水日益緊張的局面，使用高含沙水作為滴灌水源成為了有效途徑之一^[1].但灌水器的堵塞問題也接踵而至，如何減緩灌水器堵塞成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點.

無機顆粒物質(zhì)造成的物理堵塞是引起灌水器堵塞的最主要原因^[2-3].目前解決灌水器堵塞的措施可分為2大類：① 外部措施，即在滴灌系統(tǒng)首部，通過沉淀、過濾等措施，控制水源中泥沙粒徑大小、含沙量，但含沙水經(jīng)處理后，仍有部分細小沙粒進入灌水器流道，在流道中沉積或固結(jié)于流道壁面導(dǎo)致灌水器堵塞^[1，4].② 內(nèi)部措施，即改變灌水器內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)形狀，對流道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升其抗堵塞性能.近幾年，CFD數(shù)值模擬因其周期短、可靠的特點而被大量學(xué)者廣泛運用于灌水器流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究^[5].魏正英等^[6]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果消除流道內(nèi)的低速區(qū)和旋渦區(qū)以提升灌水器的抗堵塞性能.牛文全等^[7]根據(jù)二相流模型的模擬結(jié)果提出以含沙量較小的等值線作為邊界，以減少泥沙顆粒的淤積堵塞.YANG等^[8]根據(jù)CFD軟件的模擬結(jié)果，提出以湍動能值較小處作為流道邊界，提高流場紊流程度以延緩灌水器的堵塞.這些研究對于提升灌水器的抗堵塞性能具有一定作用，但損失了較多的水力性能^[6]，且優(yōu)化后的流道邊界形狀復(fù)雜難以制造加工^[7].事實上，灌溉水源中有很多的微小懸浮顆粒，盡管通過各種工程措施可以有效控制顆粒物的含量，但卻無法完全去除^[9].使沙?？焖?、穩(wěn)定地通過所有流道單元能有效提升灌水器的抗堵塞性能.

綜上，文中對分流對沖式滴灌灌水器進行短周期抗堵塞試驗，確定容易導(dǎo)致流道堵塞的敏感粒徑區(qū)間.借助數(shù)值模擬的方法研究敏感粒徑區(qū)間沙粒的運動特性，確定流道邊壁上敏感區(qū)域的分布位置并對流道開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而為灌水器流道的抗堵優(yōu)化設(shè)計提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

分流對沖式流道及其灌水器由8個“回”字形流道單元組成，每個流道單元深0.8 mm，寬2.6 mm，包含一個“D”字形分流部件和對稱分布的2個圓弧式導(dǎo)流部件.流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示.

圖2為灌水器的性能試驗平臺，水箱容積為0.8 m×0.8 m×0.3 m并配有攪拌棒，灌水器流量測量部分的管道每15 cm設(shè)置1個出水孔用于安裝灌水器試件，可同時供6個試件進行試驗.開展試驗時，優(yōu)化前、后分流對沖式灌水器均設(shè)置3個試件（3個重復(fù)）進行試驗，所有試件由高精度3D打印機制作，打印精度0.05 mm，經(jīng)電子顯微鏡測量滿足試驗要求.清水試驗下，灌水器進口的相對壓力區(qū)間為0.05～0.20 MPa，壓力梯度為0.01 MPa，出口為自由出流，即0.每次灌水5 min，取3個試件的平均流量值作為流量試驗值.渾水試驗的泥沙取自當?shù)噩敿{斯河流域并參照現(xiàn)有滴頭的敏感粒徑區(qū)間將河沙劃分為D1：（0.100，0.150] mm，D2：（0.075，0.100] mm，D3：（0.063，0.075] mm，D4：（0.045，0.063] mm，D5：（0.031，0.045] mm和D6：≤0.031 mm.因瑪納斯河流域常年泥沙含量為3 g/L且周邊團場過濾系統(tǒng)不完善，存在直接從渠道引水進行灌溉的現(xiàn)象，故配置濃度為3 g/L的渾水進行試驗，并使用攪拌棒攪拌渾水以保證試驗中泥沙濃度始終均勻.渾水試驗包括D1—D6單粒徑組沙粒的渾水試驗和D1—D6粒徑組沙粒1∶1∶1等質(zhì)量混合后級配均勻的渾水試驗，共計7組.采用間歇性渾水滴灌測試方法，在0.10 MPa的相對進口壓力下，每次灌水30 min，在最后5 min記錄流量值，間隔6 h后再進行下一次灌水，計劃灌水25次.

