不同工作壓力下穿孔形灌水器內(nèi)的旋渦作用分析

邢少博，張金珠*，王振華，劉寧寧

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000； 2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

滴灌系統(tǒng)中的滴灌灌水器通過不同結(jié)構(gòu)的流道將連續(xù)射流轉(zhuǎn)化為均勻穩(wěn)定的滴水狀出流[1]，發(fā)揮著穩(wěn)流降壓的作用，其流量受壓力變化影響的敏感程度稱為灌水器的水力性能[2].由于灌水器流道的尺寸較小且工作時間較長，灌溉水質(zhì)復(fù)雜，易發(fā)生堵塞，因此灌水器的消能機理與抗堵塞性能成為當(dāng)前的研究熱點.

目前，CFD(computational fluid dynamics, CFD)技術(shù)具有成本低、速度快且可視化流場易獲取的優(yōu)勢，故許多學(xué)者通過基于CFD的數(shù)值模擬與試驗測試相結(jié)合的方法對灌水器的水力性能與消能機理進行研究.唐學(xué)林等[3]通過兩相流數(shù)值模擬與PIV粒子測速試驗相對比的方法，對迷宮流道內(nèi)的流場與顆粒運動情況進行了計算，認為數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測滴灌灌水器中的流場運動.王新坤等[4]通過對高頻脈沖波下的迷宮流道灌水器進行兩相流數(shù)值模擬，證明了高頻脈沖可以增強旋渦區(qū)的沖刷效應(yīng)以提高灌水器的抗堵塞能力.喻黎明等[5]研究了迷宮流道內(nèi)砂粒的運動規(guī)律及流體流場等，得出主流區(qū)流速較高、旋渦區(qū)流速較低、齒尖附近流速最大、靠近內(nèi)壁面和旋渦區(qū)中心流速最低的結(jié)論.門永南等[6]通過Fluent對矩形迷宮流道旋渦區(qū)進行模擬，提出旋渦區(qū)可增強灌水器的消能效率與抗堵塞性能，但其零速區(qū)的存在也會導(dǎo)致灌水器堵塞.王新端[7]通過渾水試驗對沉積泥沙的結(jié)構(gòu)特點以及粒徑分布進行了分析，認為灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對抗堵性能具有顯著影響.李云開等[8]提出了渦旋洗壁的概念，充分利用旋渦對壁面進行清洗，使灌水器具備良好的自清洗和抗堵塞的能力.楚華麗等[9]通過多目標(biāo)優(yōu)化方法對卡門渦街形流道進行優(yōu)化，認為旋渦運動對水流耗能明顯，可促進形成光滑無流動死角的邊界，降低泥沙沉積.這些研究都肯定了CFD的數(shù)值模擬分析的可行性，并表明了旋渦區(qū)可以發(fā)揮抗堵塞及消能作用.

目前大量研究關(guān)注了優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)以提高滴灌灌水器的抗堵塞性能與水力性能，但對旋渦區(qū)與抗堵塞及消能效果之間的具體關(guān)系缺少深入研究.依靠灌水器自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋渦提高灌水器的抗堵塞與消能效果，從而增強流道“自清洗”能力[10]是灌水器發(fā)展的新思路.故文中以穿孔形流道為研究對象，通過不同壓力下的模擬從旋渦區(qū)流場、幾何特征、渦旋強度及壓力分布的角度，探究旋渦區(qū)的抗堵塞及消能作用機理.

1 材料與方法

1.1 穿孔形流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

穿孔形流道的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，流道深度為0.80 mm，寬度為2.76 mm,長度為 60 mm，單元數(shù)為15；結(jié)構(gòu)1為流道腔，長度為3.5 mm，結(jié)構(gòu)1中設(shè)有圓角，角3、角4、角5及角6的半徑分別為0.50，0.17，0.50，0.40 mm；結(jié)構(gòu)2為穿孔，長度為0.50 mm，寬度為0.36 mm，中心軸距離為1.12 mm.

