基于空化模型的文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)分析

李 浩，黃修橋，呂謀超，韓啟彪，孫 浩，段福義(.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.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 2203)

0 引 言

在糧食生產(chǎn)過(guò)程中，科學(xué)運(yùn)籌水肥資源是農(nóng)作物獲得豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保證。因此，具有顯著的節(jié)水、節(jié)肥、高效環(huán)保的水肥一體化技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇。目前灌溉中常見(jiàn)的水肥一體化裝置主要有壓差施肥罐、文丘里施肥器、注肥泵、自動(dòng)注肥機(jī)等。而文丘里施肥器以其價(jià)格低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在園林、園藝和設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面。

盡管文丘里施肥器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件[1-3]，但是其工作過(guò)程涉及兩種液體混合，導(dǎo)致其內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，能量損失較大[4]。因此，對(duì)文丘里施肥器性能分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化成為研究工作的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者熱衷于通過(guò)數(shù)值模擬[5-7]與物理試驗(yàn)[8-10]的方法對(duì)其展開(kāi)研究。另外，由于文丘里施肥器的特殊結(jié)構(gòu)，其在吸肥過(guò)程中極易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，因此，有學(xué)者通過(guò)高速攝影等試驗(yàn)的方法研究了空化現(xiàn)象對(duì)文丘里施肥器吸肥性能的影響[11,12]。然而，文丘里施肥器空化過(guò)程中，其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律及水肥混合過(guò)程有待進(jìn)一步研究。本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)，利用Fluent軟件對(duì)文丘里施肥器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，并對(duì)施肥器內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律與混合過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)文丘里施肥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在水利部節(jié)水灌溉設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行。試驗(yàn)裝置采用閉式布置方式，由智能恒壓變頻供水箱、肥液桶、閥門、流量計(jì)、壓力表等組成。其中，智能恒壓變頻水箱為系統(tǒng)提供工作介質(zhì)(清水)和動(dòng)力，流量計(jì)和壓力表分布用于測(cè)量施肥器前后流量和壓力。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制閥門的開(kāi)度調(diào)節(jié)文丘里施肥器兩端壓差，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1-智能恒壓變頻供水箱；2-閥門1；3-流量計(jì)1；4-壓力表1；5-文丘里施肥器；6-壓力表2；7-流量計(jì)2；8-閥門2；9-閥門3；10-肥液桶圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental system

本文以Mazzei 1078型文丘里施肥器為研究對(duì)象，按水流方向，計(jì)算域包括：進(jìn)水口，收縮段，混合室，吸肥口，喉管，擴(kuò)散段，出水口。其中，進(jìn)口直徑d1=20 mm,出口直徑d2=d1=20 mm,吸肥口直徑d3=17.5 mm，喉管直徑dh=8 mm,收縮角α=41°，擴(kuò)散角β=14°，進(jìn)口直管段長(zhǎng)度l1=59.5 mm,喉管長(zhǎng)度lh=5 mm,出口長(zhǎng)直管段l2=80 mm. 施肥器計(jì)算模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖2 文丘里施肥器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Configuration of the venturi injector

2 數(shù)值計(jì)算模型及方法

采用ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為966240。采用Ansys Fluent 17.2商業(yè)CFD軟件，基于不可壓縮流動(dòng)的假設(shè)，對(duì)文丘里施肥器在不同工況下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用雷諾平均法，以有限體積法在空間域上對(duì)控制方程進(jìn)行離散，并采用SIMPLE壓力修正算法求解速度和壓力耦合問(wèn)題。同時(shí)，選取standardk-ε湍流模型，基于mixture多相流模型對(duì)文丘里施肥器進(jìn)行數(shù)值模擬。另外，分別在進(jìn)水口和出水口施加壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件；對(duì)吸肥口施加壓力進(jìn)口邊界，同時(shí)設(shè)置壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。此外，壁面邊界采用標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件，計(jì)算殘差設(shè)置為10-5。施肥器計(jì)算域網(wǎng)格和邊界條件如圖3所示。