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 網(wǎng)格劃分

采用NX 12.0和ANSYS Workbench分別對流道進行建模和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.由于流道中存在狹縫和圓弧，選擇狹縫加曲率函數(shù)進行整體網(wǎng)格劃分，并對流道近壁區(qū)網(wǎng)格進行加密，以更準確地模擬近壁區(qū)的流動狀況.為保證數(shù)值模擬的準確性，在0.10 MPa的進口壓力下，采用整體逐漸加密的方法進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，如圖3所示.

當網(wǎng)格數(shù)量N達到94萬后，灌水器的流量Q模擬值不會因為網(wǎng)格數(shù)量的變化而產(chǎn)生明顯變化.最終選定網(wǎng)格最大尺寸為0.036 mm，網(wǎng)格數(shù)量為94萬的模型進行數(shù)值模擬計算.

1.2.2 邊界條件

在灌水器的流場計算中，選用標準k-ε紊流模型，壁面采用無滑移壁面條件，進、出口分別設(shè)置為壓力進、出口.進口的相對壓力區(qū)間為0.05～0.20 MPa，壓力梯度為0.01 MPa，出口為自由出流.采用“SIMPLIC”算法耦合速度和壓力，對流相等參數(shù)的離散均采用二階迎風(fēng)格式，收斂精度設(shè)置為10^-5.如圖4所示，在進口處為入射顆粒設(shè)置了6個位置分別入射，采用DPM模型模擬0.10 MPa的進口壓力下單個沙粒在流道內(nèi)的運動軌跡及其速度變化規(guī)律.顆粒密度設(shè)置為2 500 kg/m³，將流體視作連續(xù)相，沙粒視作離散相，考慮到流體湍流脈動引起的顆粒擴散，開啟雙向耦合計算^[8]，此外，如圖4所示的顆粒運動過程中周圍流體在外力的作用下會隨著顆粒作同向運動，周圍流體的范圍約為10倍顆粒的直徑，會對顆粒產(chǎn)生虛擬質(zhì)量力.因此綜合考慮虛擬質(zhì)量力、重力、浮力和曳力等，采用隨機軌道模型對沙粒的運動規(guī)律進行求解^[10].

1.3 試驗驗證

采用清水進行試驗以驗證文中所選用的數(shù)值方法的可靠性.如圖5所示，0.04～0.20 MPa進口壓力下，流量試驗值與模擬值的誤差在1.32%～3.21%內(nèi)，符合誤差要求，充分證明了文中數(shù)值模擬方法、結(jié)果及精度的準確性.

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化前流道的流場分布特性

在0.10 MPa的相對進口壓力下，通過數(shù)值模擬得到清水條件下流道中深截面處的速度云圖，如圖6所示.模擬結(jié)果表明，每個流道單元內(nèi)的速度分布一致，定義導(dǎo)流件背部為旋渦區(qū)I，分流件背部為旋渦區(qū)Ⅱ，其余區(qū)域為主流區(qū)Ⅲ，其中水流對沖區(qū)為區(qū)域Ⅲ^*.旋渦區(qū)的流速普遍較低，泥沙顆粒發(fā)生沉積的概率較大^[11].相較而言，由直角邊壁包圍形成的旋渦區(qū)I不僅促使沙粒穩(wěn)定地沉積，而且沙粒在大旋渦的作用下還會互相黏結(jié)形成團聚體，造成灌水器堵塞的風(fēng)險增高.