圖1 穿孔形流道單元結(jié)構(gòu)圖

1.2 流道模型

1.2.1 三維建模及網(wǎng)格無關(guān)性分析

采用SolidWorks及ICEM CFD對流道分別進行三維建模與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分.設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸分別為0.20，0.19，0.18，0.17，0.15，0.14，0.13，0.12，0.11，0.10，0.09，0.08，0.07和0.05 mm，網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果顯示，網(wǎng)格尺寸減小，數(shù)量成倍增加，計算流量值先減小后趨于穩(wěn)定.隨網(wǎng)格數(shù)增加，計算時間成倍增加，綜合計算精度與效率的影響，將最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.07 mm，網(wǎng)格數(shù)為266.2萬.

1.2.2 流道數(shù)學(xué)模型

穿孔形流道內(nèi)部的水可近似認為不可壓縮流動.由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計算較為穩(wěn)定，且穿孔形流道的流場中除近壁面外都為湍流，文中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對流道內(nèi)部流場進行計算[11].

1.2.3 邊界條件設(shè)置

進水口設(shè)置為壓力入口，設(shè)定為0.050，0.075，0.100，0.125，0.150，0.175，0.200，0.225 MPa；出水口設(shè)置為壓力出口，壓力為0；所有壁面均采用無滑移邊界.顆粒在入口、出口處的邊界條件設(shè)為“逃逸”，邊壁的邊界條件設(shè)為“反彈”.顆粒在入口處釋放，顆粒密度為2 500 kg/m3，含沙率為1 g/L.針對目前常用的100目、120目和150目的過濾器，運動模擬采用的對應(yīng)的顆粒粒徑分別為0.150，0.125和0.100 mm.

1.2.4 計算方法設(shè)置

數(shù)值模擬計算采用非耦合隱式算法.其中，在Solve選項中將壓力項、動量項、湍動能項以及湍動能耗散率項設(shè)置為精度更高的二階迎風(fēng)公式.為減小迭代計算誤差，將殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為1×10-4.為提高計算的穩(wěn)定性，壓力和速度耦合采用SIMPLE求解器，并將不同入口壓力下的模擬流量值與試驗值進行對比.

1.3 試驗驗證

采用高精度數(shù)控機床及透明無色有機玻璃對SolidWorks繪制的三維模型等比例加工流道樣機，并采用顯微鏡校核尺寸，再將雕刻好的流道與蓋板粘結(jié)組合.根據(jù)GB/T17187—2009《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備-滴頭和滴灌管-技術(shù)規(guī)范和試驗方法》布置試驗系統(tǒng)，如圖2a所示，樣機加工5組，測試壓力分別為0.050，0.075，0.100，0.125，0.150，0.175，0.200，0.225 MPa，每片測試3 次，每次測試5 min，通過量筒容積法測試流量，并采用精度為0.001 g的電子天平校核，將實測值平均值與模擬值相互對照并繪制曲線圖，如圖2b所示，圖中Q為流量，p為壓力.

圖2 試驗系統(tǒng)及結(jié)果對比曲線

模擬值與實測值的相對誤差為1.438%～2.299%，模擬可良好地反映流場.穿孔形流道的流態(tài)指數(shù)為0.505，流量系數(shù)為0.302，相關(guān)系數(shù)大于0.999 8，水力性能優(yōu)良.

2 結(jié)果與分析

文中對0.05，0.10，0.15，0.20 MPa工作壓力下的穿孔形灌水器流道內(nèi)的流場分布、不同粒徑泥沙顆粒的運動情況、旋渦區(qū)的幾何特征、渦旋強度及壓力分布等進行了分析.為降低入水口對流場的影響，根據(jù)流場在流道單元上的周期性，將第2單元作為主要研究對象.

2.1 流場分布

Z=0.40 mm截面為流道單元的中間截面，4種壓力下該截面上的速度云圖與流線圖相似.圖3a為0.10 MPa壓力下該截面的壓力云圖，圖3b為該截面的速度云圖與流線圖.流道的流場邊界光滑無流動死角，可根據(jù)水流狀態(tài)將流場分為高速主流區(qū)與低速旋渦區(qū).主流區(qū)流速較高，旋渦區(qū)流速較低.文中針對旋渦區(qū)中的大旋渦進行分析，以下大旋渦區(qū)稱為旋渦區(qū).

