滴灌灌水器流道內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬

張琴 管瑤 曹洪武

(1 塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300)

(2 塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300)

滴灌技術(shù)是國(guó)際公認(rèn)的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)水節(jié)肥、灌水均勻、管理便利、增產(chǎn)增收等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用［1］。其中滴頭是滴灌系統(tǒng)的核心部件，其水力性能的好壞直接影響到滴灌灌水器的工作性能。因此滴頭的抗堵塞性能一直是滴灌技術(shù)研究的熱點(diǎn)，也是滴灌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

由于灌水器的結(jié)構(gòu)極其微小，采用傳統(tǒng)的量測(cè)方式不能清楚地顯示其流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及水流在流道中的流速變化，這對(duì)于研究滴灌灌水器流道內(nèi)部的水流流動(dòng)狀態(tài)極為困難。研究流體流動(dòng)的重要的研究方向和方法，其基礎(chǔ)就是計(jì)算流體力學(xué)［2］。對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，在工作中需要對(duì)某些具體的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析、計(jì)算和研究，但是對(duì)流體力學(xué)微分方程的求解以及進(jìn)行計(jì)算的全過(guò)程的了解和掌握卻非常有限，由此，計(jì)算準(zhǔn)確、界面友好、使用簡(jiǎn)單，又能解決問(wèn)題的商業(yè)軟件就誕生了，目前，使用較多的有Fluent軟件［3］。本文就是利用 CFD數(shù)值模擬方法對(duì)滴灌灌水器流道內(nèi)水流流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究，從而對(duì)灌水器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 物理與數(shù)學(xué)模型

本文選用矩形迷宮式滴灌帶，可視為矩形方管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)建三維計(jì)算模型，建立的物理模型如圖1所示，滴頭流道進(jìn)口截面面積為S=B×D=1 mm×1 mm=1 mm2。

該滴頭流道為矩形方管流道，滴頭內(nèi)部的水流運(yùn)動(dòng)可以視為不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)，這里采用k—ε紊流模型描述灌水器微小流道中的水流，近壁區(qū)采用兩層模型的壁面函數(shù)法，結(jié)合Navier－Stokes方程和連續(xù)方程［4，5］。流量 Q 大致在0.57 ～8.31 L/h之間，流體運(yùn)動(dòng)平均速度v在0.28～2.87 m/s以內(nèi)，流道當(dāng)量直徑 De為(0.6857～0.8889)×10－3m，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)μ 為1×10－6m2/s，雷諾數(shù)Re在243～2556之間。王尚錦等［6］借助笛卡爾坐標(biāo)系下時(shí)均N－S方程，采用加罰有限元數(shù)值方法模擬了“圓弧迷宮式”滴灌灌水器流道內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)。并針對(duì)防堵塞要求，對(duì)該滴頭進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了合理建議。楊衛(wèi)華等［7，8］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于深 0.1 mm，寬0.5～1.0 mm，曲率半徑32＜R＜52的彎曲微小通道，臨界雷諾數(shù)為Re=1 000～1 200，由層流直接過(guò)渡到紊流區(qū)，無(wú)明顯的過(guò)渡區(qū)，且曲率對(duì)摩阻系數(shù)也有影響。李云開(kāi)，楊培嶺等［9］對(duì)目前中國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域最為典型的8種迷宮式流道滴頭水力性能進(jìn)行了研究，表明升壓、降壓兩種工作方式對(duì)滴頭出流有一定影響，但未達(dá)到顯著水平;經(jīng)典的流量－壓力關(guān)系模型完全適合于1.5～15.0 m壓力區(qū)間。張俊等［10］對(duì)弧形迷宮式流道進(jìn)行研究，使用層流和紊流模型進(jìn)行比較模擬出的流量和試驗(yàn)測(cè)試流量值后，發(fā)現(xiàn)使用紊流模型得到的流量更加接近測(cè)試結(jié)果，誤差更小。王福軍等［11］指出經(jīng)典的N－S理論還是能夠分析微通道中流體的運(yùn)動(dòng)特性的，可以反映壓力與流量的關(guān)系趨勢(shì)，但需要考慮更多的影響因素，部分參數(shù)應(yīng)該進(jìn)行修正。