2.2 沙粒粒徑對灌水器堵塞的影響

在0.10 MPa的相對進口壓力下，開展短周期渾水試驗，記錄不同灌水次數(shù)下對應(yīng)的渾水流量q_i與初始清水流量q₀的比值稱為相對流量q_r，當q_r＜75%，則認為灌水器發(fā)生嚴重堵塞^[12]，計算式為

q_r=q_iq₀×100%．（1）

流道發(fā)生堵塞時所經(jīng)歷灌水次數(shù)越少，說明該粒徑段的沙粒造成灌水器堵塞所需要的時間周期越短，也就越容易造成灌水器堵塞.圖7為不同粒徑段下優(yōu)化前不同灌水次數(shù)n分流對沖式灌水器的相對流量變化.試驗結(jié)果表明，D1—D5粒徑組的渾水分別在第10，12，16，18，15次灌水后造成灌水器堵塞；而D6粒徑組的渾水在第25次灌水后未造成灌水器堵塞，其相對流量仍在78%以上.由此可知，沙粒粒徑越大越容易堵塞灌水器.

采用SPSS22.0統(tǒng)計軟件分析6種粒徑組泥沙顆粒對灌水器堵塞影響，以平均每次灌水相對流量變化率作為方差分析的因變量，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，粒徑對堵塞的影響存在顯著性的差異（P＜0.05），并將D1，D2劃分為極易堵塞沙粒組，D3，D4，D5劃分為易堵塞沙粒組，粒徑D6劃分為難堵塞沙粒組.

圖8為不同粒徑組沙粒造成分流對沖式流道堵塞的實物圖.

圖8a，8b顯示，極易堵塞粒徑組沙粒一方面主要沉積于旋渦區(qū)Ⅰ；另一方面有部分沙粒在流道主流區(qū)截面位置處出現(xiàn)集中堆積，這是因為沙粒的濃度和粒徑較大，當其短時間內(nèi)大量且集中地通過主流區(qū)狹小流道截面時，會阻塞該截面進而導(dǎo)致流道的快速堵塞.圖8c，8d和8e顯示，旋渦區(qū)I是易堵塞沙粒組沙粒沉積的主要位置，隨著灌水次數(shù)的增加，沙粒不斷沉積使灌水器的相對流量逐漸下降直至堵塞.從圖8g可以看出，由于難堵塞沙粒組沙粒較為細小，對水流的跟隨性較好易隨水流出，難以造成流道堵塞，但旋渦區(qū)Ⅰ仍是沙粒聚集的主要區(qū)域.綜上所述并結(jié)合流場分布（見圖6）來看，相較于狹長的旋渦區(qū)Ⅱ，沙粒更容易在寬大的旋渦區(qū)Ⅰ沉積并發(fā)展為較大的塊團，流道拐角處的低速旋渦區(qū)Ⅰ是導(dǎo)致流道堵塞的高風(fēng)險位置.

