鉆孔型內鑲式扁平滴頭內部流道仿真計算及分析

王曉玲

(甘肅亞盛亞美特節水有限公司，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

滴頭作為灌溉系統的重要組成部分，被廣泛的應用于溫室大棚、大田經濟作物的灌溉。隨著社會對農業產品和經濟作物需求的不斷增加，對農業灌溉用水量也隨之激增，為了滿足生產的灌溉需求，對滴灌系統性能也提出了新的要求。目前市場上現有的用于制作滴灌帶的滴頭多為內鑲式，因其扁平的結構便于在管帶內部固定，創新的滴頭設計均以此為基礎[1]。輸水順暢，輸出流速穩定是滴頭設計的關鍵，傳統的設計方法是以簡單的計算公式，結合實際工作記錄數據，設計滴頭內部流道。這種方法需要多次開模、小批量制造，組成滴灌帶系統來測試設計效果，因此產品設計周期長，試驗測試成本高，且過程耗時耗力，不適合產品的快速設計、制造、搶占市場。鑒于此類情況，采用基于計算流體力學的滴頭設計方法，對決定滴頭性能的內部流道進行計算分析，得到滴頭在設計工況下內部液體的流動狀態及出口流動參數，并通過分析計算得到速度場和壓力場的分布云圖，進一步研究、優化流動狀態，獲得最優設計。文中以某型鉆孔型內鑲式扁平滴頭為研究對象，在給定工況下，計算分析內部流道，獲得對應的流動參數，驗證滴頭設計的合理性，以及提出對應的改進方案。將此方法應用于滴頭設計，對優化流道結構設計、簡化設計流程、縮短研發周期有著重大的意義。

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

文中所述鉆孔型內鑲式扁平滴頭其為扁平長型一體化結構式滴頭，在其粘結面上沿長度方向設置有進水過濾口，與進水過濾孔平行設置短而寬的齒形流道，該流道的進口與進水過濾口連通，齒形流道的出口與浴池形出水槽連通，形成完整的內部流道。鉆孔型內鑲式扁平滴頭二維結構示意如圖1所示。

根據二維圖紙，使用三維建模軟件，對鉆孔型內鑲式扁平滴頭進行三維建模，獲得研究對象的數字模型。鉆孔型內鑲式扁平滴頭模型如圖2所示。

圖1 鉆孔型內鑲式扁平滴頭二維結構示意1.進水孔 2.齒形流道 3.出水槽

圖2 鉆孔型內鑲式扁平滴頭三維模型

由于計算分析的對象為鉆孔型內鑲式扁平滴頭的內部流道，因此要對鉆孔型內鑲式扁平滴頭三維模型做前處理，即提取獲得內部流道。通過對上述三維模型進行布爾運算，同時考慮到仿真軟件的工作特點，需要忽略計算對象中不影響計算結果的部分模型特征，以減輕計算機計算壓力，最終獲得可用于仿真分析的算模型。此研究所需計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

1.2 計算模型網格劃分

采用前處理軟件對鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道計算模型進行計算模型網格劃分，由于此研究流道內輸送介質為流體，在網格劃分時需要配置適合計算流體力學的離散化網格劃分格式。考慮到該計算模型在形狀上既存在直角部分結構，又存在圓角部分結構，為方便網格劃分，兼顧網格質量，采用非結構化網格劃分形式。劃分獲得的網格節點數為70 843個，網格數量為325 811個。鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道計算部分網格劃分結果如圖4所示。

圖4 鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道計算部分網格劃分

1.3 計算方法及控制方程

在對鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道進行仿真時，其內部流動介質為水，考慮流動特性，做出如下假設[2]：①鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道內部空間被液體完全充滿；②由于重力、體積力遠小于黏滯力，可忽略不計；③假設內部流動為定常狀態，與時間維度無關；④流體計算域流體為不可壓縮液體。

基于以上假設，在進行求解時對鉆孔型內鑲式扁平滴頭流場采用基于壓力的穩態求解器，采用標準的k-ε湍流模型[3]，忽略溫度的作用，不考慮能量方程，控制方程如下：

(1) 連續性方程

(1)

(2)

(2) 動量方程

(3)

