新型分段插杆式灌水器结构设计及水力特性研究

2020-07-15朱月亭

节水灌溉 2020年7期

朱月亭，曹伟，刘洁

(1.文华学院机械与电气工程学部，武汉 430074； 2.华中科技大学材料科学与工程学院，武汉 430074)

节约灌溉用水是现代农业中的一个重要问题，滴灌是最先进的节水灌溉技术之一[1,2]，灌水器是灌溉系统中的关键部件，目前灌水器多采用细小而狭长的流道结构[3]，过流截面积一般均小于1.0 mm2，加上灌溉水源多样，水质复杂，灌水器时常因水流中各种形式的悬浮固体物发生堵塞，直接影响整个灌溉系统的运行时间及使用寿命。因此，研究如何提升其抗堵塞能力是开发新型灌水器所面临的最大难题[4]。

目前针对灌水器流道结构参数对水力特性的影响研究较多，大都聚焦在齿形角度、齿形高度、齿形间距、流道截面积及流道长度方面。王建东等[5]研究了齿间距、齿角度、流道深度、齿间距与齿角度对滴头流量的影响，指出齿间距和齿角度对滴头的流态指数影响较大。杨彬等[6]对5种不同齿型流道结构的灌水器进行了两相流数值模拟计算，提出了齿型流道结构优化改进方案。王新端[7]开展了双向流道灌水器抗堵性能及结构参数优化研究，构建了滴灌双向流道灌水器流道结构参数的多目标优化模型。魏正英等[8]分析了一种变曲率式流道灌水器的水力性能和短周期抗堵性能，王敏杰等[9]发现当灌水器的流道侧壁斜度为2°～4°时，流态指数较小。康苗业[10]通过在矩形迷宫灌水器的竖向、横向流道处加入内齿，形成双内齿矩形迷宫流道灌水器，以提高灌水器的水力特性和抗堵塞性能。喻黎明等[11]分析了滴灌灌水器迷宫流道的夹角、上底宽、齿高、齿尖参差量、流道宽因素对灌溉水流中泥沙运动的影响。李治勤等[12]双内齿矩形迷宫流道灌水器水力特性分析，当内齿高度为0.7 mm，内齿间距为0.3 mm时，流态指数达到最小。

另一方面，通过改变水源供给方式来改变灌水器水力性能及抗堵塞性能，主要通过搭建动态水压系统，增强水流的扰动特性，以降低灌水器的堵塞程度。芦刚[13]分析了工作水压对滴灌灌水器水力性能影响规律，发现动态水压能够明显地降低灌水器的堵塞程度。王聪[14]分析了基础水压、波幅和波动周期等波动因素对4种灌水器内流场流态、灌水器均匀度和抗堵塞性能的影响。郑超[15]研究了动态水压下迷宫流道内水沙运动特性，提出动态水压下迷宫流道的堵塞敏感粒径段为0.1 mm左右，较恒定水压增大2～3 倍。吴普特等[16]研究发现动态水压下灌水器主流区水流紊动异常强烈，虽然滞止区水流流速较低，但紊动强烈，悬浮粒子的沉积概率较恒定水压明显降低。但是动态水压系统需要采用自动控制与变频技术，且设备较为昂贵。

本文以插杆式灌水器为基础，通过设置螺旋分流道实现灌溉水流的分区管理，使得水流进入灌水器迷宫流道前即具有较大的紊流特性，重点研究了螺旋分流道圈数、长度、圆弧半径和数量对灌水器水力特性的影响，分析了螺旋分流道的压力和速度矢量分布，并建立了基于多参数的灌水器水力特性线性回归模型，为新型分段插杆式灌水器的设计及应用提供了基础。

1 材料与方法

1.1 灌水器结构

目前，以迷宫形流道为主要结构的灌水器在现代农业节水灌溉中发挥了重要作用。为了进一步改善灌水器压力-流量特性和紊流特性，灌水器流道横截面积变得越来越小。虽然这在一定程度上也改善了灌水器出水的均匀性，但灌水器在实际运行过程中极易发生堵塞[17]。因此，本文设计灌水器结构时首先要考虑的因素便是采用相对较大的流道横截面积，新型灌水器结构以插杆式灌水器为原型，在水流入水口和迷宫流道之间设置螺旋分流道和水流汇集区[见图1(a)]，使得进入迷宫流道的水流由平行状改变为螺旋状，增强水流裹挟泥沙的能力，降低泥沙在灌水器流道内的沉积概率。新型分段插杆式灌水器整体结构示意图见图1。图1(b)为A-A向视图，分流道由4个螺旋状流道组成。迷宫流道结构见图2，水流从c处流入灌水器流道，然后按照“分离-混合-分离”的模式，对灌水器流道内壁产生强烈冲刷，最终从e处流出，实现对农作物的灌溉。

