微流管道内悬浮沙粒抗堵塞试验与两相流模拟分析

苏晓俊

（新疆昌吉州奇台县白杨河灌区管理站，新疆 昌吉 831800）

滴头堵塞是影响滴灌均匀度、运行成本及寿命的重要因素之一，也是科研人员重点研究对象。由于滴头流道特征尺寸微小（一般为1 mm左右）、结构复杂，很容易堵塞。对于物理堵塞主要采用过滤、沉淀等措施。但经过过滤后，仍然会有部分悬浮颗粒留在水中，并随水流进入滴头[1]。如果能够提高滴头的抗堵塞性能，将会降低大田滴灌系统的投入，同时也可以降低生产和运行成本，有利于滴灌系统的推广，更好地促进节水农业的发展。

我国于1974年引进滴灌技术，1980年研制生产了自己的第一代成套滴灌设备，经历了从应用试点到较大面积推广应用，并直接引进国外的先进工艺技术，高起点开发研制微灌设备产品。“八五”期间微灌技术已被国家科委正式列为节能科技成果推广项目。当今世界上，农业发达的国家都重视滴灌的研究，由于我国的农业用水利用效率还不到50%，所以对滴灌设备的开发、研制的投入都很大，也取得了很多成果。

本文对四种不同类型的滴头流道模型进行了初步的模拟分析，通过试验和对不同流道进行两相流模拟分析。

1 流道结构与边界条件

各种结构形式的滴头，其平面结构的设计，流道齿主体均以三角形为基础构建的，具体差异主要表现在流道结构控制参数（齿高、齿宽、齿间距和流道长度等）的变化，如图1所示。流道结构控制参数的确定，可以使滴头流道形状基本确定，即可以根据流道尺寸确定滴头流量。本文所指的流道长L是指水流经过流道起点到流道末端处的直线距离之和，并不指水流经过的实际长度，可以把齿间距作为一个流道单元，流道长度等于流道单元个数与齿间距的乘积。

图1 流道结构因素及代号

通过建立迷宫滴头流道几何模型（见图2），滴头流道是由多个结构相同的单元组成，其滴头流道尺寸见表1。

图2 流道模型结构

表1 滴头流道尺寸

2 流道结构形式和尺寸抗堵塞性能试验

试验滴灌带的布置示意图见图3，在测试装置上安装5条同一滴灌带，每条滴灌带上有不少于5个滴头，共测试的滴头数量不少于25个，实验测试四种31个尺寸的原型滴头。滴头的流量压力关系试验按照农业灌溉设备-滴灌管技术规范GB/T17188-1997[76]进行。通过对几组不同结构形式的滴头在30～180 kPa范围内，9个压力点下的多次模拟计算和试验测试的滴头流量。测试的滴头流量是采用体积法测量25个滴头出水量，每一压力下测试时间为5分钟。

图3 流道几何模型结构

在抗堵塞试验过程中，不同滴头的平均流量随时间的变化曲线呈现不同的规律。部分滴头流量在整个抗堵塞8个试验阶段中随着试验阶段的一次递增流量急剧减小，在第二阶段就出现了堵塞不出水的现象，如E4，表明滴头对固体颗粒浓度和粒径极为敏感；部分滴头流量随着试验阶段的依次递增流量减小缓慢，表明滴头对固体颗粒浓度和粒径不敏感；个别滴头在上一阶段堵塞不出水，而在下一阶段出现流量回升现象，其原因是各阶段之间停泵30分钟，在下一阶段加沙前，开泵加压，水流将堵在滴头内的沙粒冲开所致。当一条滴灌带上的部分滴头发生堵塞时，该滴灌带上其他没有堵塞的滴头的流量有少许增大，主要是因为滴灌带流量的减少引起该滴灌带水头损失减少，使得该滴灌带上未堵塞滴头处的工作压力有所增高而流量增加。

比较四类流道结构形式，由表2在试验的前三个阶段基本未堵，之后第5阶段堵塞加剧，堵塞率由56.6%增加到96%，表明额定流量较小的滴头（1.03～1.82 L/h）流道尺寸对粒径为0.09 mm固体颗粒，浓度1250 mg/L较敏感。按流道结构形式抗堵性能排序：锯齿＞斜齿＞直齿＞弧齿。

3 流道内部模拟流场分布

在此次模拟计算滴头流道的流动和颗粒输运状况算例中，我们是采用结构化网格体系，每个网格均为九节点四边形单元，由于压力的求解需要满足LBB条件，因此，在流场计算中实际采用单元类型为混合阶单元。模型的雷诺数为60，流道入口宽度为1 mm，长度约为40 mm，采用准定长假设，给定初使浓度分布及入口流量，时间步长为0.01 ms。

图4显示的是流道内部的压力分布图，从图中可以得到入口处的压力大约为1.3 atm（图中压力值为无量纲值），与试验给定的入口压力较为接近，说明模型的计算结果是合理的。流道内沿水流前进方向整体压力均匀下降，与试验结果也一致。

表2 四种流道类型滴头抗堵塞试验汇总

图4 流道内固液两相压力流线分布图

由图4可以看出沙粒的速度分布与水流的速度分布比较相近，也在齿尖的后部有涡结构产生，颗粒在流道中运动是各种力综合作用的结果，作用在颗粒上的力包括：重力、水流拖曳力、水流上举力（升力）、颗粒间作用力等。其中重力、水流拖曳力、水流上举力（升力）与颗粒大小相关，颗粒间作用力与悬浮颗粒浓度密切相关[2]。由于流道中泥沙的浓度和颗粒粒径都比较小，从上图中可以看出入流颗粒浓度低时颗粒与水的速度分布比较一致，两者之间的差异不是很大，与实验值较为吻合。且从图中可以看出速度值一般在坎前到达最大，坎后速度有回落，并且流形较坎前也有较大的变化。

4 结论

由于滴头流道复杂、尺寸微小，所以内部的流动以及物质输运状况也比较复杂，本文通过对典型滴头流道进行两相数值模拟，并得到了以下主要结论：

（1）模拟采用了二阶时空精度的有限元离散和求解手段，对不同结构形式的滴头进行了模拟分析并得到了初步结果。

（2）通过给定入口流量及出口压力等初始条件，经过模拟计算得到了该条件下的入口压力值并与试验值接近，说明了采用的数值模拟是合理的。

（3）在E2型滴头流道内部，悬浮流动的泥沙颗粒总是在流道内的齿前集中，相对齿后的浓度则较小些。且在拐角处有与其他流道明显的不同速度和泥沙浓度分布，但由于颗粒的粒径小，所以流道内水相和颗粒相的速度差异并不大。

（4）通过对滴头流道的两相数值模拟，由两相速度差异结果中可以看出，不同粒径颗粒的速度场均有所差异，从模拟图的结果可以看出，当粒径由0.01 mm增大到0.05 mm时，水相与颗粒相的速度差异开始明显。