圖3 文丘里施肥器計(jì)算域網(wǎng)格和邊界條件Fig.3 Computional grids and boundary conditions

為了進(jìn)一步分析肥液的混合過(guò)程，計(jì)算時(shí)，在mixture模型中分別將工作介質(zhì)water-liquid設(shè)置為primary phase，urea、water-vapor設(shè)置為secondary phase。為了保證數(shù)值模擬的精度，首先在不打開(kāi)空化模型的基礎(chǔ)上對(duì)施肥器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算收斂后，激活基于Rayleigh-Plesset方程的Zwart -Gerber Belamari空化模型繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，直至計(jì)算重新收斂。

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)測(cè)試了文丘里施肥器在工作壓力P1=350 kPa時(shí)6個(gè)不同出口壓力(P2=140、150、175、200、225、250 kPa)下的水力性能，并在該6個(gè)工況下對(duì)文丘里施肥器開(kāi)展數(shù)值模擬。性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比曲線如圖4所示。

由圖4可知，在較小壓差條件下(ΔP≤175 kPa)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)得到的性能曲線趨勢(shì)一致；隨著壓力差的增大，未激活空化模型的數(shù)值模擬結(jié)果試驗(yàn)性能曲線存在顯著差異，特別是在大壓差情況下(ΔP=210 kPa)，偏差大大增加，約為試驗(yàn)結(jié)果的16.3%；而激活空化模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好。這是因?yàn)椋趬翰钤龃蟮那闆r下，文丘里施肥器很容易產(chǎn)生局部壓力達(dá)到在相應(yīng)的溫度下液體的飽和蒸汽壓，從而發(fā)生空化現(xiàn)象，使得工作液體和肥液的混合情況更為復(fù)雜。因此，常規(guī)的計(jì)算模型無(wú)法正確模擬此時(shí)文丘里施肥器的內(nèi)部流動(dòng)，而激活空化模型后，數(shù)值計(jì)算過(guò)程中考慮到工作液體的空化現(xiàn)象，從而保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可知，CFD數(shù)值模擬對(duì)文丘里施肥器性能的預(yù)測(cè)是可行的，空化模型使模擬結(jié)果更加可靠。另外，從曲線變化趨勢(shì)還可以得到，文丘里施肥器的吸肥量沒(méi)有隨著壓差的增大而一直增大，當(dāng)空化發(fā)生后，吸肥量逐漸趨于穩(wěn)定，基本保持在q=0.24 m3/h左右。因此，認(rèn)為空化作用對(duì)吸肥性能有一定影響。

圖4 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線Fig.4 Comparison of experimental and numerical simulation results

3.2 壓力變化過(guò)程分析

圖5為P2=140 kPa時(shí)，沿工作流體流動(dòng)方向上文丘里施肥器當(dāng)?shù)貕毫ψ兓€。由圖5可見(jiàn)，文丘里施肥器的當(dāng)?shù)貕毫τ墒湛s段開(kāi)始逐步減小，在混合室和喉管處，發(fā)生明顯的降低現(xiàn)象，同時(shí)在喉管處達(dá)到最低，并形成負(fù)壓。而在擴(kuò)散段的作用下，壓力逐漸增大，最后在出口段達(dá)到140 kPa。該曲線表明了施肥器的壓力損失主要發(fā)生在混合室和喉管處。這是因?yàn)榉室号c工作液體在混合室開(kāi)始發(fā)生混合，由于肥液過(guò)流截面的驟然減小，使得肥液的速度梯度變化迅速增大，而速度梯度越大，能量損失越大。因此，混合室處，吸肥口進(jìn)入施肥器的過(guò)流截面對(duì)該處的能量損失有重要影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采用合適的結(jié)構(gòu)，以降低能量的損失。

