进口结构对迷宫流道滴头性能影响的模拟研究

谢巧丽，牛文全，李连忠

(1 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2 德州市水利勘察设计研究院，山东 德州 253000)

进口结构对迷宫流道滴头性能影响的模拟研究

谢巧丽1,2，牛文全1，李连忠1

(1 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2 德州市水利勘察设计研究院，山东 德州 253000)

【目的】 分析进口栅格结构对滴头性能的影响，为迷宫流道滴头的设计提供参考。【方法】 应用计算流体力学CFD方法，对不同进口结构的滴头流道流场进行数值模拟，分析进口数目、进口宽度、进口高度和缓水区深度对滴头性能的影响。【结果】 进口流量在不同进口栅格之间分配，距离迷宫流道越远的进口栅格流量越小，流量主要集中在靠近迷宫流道的几个进口栅格；在总进口栅格断面面积大于迷宫流道最小断面面积的情况下，不同进口栅格结构几乎对滴头流量没有影响，而对各进口栅格之间的流量分配影响较大；随着进口高度和缓水区深度的增加，不同进口之间流量和流速的分布更加均匀，低速区面积减小，可降低进口处泥沙沉积，提高滴头的抗堵塞性能；单纯增加进口数目并不能从根本上改善进口处的堵塞状况，片式滴头进口数目以3～5个为宜。【结论】 进口栅格结构对滴头性能影响很大，应深入研究以优化滴头性能。

滴灌系统；迷宫流道；滴头；进口结构；滴头流量；数值模拟

堵塞仍是目前滴灌系统没有得到根本解决的重要难题，滴头堵塞问题严重制约着滴灌系统的寿命和应用。 影响滴头堵塞的因素很多，如灌溉水中的泥沙含量和粒径分布、难溶解性盐含量、微生物含量等水质问题，以及滴头的迷宫流道结构等[1-2]，其中迷宫流道结构参数对滴头抗堵塞性能影响的研究一直是本领域的研究热点。众多学者采用样品测试[3-4]、计算流体动力学CFD数值模拟[5-7]、粒子图像测速技术PIV[8]及激光多普勒测速仪LDV[9]等技术，分别研究了滴头迷宫流道结构参数对流态、流动机理、堵塞机理等的影响，确定了影响滴头水力性能和抗堵塞性能的主要结构参数及影响规律，对滴头设计提供了重要的理论指导和参考依据。另外，王文娥等[10]利用流体动力学软件对迷宫滴头进行了液固两相流数值分析，结果表明滴头进口和缓水区悬浮颗粒浓度较高。大量试验研究和调查也发现，迷宫流道滴头发生堵塞的位置大多数在滴头进口及邻近区域[11]。目前，迷宫流道进口结构一般均采用有3～30个进口的栅栏结构，而进口栅栏数量、栅栏结构参数对迷宫流道滴头的流量、堵塞等的影响，尤其是如何影响流量、流速分布，以及进口和邻近区域的流场分布，进而如何影响滴头的堵塞及堵塞发生位置等，目前对该问题的研究较少。为此，本研究以市场应用最多的片式迷宫流道滴头为研究对象，采用数值模拟方法，研究进口数量、结构参数对流量、流速分布的影响，以期为确定合理的进口结构及合理设计具有抗堵塞性能的滴头提供参考。

1 材料与方法

1.1 进口流道结构

研究对象为内镶片式迷宫流道滴头(如图1-a所示)，其进口部分由进水口和缓水区构成，进水口一般为栅栏结构(如图1-b和图1-c所示)。进口的控制参数有进口数目n、进口宽度a(mm)、进口间距l(mm)、进口长度h(mm)、进口高度b(mm)和缓水区深度d(mm)。图1为进口数目n=5时的滴头结构示意图。水流由进水口进入，经过缓水区进入迷宫流道。在缓水区内，水流方向发生改变，一小部分压能转变为动能。

根据对目前市场上常见的内镶片式迷宫流道滴头结构尺寸的调查和分析，本试验选择进口宽度a、进口高度b、缓水区深度d和进口数目n作为进口结构的控制参数，将进口间距l、进口长度h设为定值，其中l=0.5 mm，h=1.0 mm。主流道结构一定：齿转角为120°，齿间距为2 mm，齿高为0.6 mm，流道深度为1.0 mm，齿参差值为0，流道最小截面积为0.6 mm2。