2.3 敏感粒徑沙粒運動特性

在0.10 MPa的相對進口壓力下，開展DPM數(shù)值模擬，設(shè)置直徑分別為0.10，0.15 mm的顆粒模擬極易堵塞沙粒組中單個沙粒的運動特性，直徑為0.05 mm的顆粒模擬其余粒徑組中的單個沙粒的運動特性作為對照參考.結(jié)果表明，6個入射位置下0.05，0.10和0.15 mm沙粒流出流道所經(jīng)歷的平均運移路程分別為47.72，56.32和62.87 mm，進入旋渦區(qū)的總次數(shù)分別為3，18和24.由此可知，隨著沙粒直徑的增大，沙粒在旋渦區(qū)運動的路程增多.由于不同位置下入射的沙粒其運動特性相似，以O(shè)處入射的沙粒為例做具體分析，圖9為俯視及側(cè)視方向沙粒的運動軌跡和沙粒與周圍流體的速度變化，圖中v為流速，l為流道長度.0.05 mm沙粒存在比周圍流體速度大的現(xiàn)象，這是因為在水流裹攜沙粒與流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)撞擊時，水流受壁面摩擦力和黏滯力的影響，動能被充分損耗形成局部水頭損失，而細小顆粒質(zhì)量輕、慣性小，與壁面撞擊后能夠改變方向繼續(xù)運動，較好地保留了動能.0.01和0.15 mm沙粒在運動過程中懸浮效果較差，在自身重力作用下會與流道底部持續(xù)摩擦，致使其運動速度往往低于周圍流體速度.當沙粒直徑為0.05 mm時，其運動軌跡光滑有規(guī)律，速度均值為2.25 m/s，沙粒速度與周圍流體速度高度重合，沙粒與水流的運動一致性較好；當沙粒直徑為0.10 mm時，其運動軌跡變得混亂，速度均值為1.90 m/s，沙粒速度與周圍流體速度間的偏差增大，與流道邊壁發(fā)生碰撞后開始脫離主流區(qū)運動；當沙粒直徑為0.15 mm時，其運動軌跡雜亂無章，速度均值為1.56 m/s，沙粒速度與周圍流體在速度上出現(xiàn)明顯偏差.由此可知，隨著沙粒直徑的增大，沙粒與周圍流體間的速度偏差增大，平均速度減小，此結(jié)果與唐學(xué)林等^[10]的模擬結(jié)果一致.這是因為沙粒直徑越大，在運動中受到的阻力越大，導(dǎo)致水流的裹攜作用減弱，沙粒的跟隨性變差.

在沙粒運動軌跡的數(shù)值模擬中，每種粒徑沙粒在流道進口處均設(shè)置有6個不同入射位置，而流道含有8個流道單元，從而得到不同粒徑沙粒在48個流道單元中的運動軌跡.如圖10所示，模擬結(jié)果顯示流道邊壁上存在敏感區(qū)域，與之碰撞的大沙粒更容易改變運動方向進入旋渦區(qū)，甚至在旋渦區(qū)重復(fù)做渦團運動難以逃逸.將分流部件迎水面定義為面A，旋渦區(qū)I的邊界定義為面B，C，以面B，C的交點和面A端點分別為起始點記錄3個面上沙粒的碰撞位置，篩選出導(dǎo)致沙粒進入旋渦區(qū)I聚集的最遠碰撞點分別為L_A，max=0.58 mm，L_B，max=0.64 mm和L_C，max=0.90 mm.統(tǒng)計不同粒徑沙粒在48個流道單元中的運動軌跡發(fā)現(xiàn)，0.05，0.10和0.15 mm沙粒與面A的敏感區(qū)域碰撞后進入旋渦區(qū)I的概率分別為9.1%，72.2%和87.5%，在面B，C敏感區(qū)域作用下二次進入旋渦區(qū)I的概率為100.0%.沙粒粒徑越大，受敏感區(qū)域影響而沉積于旋渦區(qū)I的概率越高，堵塞流道所需周期就越短，這與渾水試驗結(jié)果一致.

