基于ANSYS／CFD的灌水器迷宫流道抗堵优化设计

李 萍， 王 月， 王龙业， 廖带根

（1．辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001；2．辽宁抚挖重工机械股份有限公司研究院，辽宁抚顺 113126；3．中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司热电厂，辽宁抚顺 113004）

基于ANSYS／CFD的灌水器迷宫流道抗堵优化设计

李 萍1， 王 月2， 王龙业3， 廖带根3

（1．辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001；2．辽宁抚挖重工机械股份有限公司研究院，辽宁抚顺 113126；3．中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司热电厂，辽宁抚顺 113004）

针对灌水器易堵塞的问题，以AutoCAD和ANSYS相结合的方法建立了滴灌管式灌水器迷宫流道的CFD数值模型，并对国内常用的方形迷宫流道灌水器的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。结果表明，迷宫流道内压力沿流道长度呈线性变化，流道齿尖两端都有不同程度的流动滞止区。经过对比分析，根据流道中主流体的流线形状分布重新设计了流道的结构，并进行仿真分析，结果证明流道结构得到了优化，提高了迷宫灌水器的抗堵能力。数值模拟也为灌水器水力性能的进一步研究及一体化灌水器的快速开发提供理论基础。

灌水器； 迷宫流道； 抗堵能力； 数值模拟

国际节水灌溉技术发展的状况表明，滴灌是常用及有效的一种节水灌溉方式［1］。灌水器是滴灌系统的重要部件，灌水器内部流道结构直接影响滴灌的效果。现在常用流道为迷宫流道［2］，其迂回结构处存在90%的水力损失，是消能的主要部位。但也很容易发生堵塞，成为现今抑制滴灌发展的一个瓶颈。灌水器的堵塞大多是由于固体颗粒的沉积或由于藻类的产生而造成的，因而这种原因的堵塞仅依靠提高过滤器的性能是不能从根本上解决问题的，所以迷宫流道主航道抗堵设计成为了灌水器研究的一个热点［3］。

由于灌水器流道尺寸微小、结构复杂，因此，目前对于灌水器的研究主要是进行灌水器宏观水力性能的研究，较为成熟的方法是数值计算方法［4］。王尚锦等［4－5］采用有限元法对滴头流道内部的流动进行了数值模拟，并根据计算得到的灌水器流场分布，研究了雷诺数对流场的影响，给出了滴头流态指数及流量计算公式。Paulau S等［6］采用软件FLUENT对圆柱型滴头的流量压力特性进行了计算。魏青松等［7］运用水力学公式、数值模拟和快速成型试验研究了尺寸为0．1～1 mm的几组绕流流道滴灌带的水力性能，流动模拟得到了绕流流道中流场的可视化微观水力特征，通过实验结果得到绕流流道的流态指数为0．5左右，即证明灌水器迷宫流道内流态为紊流。牛文全等［8－9］应用CFD二相流模拟技术研究了迷宫结构流道内流态变化与固体颗粒的分布状况，应用计算流体力学分析了迷宫流道灌水器的水力性能，模拟了含沙量在流道内的分布规律，提出以较小的含沙量等值线为流道边界对流道进行优化设计的方法。本文在此基础上，利用ANSYS／CFD软件研究迷宫式灌水器内部流动状态［10］，以改进灌水器的流道设计。

1 方形迷宫流道建模与计算

1．1 控制方程

迷宫灌水器内部的水流运动可视为不可压缩流体的运动，因此基本控制方程由连续性方程和Navier—Stokes方程等构成，它们的矢量形式为［11］：

连续性方程：

其中，V—流速，m／s；p—流体压力，Pa；ν—运动粘度系数，m2／s；ρ—水的密度，kg／m3；f—质量力，N。

1．2 建立模型

应用CAD绘制几何图形，并导入ANSYS中对灌水器的方形迷宫流道进行建模，此方形流道齿距为5．2 mm，截面积为0．9 mm×0．9 mm（宽×深），其流道平面图如图1所示。

1．2 网格划分

以比例因子0．1进行二维的FLUID142 2D自由网格划分，由于边壁速度梯度变化较大，所以在边壁细化网格。网格生成如图2所示。

Fig．1 Square runner plan graph图1 方形流道平面图

Fig．2 Square runner grid图2 方形流道网格

1．3 边界条件

流体为20℃下的液态水，可认为是定常、连续、不可压缩流体，其性质为恒值。设进口工作压力为100 k Pa，出口压力为0，在内壁上施加无滑移边界条件（即所有速度分量为0）。

因流道为绕流流道，所以本文选用标准的k－ε紊流模型。并且设定常温下水的密度为998．2 kg／m3，运动黏度为1．007×10－6m2／s，设迭代次数为60次，进行计算。

1．4 结果分析

计算结束后进行后处理过程，将数据结果读入数据库，得到速度矢量图及压力分布图，如图3，4所示。由图3可知，水压沿水流方向逐渐降低，实现了灌水器的压力调节功能，达到消能的目的。

由图4可看出，流道边界直角背水面C，D区域中存在明显的漩涡回流，这些漩涡与主流相互混掺构成灌水器消能的主要因素，而在平齿的背水面A，B区域附近流速很低，且无明显回流现象，为堵塞发生的隐患区域。而湍流中漩涡的存在，一方面达到了流道消能的目的，另一方面涡漩的运动不断冲刷流道壁面起到了清洗的作用，由图4可知，A，B区域涡流明显减少且存在一定的流动滞止区，不利于流道形成“自清洗”功能，应予以修整。