进口宽度a设置5个水平，进口高度b设置4个水平，缓水区深度d设置2个水平，进口数目n设置为1，3，5，6，8，10，12，14，16，18，20个，3个因素共22个试验组合，具体设置如表1所示。

进口截面积S=a·h·n，单个进口最小截面积为0.5 mm2。按照到达迷宫流道的距离远近，依次将栅栏进口编号为1，2，3，……。

为了考虑进口截面积对进口流量的影响，本文分析进口数目n对滴头流量的影响后，模拟分析了进口数目n=1，进口高度b=1.0 mm，缓水区深度d=1.5 mm时，进口宽度a(0.25，0.50，0.60 mm)、进口长度h(0.25，0.50，1.00 mm)和进口截面积发生变化后滴头流量的变化。

1.2 数值模拟与边界条件

数值模拟选择ANSYS公司的计算流体动力学软件FLUENT6.3，迷宫流道灌水器三维模型采用AUTOCAD软件绘制，然后导入FLUENT6.3软件自带的GAMBIT模块中进行网格划分，网格单元采用六面体形式，将网格加密到一定程度(0.05 mm)后对计算精度提高并不明显，因此为加快计算速度，本模拟中将网格大小均设置为0.1 mm。

对流量和流场的数值计算采用单相流，悬浮颗粒分布的两相流模拟采用离散相模型(DPM)进行流固耦合计算，悬浮颗粒体积分数为1%，颗粒密度为2 500 kg/m3；颗粒粒径设定为0.05 mm。数值计算采用有限体积法对RNGk-ε湍流模型进行离散，对流项等参数采用一阶迎风格式，速度和压力耦合采用SIMPLE算法求解，流道壁面的处理采用壁面函数法。进、出口控制设置为压力条件，进口压力为0.1 MPa，出口压力设定为0，试验过程中监测记录的指标有出口流量、截面流速等，收敛精度设为10-4。

2 结果与分析

利用FLUENT的流量监测界面(Report flux)和图像显示可得到各进口流量和进口流场分布及悬浮颗粒的分布情况。

2.1 进口结构对滴头流量的影响

各进口流量叠加值即为滴头流量。试验D1～D22滴头流量的平均值为4.02 L/h，计算各滴头流量对平均流量的相对偏差，结果如表2所示。

从表2可以看出，所有处理的滴头流量约为 4.0 L/h，不同处理之间差异非常小。除处理D13之外，其他试验编号滴头流量的相对偏差均在-1%～1%。

进口高度b不同，其他结构参数均相同的处理D1～D4流量相对偏差较小，说明进口高度b的改变对滴头流量影响非常小。同理，处理D1～D8、处理D2和D9～D12之间流量相对偏差小，说明缓水区高度d或进口宽度a的改变对滴头流量影响也非常小。处理D8及D13～D22，其进口数目n不同，其他结构参数均相同，其中处理D13在所有处理中流量相对偏差最大，超过1%。为探明进口截面积对流量的影响，本研究通过改变D13的进口截面积，模拟计算得出各滴头流量，及与处理D13流量的相对偏差，结果见表3。由表3可以看出，滴头流量随着进口截面积的减小而减小，而相对偏差越来越大，说明此时滴头流量受到进口截面积的限制。

处理D1～D12、D14～D22进口结构参数有一定改变，但总进口截面积仍大于迷宫流道最小截面积。在总进口截面积大于流道最小截面积时，滴头流量主要由主流道结构控制，因此滴头流量差异微小。这与现在普遍认为的，灌水器是通过其内部复杂的长流道结构进行消能从而控制流量是相符的。当总进口截面积小于流道最小截面积时，水流在进口处受到限制，滴头流量随着总进口截面积的减小也逐渐减小。

2.2 进口结构对各进口之间流量分配的影响

根据测定的各进口流量，计算每个进口流量占总流量的比重，结果见图2。

从图2可以看出，从进口1依次到离迷宫流道最远的进口，各进口流量占总流量的比重依次减小，离迷宫流道最近的进口1和进口2的流量占主导地位。如处理D1进口1的流量占总流量的46.52%，进口1和进口2的流量之和占总流量的71.59%，而进口5的流量仅占总流量的6.02%。另外，随着进口的增多，各进口流量占总流量的比重均有所减小。