2.4 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進分析

針對敏感區(qū)域開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使沙粒順利通過整個流道有助于提升灌水器的抗堵塞性能.圖11為流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖，整個優(yōu)化過程均采用直線幾何的方式進行優(yōu)化處理，以保留更多的流道空間并方便加工制造.首先，對壁面A的敏感區(qū)域進行徑向削除，以防止沙粒與敏感區(qū)域碰撞后進入旋渦區(qū)I.考慮到壁面A的分流和消能作用，在優(yōu)化時不應(yīng)破壞其基本功能.因此，計算面A敏感區(qū)域內(nèi)沙粒碰撞位置的平均值，得到L_A=0.39 mm，由此確定面A的優(yōu)化區(qū)域為0≤L_A≤0.39 mm，其削除角度θ=41°與L_A=0.39 mm位置處的流場局部速度矢量一致，確保優(yōu)化后的邊壁形狀與沙粒的運動方向一致以適應(yīng)其后續(xù)運動.由于面B，C敏感區(qū)域造成沙粒二次進入旋渦區(qū)Ⅰ的概率為100%，因此，將面B，C敏感區(qū)域0≤L_B≤0.64 mm和0≤L_C≤0.90 mm構(gòu)成的直角三角形空間所覆蓋的低速旋渦區(qū)全部填充.

在0.10 MPa的相對進口壓力下，對優(yōu)化后的流道再次開展數(shù)值模擬，圖12為優(yōu)化后分流對沖式流道的流場分布和沙粒運動軌跡圖.模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后流道的主流區(qū)占比增加21%，沙粒能夠更好地隨主流區(qū)運動.0.05，0.10和0.15 mm沙粒在優(yōu)化后流道中的平均運移距離分別為44.78，43.28和42.65 mm，進入旋渦區(qū)的總次數(shù)分別為3，2和2，沙粒與水流的運動有著較好的一致性.

通過清水物理試驗分析優(yōu)化前、后分流對沖式灌水器的水力性能變化.將不同壓力值h對應(yīng)的流量實測值q進行擬合可以得到灌水器的流態(tài)指數(shù)，擬合公式為

q=kh^x.（2）

流態(tài)指數(shù)越小代表灌水器的水力性能越好.圖13為灌水器的水力特性曲線圖，擬合得到優(yōu)化前、后灌水器的流態(tài)指數(shù)為分別為0.479和0.486，優(yōu)化后灌水器的流態(tài)指數(shù)增大0.007，水力性能僅下降1.5%.

通過短周期渾水試驗分析優(yōu)化前、后分流對沖式灌水器的抗堵塞性能變化.圖14a為單粒徑組渾水試驗下優(yōu)化后灌水器的相對流量變化，粒徑組D1—D5的渾水分別在第14，18，22，24和23次灌水后造成優(yōu)化后流道堵塞；粒徑組D6的渾水在第25次灌水后未造成優(yōu)化后流道的堵塞，其相對流量仍在84%以上.圖14b為泥沙級配均衡條件下優(yōu)化前、后灌水器的相對流量變化，優(yōu)化前、后的灌水器分別在第15，24次灌水后發(fā)生堵塞.試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后灌水器的水力性能僅下降1.5%，但針對不同粒徑沙粒，其抗堵塞性能提升30.0%～53.3%；在泥沙級配均衡的條件下，抗堵塞性能提升了60.0%.結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具備可行性.

3 結(jié) 論

1） 沙粒粒徑越大，越容易造成灌水器的堵塞.0.100～0.150 mm的大沙粒在流道中快速堆積沉降導(dǎo)致灌水器快速堵塞；0.031～0.100 mm的沙粒不斷沉積于旋渦區(qū)致使灌水器逐漸堵塞；小于0.031 mm的沙粒跟隨性較好，不易造成灌水器的堵塞.

2） 沙粒粒徑越大，跟隨性越差.沙粒與流道邊壁上的敏感區(qū)域發(fā)生碰撞后，導(dǎo)致運動方向突變并進入旋渦區(qū)沉積，這是造成分流對沖式流道堵塞的主要原因.

3） 基于敏感粒徑沙粒的運動特性對流道開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得分流對沖式流道的主流區(qū)占比增加21%，沙粒在流道中的運移距離及進入旋渦區(qū)的次數(shù)明顯減少.灌水器水力性能降低了1.5%，抗堵塞性能大幅提升30.0%～53.3%，優(yōu)化方案具有可行性.

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（責(zé)任編輯 談國鵬）