新型分段插桿式灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水力特性研究

朱月亭，曹 偉，劉 潔

(1.文華學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)部，武漢 430074； 2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

節(jié)約灌溉用水是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的一個重要問題，滴灌是最先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)之一[1,2]，灌水器是灌溉系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，目前灌水器多采用細(xì)小而狹長的流道結(jié)構(gòu)[3]，過流截面積一般均小于1.0 mm2，加上灌溉水源多樣，水質(zhì)復(fù)雜，灌水器時常因水流中各種形式的懸浮固體物發(fā)生堵塞，直接影響整個灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行時間及使用壽命。因此，研究如何提升其抗堵塞能力是開發(fā)新型灌水器所面臨的最大難題[4]。

目前針對灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力特性的影響研究較多，大都聚焦在齒形角度、齒形高度、齒形間距、流道截面積及流道長度方面。王建東等[5]研究了齒間距、齒角度、流道深度、齒間距與齒角度對滴頭流量的影響，指出齒間距和齒角度對滴頭的流態(tài)指數(shù)影響較大。楊彬等[6]對5種不同齒型流道結(jié)構(gòu)的灌水器進(jìn)行了兩相流數(shù)值模擬計(jì)算，提出了齒型流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案。王新端[7]開展了雙向流道灌水器抗堵性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，構(gòu)建了滴灌雙向流道灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。魏正英等[8]分析了一種變曲率式流道灌水器的水力性能和短周期抗堵性能，王敏杰等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌水器的流道側(cè)壁斜度為2°～4°時，流態(tài)指數(shù)較小?？得鐦I(yè)[10]通過在矩形迷宮灌水器的豎向、橫向流道處加入內(nèi)齒，形成雙內(nèi)齒矩形迷宮流道灌水器，以提高灌水器的水力特性和抗堵塞性能。喻黎明等[11]分析了滴灌灌水器迷宮流道的夾角、上底寬、齒高、齒尖參差量、流道寬因素對灌溉水流中泥沙運(yùn)動的影響。李治勤等[12]雙內(nèi)齒矩形迷宮流道灌水器水力特性分析，當(dāng)內(nèi)齒高度為0.7 mm，內(nèi)齒間距為0.3 mm時，流態(tài)指數(shù)達(dá)到最小。

另一方面，通過改變水源供給方式來改變灌水器水力性能及抗堵塞性能，主要通過搭建動態(tài)水壓系統(tǒng)，增強(qiáng)水流的擾動特性，以降低灌水器的堵塞程度。蘆剛[13]分析了工作水壓對滴灌灌水器水力性能影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)動態(tài)水壓能夠明顯地降低灌水器的堵塞程度。王聰[14]分析了基礎(chǔ)水壓、波幅和波動周期等波動因素對4種灌水器內(nèi)流場流態(tài)、灌水器均勻度和抗堵塞性能的影響。鄭超[15]研究了動態(tài)水壓下迷宮流道內(nèi)水沙運(yùn)動特性，提出動態(tài)水壓下迷宮流道的堵塞敏感粒徑段為0.1 mm左右，較恒定水壓增大2～3 倍。吳普特等[16]研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)水壓下灌水器主流區(qū)水流紊動異常強(qiáng)烈，雖然滯止區(qū)水流流速較低，但紊動強(qiáng)烈，懸浮粒子的沉積概率較恒定水壓明顯降低。但是動態(tài)水壓系統(tǒng)需要采用自動控制與變頻技術(shù)，且設(shè)備較為昂貴。

本文以插桿式灌水器為基礎(chǔ)，通過設(shè)置螺旋分流道實(shí)現(xiàn)灌溉水流的分區(qū)管理，使得水流進(jìn)入灌水器迷宮流道前即具有較大的紊流特性，重點(diǎn)研究了螺旋分流道圈數(shù)、長度、圓弧半徑和數(shù)量對灌水器水力特性的影響，分析了螺旋分流道的壓力和速度矢量分布，并建立了基于多參數(shù)的灌水器水力特性線性回歸模型，為新型分段插桿式灌水器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 灌水器結(jié)構(gòu)

目前，以迷宮形流道為主要結(jié)構(gòu)的灌水器在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中發(fā)揮了重要作用。為了進(jìn)一步改善灌水器壓力-流量特性和紊流特性，灌水器流道橫截面積變得越來越小。雖然這在一定程度上也改善了灌水器出水的均勻性，但灌水器在實(shí)際運(yùn)行過程中極易發(fā)生堵塞[17]。因此，本文設(shè)計(jì)灌水器結(jié)構(gòu)時首先要考慮的因素便是采用相對較大的流道橫截面積，新型灌水器結(jié)構(gòu)以插桿式灌水器為原型，在水流入水口和迷宮流道之間設(shè)置螺旋分流道和水流匯集區(qū)[見圖1(a)]，使得進(jìn)入迷宮流道的水流由平行狀改變?yōu)槁菪隣?，增?qiáng)水流裹挾泥沙的能力，降低泥沙在灌水器流道內(nèi)的沉積概率。新型分段插桿式灌水器整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖1(b)為A-A向視圖，分流道由4個螺旋狀流道組成。迷宮流道結(jié)構(gòu)見圖2，水流從c處流入灌水器流道，然后按照“分離-混合-分離”的模式，對灌水器流道內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷，最終從e處流出，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的灌溉。