通过分析各进口流量占总流量的比重，当进口数目大于6时，进口1～6累计流量占总流量的比重均大于90%。由此可见，增加进口数目将使各进口之间流量分配更加不均匀。

处理D1～D12均为5个进口，从进口1到进口5的进口流量均呈迅速减小趋势，因此可以用进口5与进口1的流量比ε表示不同进口之间流量分布的均匀度，ε值越大表明进口之间流量分布的均匀度越高。以流量比ε来分析进口宽度a、进口高度b、缓水区深度d对流量均匀度的影响，结果见图3和图4。从图3可以看出，当其他参数相同时，随着进口宽度a的增大，流量比ε线性减小，当进口宽度a从0.50 mm增加到0.70 mm时，流量比ε从接近0.30降低到0.15，5个进口之间流量分配更加不均匀，此时进口流量更加集中在靠近迷宫流道的2个进口。随着进口宽度a的增大，单个进口的截面积增大，其过流能力也随之增强，在迷宫流道总过流能力一定的情况下，远离迷宫流道进口的流量占总流量的比重迅速下降。为了提高栅格过滤效果，使进口流量分布更加均匀，应适当减小进口宽度。

从图4可以看出，随着进口高度b的增大，流量比ε呈增大趋势，但是增大趋势比较缓慢。说明随着进口高度b的增大，每个进口通道长度增大，过流的局部水头损失增大，不同进口之间的流量分配趋于均衡。缓水区深度d对流量比ε的影响远大于进口高度b，随着缓水区深度d的增大，流量比ε快速升高。分析其原因，主要是随着缓水区深度d的增大，缓水区空间则增大，当水流进入缓水区后缓冲效果增强，各进口末端的流速、压力差异减小，促进了各进口之间流量的均衡分配。

综上所述，在不增加片式滴头厚度的情况下，应适当增加缓水区深度，减小进口高度，提高各进口之间流量分配均匀度；在保证流道供水能力的前提下，减小进口宽度可以提高栅格的过滤和防堵塞能力。

2.3 进口结构对进口流速场分布的影响

利用FLUENT可观测滴头内部的流速分布情况，限于篇幅，本研究仅列出具有代表性的处理D1、D8、D14、D22进口1/2深处的流速分布，如图5所示。从流速分布情况看，为防止进口及邻近区域的泥沙沉降及堵塞，应尽量提高各进口间流量分配的均衡性，降低缓水区的0流速区域。从图5可以看出，处理D1进口的高流速区主要集中在进口1、进口2及其缓水区，其他3个进口及其缓水区0流速区域较大。与处理D1相比，处理D8进口1、进口2的流速较低，而进口3、4、5流速较高，说明处理D8各进口流速差异相对不是非常明显，流速分布较均匀。D1～D12其他处理的流速分布均匀度介于D1和D8之间。

由图5还可以看出，处理D14进口流速分布较处理D1、 D8、 D22进口流速分布均匀；处理D22的进口4～20处流速基本为0，流速分布最不均匀。可见增加进口数目将使流速分布更加不均匀。

由滴头进口流速分布图和2.2节分析可知，滴头进口之间流量分配的均匀程度与进口流速分布的均匀程度相一致。

2.4 进口结构对进口悬浮颗粒分布的影响

对应图5列出处理D1、D8、D14、D22进口1/2深处的悬浮颗粒分布图，结果如图6所示。由图6可以看出，处理D1悬浮颗粒的高质量浓度区域主要集中在远离迷宫流道的进口4和5附近；处理D8悬浮颗粒的高质量浓度聚集区域主要集中在进口5及靠近边界的缓水区域；D22各进口和缓水区悬浮颗粒的质量浓度均较高，离迷宫流道近的进口1和2悬浮颗粒的高质量浓度区域略小于其他区域，缓水区内几乎都有高质量浓度悬浮颗粒分布，其高质量浓度区域面积明显高于其他处理；处理D14悬浮颗粒的高质量浓度区域面积最小。

综上所述，从进口部分悬浮颗粒的分布来分析，单纯增加进口数目并不能从根本上改善进口处的堵塞状况，而进口数目适当减小时，高质量浓度悬浮颗粒区域减小，进口处泥沙沉积几率降低，滴头的抗堵塞性能提高。因此，应适当减小进口的数目。这与2.3节分析结果一致，可见进口处颗粒的沉积区域与流速的分布关系密切，流速低的区域，泥沙颗粒容易沉降，造成进口和缓水区邻近区域堵塞。