圖5 文丘里施肥器沿x方向壓力分布曲線Fig.5 Local pressure along X direction

3.3 湍動(dòng)能和湍流耗散率分析

圖6、圖7分別表示了P2=140 kPa時(shí),湍動(dòng)能和湍流耗散率在文丘里施肥器不同位置處的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩曲線變化趨勢(shì)基本相同。工作流體經(jīng)過(guò)收縮段時(shí)，曲線僅產(chǎn)生輕微波動(dòng)，當(dāng)其從噴嘴噴出，與肥液發(fā)生混合，在擴(kuò)散段曲線開(kāi)始急劇增加，混合液體在距混合室下游50 mm處的擴(kuò)散段形成了湍流核心區(qū)，同時(shí)，在該區(qū)域，湍動(dòng)能和湍流耗散率均達(dá)到最大值，然后逐漸下降，在出口處達(dá)到最低點(diǎn)。

圖6 文丘里施肥器沿x方向肥液湍動(dòng)能分布曲線Fig.6 Turbulent kinetic energy along X direction

圖7 文丘里施肥器沿x方向肥液體積湍流耗散率分布曲線Fig.7 Turbulent eddy dissipation along X direction

圖8 文丘里施肥器沿x方向肥液體積分?jǐn)?shù)分布曲線Fig.8 Volume fraction of secondary flow along X direction

3.4 混合過(guò)程分析

圖8表示在出口壓力P2=140 kPa時(shí)，文丘里施肥器內(nèi)部肥液積分?jǐn)?shù)的變化。對(duì)比圖6、圖7可知，最初在肥液進(jìn)入混合室時(shí)，相對(duì)于工作流體，因其流量很小，且混合室和喉管長(zhǎng)度較小，肥液還未來(lái)得及與工作流體充分混合即迅速進(jìn)入擴(kuò)散段，因此，曲線在該處表現(xiàn)為稍有提升，在進(jìn)入擴(kuò)散段后，隨著湍動(dòng)能的增加及湍流耗散的作用，肥液和工作流體發(fā)生充分混合，因此其體積分?jǐn)?shù)大幅增加。而在出口處，湍動(dòng)能強(qiáng)度和湍流耗散率均降低至最小值，兩種液體發(fā)生充分混合，故該處肥液體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)速度放慢，最終達(dá)到穩(wěn)定。這表明，兩種流體的混合主要發(fā)生在初始接觸的下游，而不是第一次接觸時(shí)就發(fā)生大量混合。隨著湍動(dòng)能和湍流耗散率逐步趨向穩(wěn)定，兩種液體也達(dá)到均衡和充分混合。

這些情況的出現(xiàn)，文丘里施肥器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)是一個(gè)不可忽視的因素。由于混合室和喉管處長(zhǎng)度小，液體流速大，因此，兩種流體不能在該處完全混合。在擴(kuò)散段，速度梯度的變化使被吸液體在工作液體中迅速擴(kuò)散。直到將近出口處方達(dá)到均勻混合。因此，通過(guò)優(yōu)化混合室和喉管的結(jié)構(gòu)，改善文丘里施肥器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，有利于兩種液體的混合。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)文丘里噴嘴內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)數(shù)值模擬能準(zhǔn)確反映文丘里施肥器的水力特性。根據(jù)內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，選擇合適的計(jì)算模型是保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。空化發(fā)生時(shí)，無(wú)空化模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很大。相反，考慮空化模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。因此，在適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型下，用CFD數(shù)值方法預(yù)測(cè)文丘里施肥器的水力性能和流場(chǎng)是可靠的。

(2)工作液體和肥液地混合在喉部的高速流動(dòng)中表現(xiàn)并不明顯，他們的混合過(guò)程是在擴(kuò)散段逐步完成。同時(shí)，由于流體在混合室和喉部的復(fù)雜流動(dòng)，以及其過(guò)流截面的突然變化，導(dǎo)致速度梯度急劇變化，因而能量損失主要發(fā)生在該區(qū)域。另外，由于該文丘里施肥器混合室和喉管結(jié)構(gòu)的影響，兩種液體的混合主要發(fā)生在擴(kuò)散段，優(yōu)化混合室和喉管處的結(jié)構(gòu)，不僅可以減小能量損失，還可以促進(jìn)液體的充分混合。

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