式中:p為壓力，Pa；υ為運動粘度；fi為體積力，N。

1.4 邊界條件及求解方法選擇

鉆孔型內鑲式扁平滴頭流場的計算，其邊界條件主要為液體進口的參數、出口類型的設置，以及被求解量的確定。根據實際工作狀況，將被計算流場流體進口設為壓力入口，出口設為自由流出，流體域壁面為無滑移壁面。求解在當滴灌帶內部水壓為0.1 MPa的工況下，鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道內部流體的流動狀態。

鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場計算基于壓力速度耦合，對離散后的計算模型采用SIMPLEC算法[4]。為了減少計算過程中流場偽擴散，離散格式選用適用于多面體網格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。

2 計算結果與分析

通過對上述工況下鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場的計算，獲得了該區域流場分布的壓力云圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，在正面壓力分布云圖中，鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場計算域壓力的最大值出現在兩段齒形流道中與出口處出水槽相連的一段，且壓力的最大值為0.279 MPa；背面云圖中，流場液體進口處的壓力值為0.1 MPa；壓力的最小值出現在出口水槽處，由于設置出口邊界條件為自由出流，則在此處液體的壓力值為0 MPa。從圖中可以看出，在齒形流道出口與出水槽連接處，壓力值從最大直降為0 MPa，表明此處壓力存在較大的梯度差，則流體對此處鉆孔型內鑲式扁平滴頭材質的沖擊力較大。

圖5 鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場壓力云圖

對鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場在給定工況下內部流體的速度場進行計算，獲得鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道速度場分布云圖如圖6所示。

圖6 鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場速度分布云圖

從圖6正面速度分布云圖可以看出，鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場速度的最大值為0.65 m/s，速度的最大值出現在齒形流道出口與出口水槽連接處，對應壓力云圖中壓力最小值處；從背面速度分布云圖可以看出，進水口處不同部位處的流速為0.3～0.5 m/s之間，且速度梯度較小，表明該設計方案滴頭進水孔能夠保證相對穩定的進水流量。在出口水槽部分，流體速度從齒形流道出口處的0.6 m/s逐漸下降，速度從最大值逐漸降為0.035 m/s，表明該滴頭出口水槽擴散式流道設計能夠有效減緩出口處水流的速度，證明設計的合理性。

針對圖5在齒形流道出口與出水槽連接處存在較大的梯度差，造成流體對此處鉆孔型內鑲式扁平滴頭材質的沖擊力較大的問題，通過檢查三維設計模型圖2(a)可以發現，此處存在一段凹槽，導致流體在此處產生回流，造成沖擊，使該處壓力梯度過渡不夠平緩，建議取消將此處凹槽的設計，同時對內部流道在齒狀轉角處做倒圓角處理，以減少大壓力梯度產生，從而減小水流對滴頭材料的沖擊，延長產品的使用壽命。

3 結 語

采用計算流體力學的方法，對鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道進行應力場、速度場求解計算。根據二維圖紙，建立三維模型，并對模型進行簡化處理獲得計算模型，在此基礎上通過布爾運算獲得計算流體域，并對該曲線進行離散化處理。在給定工況下對被計算流場進行了求解，結果表明：鉆孔型內鑲式扁平滴頭流道流場計算域壓力的最大值為0.279 MPa，在兩段齒形流道中與出口處出水槽相連的一段；速度的最大值為0.65 m/s，速度的最大值出現在齒形流道出口與出口水槽連接處，對應壓力云圖中壓力最小值處。結果驗證了該設計方案滴頭進水孔能夠保證相對穩定的進水流量，且出口水槽擴散式流道設計能夠有效減緩出口處水流的速度。但在齒形流道出口與出水槽連接處存在較大的梯度差，為減小水流對滴頭材料的沖擊，建議取消將此處凹槽的設計。通過此研究所述方法，考慮鉆孔型內鑲式扁平滴頭實際工況，通過計算獲得各所需物理場的云圖，能夠直觀反映計算結果。在驗證整體設計是否合理的同時，還能為設計者提供改進意見。該方法對優化滴頭設計提供了新的手段，相較于傳統設計方法極大的簡化設計難度、縮短了研發周期和研發成本。