3 结论与讨论

(1)在总进口截面积大于迷宫流道最小截面积时，进口结构参数的改变对滴头流量不产生影响；反之，滴头流量随总进口截面积的减小逐渐减小。

陈雪等[12]、王瑞环等[13]的研究表明，流量与流道单元数、齿角度、齿间距、截面面积等结构尺寸有关。魏正英等[14]研究认为，单元尺寸越小流量越小，因此滴头流量大小主要受迷宫流道最小尺寸的影响，总进口截面积大于迷宫流道最小截面积就不会影响滴头流量。

(2)离迷宫流道越远的进口流量越小，主要流量集中在靠近迷宫流道的几个进口；可通过适当减小进口宽度、增大进口高度和缓水区深度等方法，提高各进口之间流量的均匀分配以及进口处的抗堵塞能力。进口结构对滴头进口之间流量分配的均匀程度、进口流速分布的均匀程度、悬浮颗粒分布情况的影响是一致的。因此，可通过流量分配情况来分析进口结构对滴头抗堵塞性能的影响。

目前还未看到与进口间流量分配情况类似的相关研究。另外，由于滴头尺寸太小，还没有可用于实际观测各进口流量的验证试验方案，包括PIV等方法都无法准确确定各进口的实际流速和流量。

(3)适当减少进口数目，可显著提高各进口流量的分配均匀性，提高各进口的流速，改善进口及邻近区域的流场分布，防止进口及邻近区域的泥沙沉降及堵塞。目前，市场上常见的片式滴头进口数均在5个以上，最多达到30个左右，但本试验结果发现，单纯增加进口数量不仅无法提高进口处的抗堵塞能力，反而由于流量分配分散，部分进口流速过低，缓水区0流速区域过大，更易造成进口及邻近区域泥沙沉降堵塞。从理论上分析，单一进口的流场特性最佳，但考虑到实际进入毛管的水流首先通过过滤器，由于过滤器的过滤效果、损坏及其他原因，部分较大颗粒还是有机会进入毛管，容易造成滴头进口堵塞；另外，即使过滤效果较好的情况下，当过滤器无法过滤的细小颗粒(直径小于0.1 mm)质量浓度较大时，也容易造成毛管沉积堵塞。因此，适当增加进口数目，有利于防止部分进口堵塞，保证滴头流量的供给。综合考虑上述因素、滴头大小及结构的复杂性，建议片式滴头进口数目以3～5个为宜，但该结论还需要进一步的试验验证。

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Influence of inlets on performance of labyrinth channels emitter

XIE Qiao-li1,2,NIU Wen-quan1,LI Lian-zhong1

(1CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2DezhouProspectingandDesigningInstituteofWaterConservancy,Dezhou,Shandong253000,China)

【Objective】 This study analyzed the impact of fencing inlets structure on the performance of emitter to improve the design of labyrinth channels emitter.【Method】 Computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation was used on dental labyrinth channel emitters.The effect of inlet number,inlet width,inlet height and depth of store on performance of emitter was analyzed.【Result】 The flow rate of emitter was allocated between different fencing inlets.The smaller the inlet was,the farther the flow rate would be away from the dental labyrinth channels.Moreover,the flow rate was mainly concentrated in inlets near the dental labyrinth channels.In the case that total area of inlets was greater than the minimum cross-sectional area of dental labyrinth channels,the structure of inlets had no influence on flow rate of emitter,but had a greater influence on the distribution of flow rate between inlets.With the increase of the depth of inlets and store,the distribution of flow rate and velocity between inlets was more evenly and the low-speed area reduced.This reduced the sediment deposition in the inlets,and improved the anti-clogging performance of emitters.Clogging in the inlets cannot be improved fundamentally by increasing the number of inlets simply.A total of 3-5 inlets were appropriate for emitter.【Conclusion】 The impact of fencing inlet structure on emitter performance was great,and should be further investigated to optimize the performance of emitter.

drip irrigation system;labyrinth channels;emitter;structure of inlet;emitter flow rate;numerical simulation

2013-09-13

国家高技术发展计划“863计划”项目(2011AA100507)

谢巧丽(1987-)，女，河北石家庄人，硕士，主要从事灌溉理论与节水技术研究。E-mail:wwwhappyxie@126.com

牛文全(1972-)，男，甘肃甘谷人，教授，博士，主要从事灌溉理论与节水技术研究。E-mail:nwq@vip.sina.com

时间:2014-12-12 09:30

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.01.023

S275.6

A

1671-9387(2015)01-0206-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20141212.0930.023.html