圖1 新型分段插桿式灌水器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure schematic of the new type segmented rod emitter

圖2 迷宮流道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of labyrinth channel

1.2 仿真設(shè)置

灌水器內(nèi)部流通的液體為水，這里設(shè)定水的密度為103kg/m3，運(yùn)動黏度為10-6m2/s，出水口壓力為0，流體模型為k-ε湍流模型，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，采用FLUENT有限元仿真軟件通過改變?nèi)胨趬毫砬蠼夤嗨魉μ匦?。灌水器三維模型見圖3，網(wǎng)格模型見圖4(a)，圖4(b)所示為螺旋分流道的4個入水口，每個入水口均設(shè)置為壓力進(jìn)口。

圖3 灌水器三維模型(N=4)Fig.3 3D model of emitter (N=4)

圖4 灌水器網(wǎng)格模型Fig.4 The mesh model of emitter

1.3 水力特性仿真

本灌水器結(jié)構(gòu)一方面增大了迷宮流道截面積，為1.21 mm2，較傳統(tǒng)灌水器(流道截面積約為1 mm2)增大20%，另一方面新增了一個螺旋分流道，迷宮流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對灌水器水力特性的影響研究較多，但螺旋分流道所起到的作用尚不清楚，這里將重點(diǎn)分析螺旋分流道的加入，對灌水器性能的影響。螺旋分流道的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為螺旋分流道圈數(shù)C、長度L、圓弧半徑R和數(shù)量N。采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)一步研究這幾個參數(shù)對灌水器水力特性的影響程度，每種參數(shù)取值分別為C=1/2/3圈、R=3/3.2/3.4 mm和L=50/60/70 mm，N分別取2/3/4個。設(shè)計(jì)的新型分段插桿式灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)表及仿真分析用灌水器類型匯總表分別見表1和表2。

圖5 螺旋分流道的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of spiral branching channel

表1 新型分段插桿式灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)表Tab.1 Orthogonal test table of the new type segmented rod emitter structural parameters

表2 仿真分析用灌水器類型匯總表Tab.2 Emitter type summary table for simulation analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 螺旋分流道入水口歸一化處理

由圖3及圖4(b)可知，設(shè)置灌水器螺旋分流道入水口邊界條件時，需要對每個入水口進(jìn)行處理，這里按照灌溉水流在毛管中的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，即灌溉水流充滿毛管，以近乎均等的壓力進(jìn)入入水口，對螺旋分流道入水口進(jìn)行歸一化處理，入水口三維模型見圖6。

圖6 歸一化處理螺旋分流道入水口三維模型Fig.6 3D model of spiral brunching channel inlet after normalized treatment

以NE5-4類型的灌水器為例，分析在7 m水頭下，入水口的歸一化處理對灌水器流量的影響。將4個入水口分別命名為IN1、IN2、IN3和IN4，仿真分析得到的進(jìn)口流量分別為1.403、1.407、1.405和1.404 L/h，總進(jìn)口流量為5.619 L/h，出口流量為5.620 L/h。4個進(jìn)口在傳導(dǎo)水流方面所起到的作用相同，不會出現(xiàn)某個螺旋分流道提前發(fā)生堵塞的現(xiàn)象。入水口歸一化處理后，仿真分析得到灌水器出口流量為5.616 L/h，兩者之間的誤差為0.08%，誤差較小。因此，在后續(xù)類型灌水器仿真分析時，均對灌水器螺旋分流道入水口進(jìn)行歸一化處理以方便邊界條件的設(shè)置及求解。

2.2 壓力與流量特性

灌水器入水口壓力與出水口流量之間的典型關(guān)系為：

q=kHx

(1)

式中：q為灌水器流量，L/h；k為流量系數(shù)；H為入水口壓力，m；x為流態(tài)指數(shù)。

這里入水口壓力H分別取5、6、7、8和9 m，利用仿真計(jì)算得到的灌水器流量q來計(jì)算每種類型灌水器的流量系數(shù)k和流態(tài)指數(shù)x，見表3。

表3 新型分段插桿式灌水器壓力與流量之間的關(guān)系Tab.3 Relationship between pressure and discharge of the new type segmented rod emitter

由表3可知，每種結(jié)構(gòu)類型的灌水器流態(tài)指數(shù)x值均小于0.5，最低值為0.49，表明灌水器內(nèi)部水流狀態(tài)均為紊流。進(jìn)一步地，計(jì)算了傳統(tǒng)灌水器的k和x值分別為2.152和0.524，結(jié)果表明螺旋分流道的設(shè)置在一定程度上增加了水流能量的消耗，使得灌水器流量稍有降低，但流態(tài)指數(shù)發(fā)生了較大的變化，實(shí)現(xiàn)了層流向紊流的轉(zhuǎn)變，提高了水流的紊動效應(yīng)。同一個CL-R下，隨著N增大，k增大，x降低，這主要是因?yàn)殡S著N增大，灌水器的螺旋分流道總進(jìn)水口面積[即圖1(b)空白部分面積]增大，會有更多的水流由螺旋分流道進(jìn)入迷宮流道，使得灌水器流量增加；而由于螺旋分流道的存在，使得灌溉水流紊流程度增加，進(jìn)而降低了灌水器的流態(tài)指數(shù)。