Fig．3 Square runner pressure－plotting图3 方形流道压力分布

Fig．4 Square runner velocity vector diagram图4 方形流道速度矢量图

2 改进的迷宫流道设计

2．1 改进迷宫流道的建模与计算

由以上模拟所得结果，根据迷宫流道中主流体的流线形状分布，重新设计流道的结构，即按照主流体的流速分布线最外侧设计流道结构，经反复计算修改，确定改进后的迷宫流道形状如图5所示。

将CAD中所建模型导入ANSYS中，进行网格划分，并设定同样的边界条件进行计算，得到速度矢量图和压力分布图，改进后流道的速度矢量图如图6所示。

2．2 结果对比分析

由改进后流道速度矢量图6可以看出，通过结构优化，迷宫流道齿尖处射流偏转及收缩所造成的背水面主流与边壁之间的低流速区域流动状态得到改变，变成了可以消减压能的回流。同时通过对回流区域的流道尺寸的修减，增强了回流对边壁的冲刷效果，可以抑制杂质沉积和微生物滋生，减少了流道的堵塞隐患，使流道长时间运行不会发生堵塞。因此，改进后的迷宫流道抗堵塞的性能有了大幅度提高。

Fig．5 The improved labyrinth runner plan graph图5 改进后迷宫流道平面图

Fig．6 The improved runner velocity vector diagram图6 改进后流道速度矢量图

3 结束语

本文以截面积为0．9 mm×0．9 mm（宽×深）的方形迷宫流道灌水器为例，使用ANSYS／CFD进行了模拟计算，得到其内部的水流流态。通过对流道速度矢量图的分析可知，方形迷宫流道内涡流少且存在流动滞止区，导致流道易堵塞。为解决这一问题，根据方形迷宫流道中主流体的流线形状，经多次研究计算，对原有方形迷宫流道进行了改进设计，并进行了仿真分析。根据改进后迷宫流道的速度矢量图可知，改进后的流道回流区域增多，增强了对流道边壁的冲刷，大大地提高了抗堵塞性能。另外，本文也为灌水器的快速成型技术提供了理论参考。

参考文献

［1］ 赵万华．滴灌系统关键技术研究［J］．中国农业科技导报，2007，9（1）：21－25．

［2］ 李云开，杨培岭，任树梅．圆柱型迷宫式流道滴灌灌水器平面模型试验研究［J］．农业机械学报，2006，37（4）：48－51．

［3］ 喻黎明，吴普特，牛文全．迷宫流道偏差量对灌水器水力性能及抗堵塞性能的影响［J］．农业机械学报，2011，42（9）：64－68．

［4］ 王尚锦，刘小明．农灌用新型迷宫式滴头内流动特性分析［J］．农业机械学报，2000，31（4）：43－46．

［5］ 王尚锦，刘小明，席光．迷宫式滴头内流动的有限元数值分析［J］．农业工程学报，2000，16（4）：61－63．

［6］ Paulau S，Arviza V G，Bralts V F．Hydraulic flow behavior through an in－line emitter labyrinth using CFD techniques［C］／／Proceedings of ASAE／CSAE meeting．Ontario，Canada，2004：1－8．

［7］ 魏青松，史玉升，芦刚．内镶式滴灌带绕流流道水力性能研究［J］．农业工程学报，2006，22（10）：83－87．

［8］ 牛文全，吴普特，喻黎明．基于含沙量等值线的迷宫流道结构抗堵塞设计与模拟［J］．农业工程学报，2010，26（5）：14－20．

［9］ 牛文全，喻黎明，吴普特．迷宫流道转角对灌水器抗堵塞性能的影响［J］．农业机械学报，2009，40（9）：51－56．

［10］ 高雪利，马贵阳．埋地输油管道泄漏渗流数值模拟［J］．辽宁石油化工大学学报，2011，31（2）：20－23．

［11］ 方道元，张挺．变黏性Navier－Stokes方程组［M］．杭州：浙江大学出版社，2008．

（Ed．：WYX，CP）

Anti－Clogging Optimization Design on Labyrinth Path Irrigation Emitter Based on ANSYS／CFD

LI Ping1，WANG Yue2，WANG Long－ye3，LIAO Dai－gen3
（1．School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001，P．R．China；2．Research Institute of Fuwa Heavy Industry Machinery Limited Company，Fushun Liaoning 113126，P．R．China；3．Thermal Power Plant of PetroChina Fushun Petrochemical Company，Fushun Liaoning 113004，P．R．China）

16 June 2012；revised 25 July 2012；accepted 27 August 2012

According to the clogging problem of emitter，the computational fluid dynamics（CFD）numerical model for the labyrinth channels of drip irrigation emitters was established by used the method of combining AutoCAD with ANSYS．Computational fluid dynamics method was applied to calculate the relationship between the discharge and the pressure of the square labyrinth path irrigation emitter in ordinary use and the distributions of the pressure and velocity inside the emitter．The calculated results are that the pressure change in the emitter is linear with the length of the flow path and there are the flow stagnant areas at different degree between the two ends of the path tooth point．By compared and analyzed，the labyrinth path structure was redesigned in accordance with the streamline shape distribution of the main liquid in the path，and the simulation of the path was employed．So the structure of channel was optimized and the anti－clogging ability of the labyrinth irrigation emitter was improved．The computational simulation method could provide theoretical basis for the further study on the hydraulic performance of he irrigation emitter and the rapid development of the integral irrigation emitter．

Irrigation emitter；Labyrinth path；Anti－clogging ability；Numerical simulation

．Tel：＋86－24－56865012；e－mail：liping791215＠126．com

TE905；S275．6

A

10．3969／j．issn．1006－396X．2012．05．017

1006－396X（2012）05－0068－03

2012－06－16

李萍（1980－），女，吉林长春市，讲师，硕士。

辽宁省教育厅资助项目（L2010246）。