圖1 滴頭模型

2 網(wǎng)格生成及邊界條件

采用流體力學(xué)分析軟件Fluent的前處理器Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。對(duì)迷宮滴頭內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)采用的離散化方法是有限體積法，可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格;三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。該軟件還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格疏密，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于求解有較大梯度的流場(chǎng)有非常實(shí)際的作用。

滴頭斷面面積為S=1 mm×1 mm=1 mm2，流道長(zhǎng)度分別為6個(gè)單元數(shù)，邊界條件設(shè)定為:入口水頭壓力為8米，出口壓力水頭均為0米。

3 模擬結(jié)果和分析

常溫下(按20℃計(jì))取滴頭流道在紊流流動(dòng)狀態(tài)下的工作流量Q=8.33 L/h，雷諾數(shù)

式中:Q為灌水器的流量，L/h;μ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，20℃時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)μ=1.003×10－6m2/s;A為流道截面面積，A=B·D=1 mm·1 mm=1 mm2，B、D 為流道橫截面長(zhǎng)和寬，mm;De為灌水器的當(dāng)量直徑，mm，因灌水器流道斷面設(shè)定為矩形斷面，則當(dāng)量直徑De為:

計(jì)算后得到流道內(nèi)雷諾數(shù)為2306，則可判斷流道中流體應(yīng)為紊流。得到的滴頭流道流場(chǎng)矢量圖如圖2所示。

由圖2可以看出，受進(jìn)出口段和轉(zhuǎn)彎段的影響，緊挨進(jìn)口上游、出口下游的個(gè)別單元段速度分布不同，其他的單元段流速變化趨勢(shì)基本相同。從圖中還可以看出，直角轉(zhuǎn)彎處流速基本趨近于0，處于速度滯止區(qū)。而內(nèi)壁面很明顯存在兩個(gè)渦流區(qū)，容易造成堵塞。對(duì)比這兩個(gè)區(qū)域可知，在層流時(shí)雷諾數(shù)小，公式(1)中De、A和μ量不變，則進(jìn)口區(qū)域的流量較小，流速比較低，一個(gè)單元數(shù)內(nèi)流體整體速度值變小，而在紊流條件下，流道內(nèi)的渦旋區(qū)和低速滯止區(qū)明顯比層流狀態(tài)多，拐彎處速度比層流狀態(tài)高，繞開(kāi)直角區(qū)域后就會(huì)形成渦旋區(qū)，此時(shí)流速較大，不易形成堵塞。因此，流道優(yōu)化以紊流流動(dòng)狀態(tài)下的流道為主。

圖2 速度矢量圖

流道內(nèi)流線圖見(jiàn)圖3。流線是某一瞬時(shí)在流場(chǎng)中匯出的一條曲線，該曲線上各個(gè)點(diǎn)的速度向量都與該曲線相切，它表示出了瞬間的流動(dòng)方向。因此，恒定流時(shí)，流線的形狀和位置不隨時(shí)間的改變而改變，流體質(zhì)點(diǎn)沿著流線運(yùn)動(dòng)，理想的流線應(yīng)相互平行，并且是一條光滑曲線。由圖3可以看出，矩形迷宮流道內(nèi)的流線在經(jīng)過(guò)流道下壁面直角區(qū)域時(shí)脫離，造成主流流線離開(kāi)下游拐角處，在流道轉(zhuǎn)彎前，主流流線偏向到流道的一側(cè)，且流線比較集中，這就造成近壁面局部流量變小，流速降低。從以上闡述可知，隨著流體一起運(yùn)動(dòng)的微小顆粒雜質(zhì)在上述區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度變小，從而就比較容易沉積形成微團(tuán)，然后形成滯止區(qū)，最終造成滴頭微小流道堵塞，整個(gè)滴灌系統(tǒng)不能運(yùn)行甚至達(dá)到報(bào)廢，因此對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化時(shí)必須首先考慮消除上述區(qū)域。