2.3 螺旋分流道內(nèi)流體特性

為研究螺旋分流道的內(nèi)流體特性，以NE1-3類型灌水器為例，分析了在7 m水頭下，螺旋分流道橫截面速度矢量分布圖(見圖7)、新型灌水器水流匯集區(qū)橫截面和傳統(tǒng)灌水器入水口橫截面速度矢量分布圖(見圖8)。從圖7可以看出，水流在螺旋分流道內(nèi)流動時，由于與壁面之間存在一定的摩擦及黏滯，使得貼近壁面區(qū)域的水流速度低于中心區(qū)域，同時，中心區(qū)域的水流流向有一定旋轉(zhuǎn)，局部區(qū)域有旋渦存在。圖8(a)所示為新型灌水器水流匯集區(qū)橫截面的速度矢量分布圖，可以看出，水流經(jīng)螺旋分流道進(jìn)入?yún)R集區(qū)后，整體水流呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，且以旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)入迷宮流道，由于旋渦中心具有較高的速度，對泥沙能夠起到明顯的擾動作用，裹挾泥沙的能力更強(qiáng)，可以有效降低泥沙在后續(xù)迷宮流道內(nèi)的沉積。圖8(b)所示為傳統(tǒng)灌水器入水口橫截面速度矢量分布圖，可以看出，水流在入水口中呈層流流動，各流束之間幾乎無能量和水流的交換，且貼近入水口壁面附近區(qū)域容易形成“速度死區(qū)”，極易將泥沙帶進(jìn)迷宮流道內(nèi)，進(jìn)而沉積，造成灌水器的堵塞。

圖7 螺旋分流道橫截面速度矢量分布圖Fig.7 Speed vector map of spiral brunching channel cross-section

圖8 新型灌水器水流匯集區(qū)橫截面和傳統(tǒng)灌水器入水口橫截面速度矢量分布圖Fig.8 Speed vector map for water flow collection area cross-section of new emitter and inlet cross-section of traditional emitter

2.4 多元線性回歸模型

通常利用灌水器流量與壓力之間的關(guān)系式來描述灌水器的特性，各性能參數(shù)與灌水器關(guān)鍵特征結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系可用以下方程式[18]來表達(dá)：

q=kHx=f1Hf2

(2)

k=f1(C,L,R,N)=d1Cn1Ln2Rn3Nn4

(3)

x=f2(C,L,R,N)=d2Cn5Ln6Rn7Nn8

(4)

式中：f1和f2是2個與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的函數(shù)；d1、d2、n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8為修正系數(shù)。

對公式(2)和(3)兩邊進(jìn)行對數(shù)化，則可轉(zhuǎn)化為以下兩個方程式：

lgk=lgd1+n1lgC+n2lgL+n3lgR+n4lgN

(5)

lgx=lgd2+n5lgC+n6lgL+n7lgR+n8lgN

(6)

利用表3的數(shù)據(jù)，按照公式(5)和(6)進(jìn)行線性回歸，得到：

k=1.916C-0.004 59L0.000 568R0.080 5N0.014 2

(7)

x=0.521C0.002 52L-0.001 87R-0.037 95N-0.006 22

(8)

公式(7)和(8)表明，整體而言R對新型灌水器的k和x影響較大，進(jìn)一步增大R，可在一定程度上增大灌水器流量及紊流程度。具體而言，對于k，與L、R和N呈正相關(guān)，與C呈負(fù)相關(guān)，并且R對k值影響最大，其次為N，最后為C；對于x，與C呈正相關(guān)，與L、R和N呈負(fù)相關(guān)，并且R對x值影響最大，其次為N，最后為L。

3 結(jié) 語

(1)設(shè)計(jì)了一種新型分段插桿式灌水器結(jié)構(gòu)，灌水器結(jié)構(gòu)分為螺旋分流道和迷宮流道兩部分，迷宮流道采用大截面積尺寸，并以螺旋分流道圈數(shù)、螺旋分流道長度、螺旋分流道圓弧半徑和螺旋分流道數(shù)量為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。

(2)從灌水器壓力與流量特性及內(nèi)流體特性中可以看出，螺旋分流道的加入，改變了僅有單一大截面積迷宮流道內(nèi)水流的流態(tài)，在增強(qiáng)水流紊態(tài)方面發(fā)揮了較大作用。

(3)采用多元線性回歸模型的方法，提出了灌水器的流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)與螺旋分流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系式，為進(jìn)一步優(yōu)化該類型灌水器的水力特性提供的依據(jù)。