圖3 0.10 MPa壓力下Z=0.40 mm截面的壓力云圖、速度云圖與流線圖

表1為主流區(qū)和旋渦區(qū)的部分典型流速值.下文所稱主流區(qū)最大流速為流道腔中的最大流速.壓力增加3倍，主流區(qū)最大流速vmax1、最小流速vmin1與旋渦區(qū)邊界流速均增大了1倍，主流區(qū)的高速水流將顆粒沖入旋渦區(qū)，而旋渦區(qū)的離心力將顆粒甩出；旋渦區(qū)中心點流速量級較小且僅提高了0.86倍，導(dǎo)致顆粒在此處沉積.表1中vmax2為旋渦區(qū)邊界最大流速，vcent為旋渦區(qū)中心流速，△v1為主流區(qū)最大與最小流速差值，△v2為旋渦區(qū)最大與最小流速差值.

表1 不同壓力下主流區(qū)與旋渦區(qū)流速

圖4為穿孔形流道中粒徑dp為0.150, 0.125 和0.100 mm顆粒的運動模擬圖.在0.10 MPa工作壓力下，不同粒徑顆粒在流道中運動軌跡較為連貫，未在流道中發(fā)生堵塞與聚積；大部分顆粒在主流區(qū)中運動，小部分顆粒由主流區(qū)進入旋渦區(qū)，隨后返回主流區(qū).

圖4 0.10 MPa壓力下不同粒徑顆粒運動模擬圖

根據(jù)表1及圖3b可知，主流區(qū)流速較高，不易形成顆粒沉積.部分顆粒進入旋渦區(qū)后，又在邊界的離心力作用下返回主流區(qū)進入下一流道單元，未在流道中聚積.不同壓力下，主流區(qū)帶動旋渦區(qū)運動，旋渦區(qū)與主流區(qū)間發(fā)生摩擦.同時，旋渦區(qū)內(nèi)部流速不同，流層間又相互摩擦，水流能量下降，旋渦區(qū)發(fā)揮了消能作用.圖3a顯示，隨著主流區(qū)與旋渦區(qū)的相互作用，水流能量下降較為顯著，消能效果明顯.

2.2 不同工作壓力下的旋渦區(qū)幾何特征

圖5為在4種壓力下，Z=0.40 mm截面的旋渦區(qū)流線與速度矢量圖.由圖可知，壓力增加，旋渦區(qū)形態(tài)相對穩(wěn)定，其內(nèi)部各質(zhì)點速度矢量的運動趨勢為脫離旋渦區(qū)轉(zhuǎn)向主流區(qū).顆粒在進入旋渦區(qū)時會受到水流的阻擋，少量進入的顆粒在旋渦區(qū)受水流裹挾發(fā)生脫離，減少了進入旋渦區(qū)的顆粒，旋渦區(qū)可發(fā)揮抗堵塞作用.

圖5 不同壓力下旋渦速度矢量與流線圖

將圖5中的最外側(cè)流線作為旋渦區(qū)邊界，采用樣條曲線對邊界進行擬合繪制出旋渦區(qū)的形狀.以旋渦區(qū)最外側(cè)流線起點作為旋渦區(qū)中心點，樣條曲線包含區(qū)域為旋渦區(qū)面積.

表2為不同壓力下旋渦區(qū)面積s與中心點位置.由表2可得，隨著壓力變化，旋渦區(qū)面積增加0.222 mm2，增幅較小，為2.35%，中心點向壁面及水流方向偏移，旋渦中流動滯止區(qū)的位置不斷變化，表明旋渦區(qū)中心點不會產(chǎn)生大量顆粒聚積，不會引起堵塞.

表2 不同壓力下旋渦區(qū)面積與中心點位置

2.3 不同工作壓力下的旋渦區(qū)渦旋強度

旋渦區(qū)內(nèi)質(zhì)點運動形成的渦旋為物理渦，為表征渦運動的強弱，引入量綱為一的參數(shù)ω[6]，即渦旋強度為

ω=v/d，

(1)

式中：d為旋渦區(qū)等效圓半徑；v為旋渦區(qū)邊界平均切向速度.