圖3 流道流線圖

通過(guò)對(duì)流道速度場(chǎng)的分析知道，這種傳統(tǒng)的矩形迷宮式滴頭流道內(nèi)流線偏移比較嚴(yán)重，流道內(nèi)低速滯止區(qū)域較大并且在拐彎處主流流體的速度變化梯度比較大。當(dāng)灌溉的時(shí)候，和流體一起運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)經(jīng)過(guò)這些區(qū)域流動(dòng)時(shí)，就很容易造成沉積而引起滴灌灌水器流道的堵塞，從而影響滴灌的效果。由流體力學(xué)知識(shí)可知，如果流線在整個(gè)滴頭流道內(nèi)相互平行，而且近壁面的流體質(zhì)點(diǎn)的速度較高則可以保證近壁面不會(huì)因雜質(zhì)速度較低而形成沉積，從而消除產(chǎn)生流道堵塞的根本原因。

4 流道優(yōu)化

綜上所述，從灌水器流道的結(jié)構(gòu)形狀本身出發(fā)，對(duì)矩形迷宮流道進(jìn)行改造和優(yōu)化。可以考慮根據(jù)流線的分布將其設(shè)計(jì)成為圓弧形，這樣就使得流道中的細(xì)小雜質(zhì)可被水?dāng)y帶出灌水器流道，消除雜質(zhì)沉積，提高灌水器抗堵塞性。優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4:

圖4 優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)(單位:mm)

用Fluent模擬得到其流速分布圖:

圖5 優(yōu)化后的流道流速圖

從圖5可以看出，采用了圓弧過(guò)渡，優(yōu)化后的滴頭水力性能和抗堵塞性能得到了很大程度的提高;與優(yōu)化前的矩形流道相比，優(yōu)化后建立的圓弧形迷宮流道渦旋區(qū)和低速滯止區(qū)基本消除，盡管在近壁面還有少量的低速滯止區(qū)，但是與矩形滴頭流道相比已減少了很多。并且優(yōu)化后的流道雖然在拐彎處的小部分區(qū)域速度稍微有點(diǎn)偏高，但是從流道整體來(lái)看，優(yōu)化后的圓弧形流道內(nèi)主流速度分布比較均勻，且流體充滿了整個(gè)流道區(qū)域。雖然紊流時(shí)流道內(nèi)的速度變化還是比較平緩，主流區(qū)接近流道中心的區(qū)域，在流道拐彎的近壁面存在輕微的低速區(qū)，但是低速區(qū)非常小，足以把水中的雜質(zhì)帶出流道，從而不會(huì)引起流道內(nèi)的堵塞。因此采用優(yōu)化后的迷宮流道灌水器，可大大增加灌水器的抗堵性能，為設(shè)計(jì)水力性能好的灌水器提供了有效方法。

5 結(jié)論

5.1 本文利用Fluent軟件對(duì)灌水器流道內(nèi)水流流動(dòng)進(jìn)行了模擬研究，降低了灌水器內(nèi)水流流動(dòng)可視化的復(fù)雜程度，表明利用數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行灌水器設(shè)計(jì)的方法是可行的。

5.2 通過(guò)數(shù)值模擬，可以看到灌水器內(nèi)水流流動(dòng)狀態(tài)主要為紊流。從灌水器流道內(nèi)流體的速度矢量分布，可以清楚的揭示其內(nèi)部流動(dòng)場(chǎng)，在矩形灌水器轉(zhuǎn)角處存在大面積的低速區(qū)和速度滯止區(qū)，在近壁面存在渦旋區(qū)和低速區(qū)。

5.3 根據(jù)流線圖，可將矩形灌水器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圓弧形，通過(guò)模擬可以看出，優(yōu)化后的灌水器流道渦旋區(qū)和速度滯止區(qū)基本消除，流道內(nèi)主流速度分布較均勻，且流體充滿整個(gè)流道區(qū)域，提高了灌水器的抗堵塞性能。

本文旨在用數(shù)值模擬的方法來(lái)揭示滴灌灌水器內(nèi)部流場(chǎng)的變化，為滴頭的設(shè)計(jì)提供參考，因此沒(méi)有從試驗(yàn)上進(jìn)行比較。

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