根據(jù)面積與半徑的關(guān)系式公式，得到等效半徑r為

(2)

式中：s為根據(jù)旋渦區(qū)邊界線計算所得的旋渦區(qū)面積.

邊界平均切向速度為邊界上100個數(shù)據(jù)點的速度平均值.不同壓力下的邊界平均切向速度、等效半徑及渦旋強度見表3.由表3可得，壓力增大，等效半徑、切向速度及離心力增大，旋渦區(qū)內(nèi)的顆粒脫離趨勢增強，減緩了顆粒聚積引起的堵塞.渦旋強度增強，旋渦對邊壁的沖刷及與主流區(qū)的摩擦增強，顆粒在邊壁附近的聚積減緩，此外，旋渦受到邊壁的反作用而消耗能量，旋渦區(qū)發(fā)揮了抗堵塞作用及消能作用.

表3 不同壓力下旋渦區(qū)渦旋強度

2.4 不同工作壓力下的旋渦區(qū)內(nèi)部壓力

在4種工作壓力下，取流道第2單元中Z=0.40 mm截面與過旋渦區(qū)中心點橫截面的交線，分析旋渦區(qū)內(nèi)壓力p′沿該交線的變化，并繪制曲線圖如圖6.該交線與流道邊壁交點為A，與旋渦區(qū)下邊界的交點為B.

表4為不同壓力下旋渦區(qū)內(nèi)壓力差，表中，pb為邊界壓力，pc為中心點壓力，pw為邊壁壓力，△p1為邊界到中心點壓差，△p2為邊壁到中心點壓差，△p3為邊界與邊壁壓差.結(jié)合圖6及表4可得，壓力增大會顯著影響旋渦區(qū)壓力分布，但對壓力變化影響較小.不同壓力下，壓力最低及最高點分別出現(xiàn)在中心點O與邊界點B，BO，AO及AB間壓力差增加.結(jié)合圖5得，BO為AO單位距離壓力差的2倍以上；壓力增大3倍，各壓力差增加5倍左右，壓力差對壓力變化較為敏感.壓力差可減緩顆粒在邊壁的聚積，也增強了顆粒進入旋渦區(qū)的趨勢并引起堵塞.但進入旋渦區(qū)的顆粒又受到離心力及水流裹挾作用.根據(jù)圖4得，旋渦區(qū)的離心力及水流裹挾的作用強于壓力差的作用，顆粒不會受壓力差的影響而在旋渦區(qū)大量聚積，旋渦區(qū)可以發(fā)揮抗堵塞作用.

表4 不同壓力下旋渦區(qū)內(nèi)壓力差

3 結(jié) 論

以穿孔形灌水器為研究對象，結(jié)合流道內(nèi)不同粒徑泥沙顆粒的運動情況對4種壓力下流道的流場分布、旋渦區(qū)幾何特征、渦旋強度及壓力分布進行了分析.

1) 旋渦區(qū)可發(fā)揮抗堵塞作用.少量進入旋渦區(qū)的顆粒，在脫離旋渦區(qū)的水流裹挾及強于旋渦區(qū)內(nèi)部壓力的離心力作用下返回主流區(qū)，不會引起堵塞；旋渦的洗壁作用隨壓力增大而增強，邊壁顆粒沉積被抑制；旋渦區(qū)中心的流動滯止區(qū)的位置隨壓力變化，不會產(chǎn)生顆粒聚積.

2) 旋渦區(qū)可發(fā)揮消能作用.旋渦區(qū)與主流區(qū)流速差較大，彼此摻混，旋渦區(qū)由主流區(qū)驅(qū)動，消耗能量；旋渦區(qū)內(nèi)各流速層流速差異較大，摻混、摩擦消耗能量；旋渦區(qū)渦旋強度較高，與邊壁沖刷摩擦消耗能量.

3) 不同壓力下的旋渦區(qū)形態(tài)穩(wěn)定，可穩(wěn)定存在并發(fā)揮消能與抗堵塞作用.通過適當(dāng)利用灌水器自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋渦區(qū)可提高灌水器的抗堵塞與消能性能.