图1 新型分段插杆式灌水器整体结构示意图Fig.1 Overall structure schematic of the new type segmented rod emitter

图2 迷宫流道结构示意图Fig.2 Schematic of labyrinth channel

1.2 仿真设置

灌水器内部流通的液体为水，这里设定水的密度为103kg/m3，运动黏度为10-6m2/s，出水口压力为0，流体模型为k-ε湍流模型，网格类型为四面体网格，网格尺寸为0.1 mm，采用FLUENT有限元仿真软件通过改变入水口压力来求解灌水器水力特性。灌水器三维模型见图3，网格模型见图4(a)，图4(b)所示为螺旋分流道的4个入水口，每个入水口均设置为压力进口。

图3 灌水器三维模型(N=4)Fig.3 3D model of emitter (N=4)

图4 灌水器网格模型Fig.4 The mesh model of emitter

1.3 水力特性仿真

本灌水器结构一方面增大了迷宫流道截面积，为1.21 mm2，较传统灌水器(流道截面积约为1 mm2)增大20%，另一方面新增了一个螺旋分流道，迷宫流道的结构参数对灌水器水力特性的影响研究较多，但螺旋分流道所起到的作用尚不清楚，这里将重点分析螺旋分流道的加入，对灌水器性能的影响。螺旋分流道的结构示意图见图5，关键结构参数分别为螺旋分流道圈数C、长度L、圆弧半径R和数量N。采用正交试验的方法进一步研究这几个参数对灌水器水力特性的影响程度，每种参数取值分别为C=1/2/3圈、R=3/3.2/3.4 mm和L=50/60/70 mm，N分别取2/3/4个。设计的新型分段插杆式灌水器结构参数正交试验表及仿真分析用灌水器类型汇总表分别见表1和表2。

图5 螺旋分流道的结构示意图Fig.5 Schematic of spiral branching channel

表1 新型分段插杆式灌水器结构参数正交试验表Tab.1 Orthogonal test table of the new type segmented rod emitter structural parameters

表2 仿真分析用灌水器类型汇总表Tab.2 Emitter type summary table for simulation analysis

2 结果与分析

2.1 螺旋分流道入水口归一化处理

由图3及图4(b)可知，设置灌水器螺旋分流道入水口边界条件时，需要对每个入水口进行处理，这里按照灌溉水流在毛管中的实际运行状态，即灌溉水流充满毛管，以近乎均等的压力进入入水口，对螺旋分流道入水口进行归一化处理，入水口三维模型见图6。

图6 归一化处理螺旋分流道入水口三维模型Fig.6 3D model of spiral brunching channel inlet after normalized treatment

以NE5-4类型的灌水器为例，分析在7 m水头下，入水口的归一化处理对灌水器流量的影响。将4个入水口分别命名为IN1、IN2、IN3和IN4，仿真分析得到的进口流量分别为1.403、1.407、1.405和1.404 L/h，总进口流量为5.619 L/h，出口流量为5.620 L/h。4个进口在传导水流方面所起到的作用相同，不会出现某个螺旋分流道提前发生堵塞的现象。入水口归一化处理后，仿真分析得到灌水器出口流量为5.616 L/h，两者之间的误差为0.08%，误差较小。因此，在后续类型灌水器仿真分析时，均对灌水器螺旋分流道入水口进行归一化处理以方便边界条件的设置及求解。

2.2 压力与流量特性

灌水器入水口压力与出水口流量之间的典型关系为：

q=kHx

(1)

式中：q为灌水器流量，L/h；k为流量系数；H为入水口压力，m；x为流态指数。

这里入水口压力H分别取5、6、7、8和9 m，利用仿真计算得到的灌水器流量q来计算每种类型灌水器的流量系数k和流态指数x，见表3。

表3 新型分段插杆式灌水器压力与流量之间的关系Tab.3 Relationship between pressure and discharge of the new type segmented rod emitter

由表3可知，每种结构类型的灌水器流态指数x值均小于0.5，最低值为0.49，表明灌水器内部水流状态均为紊流。进一步地，计算了传统灌水器的k和x值分别为2.152和0.524，结果表明螺旋分流道的设置在一定程度上增加了水流能量的消耗，使得灌水器流量稍有降低，但流态指数发生了较大的变化，实现了层流向紊流的转变，提高了水流的紊动效应。同一个CL-R下，随着N增大，k增大，x降低，这主要是因为随着N增大，灌水器的螺旋分流道总进水口面积[即图1(b)空白部分面积]增大，会有更多的水流由螺旋分流道进入迷宫流道，使得灌水器流量增加；而由于螺旋分流道的存在，使得灌溉水流紊流程度增加，进而降低了灌水器的流态指数。

2.3 螺旋分流道内流体特性

为研究螺旋分流道的内流体特性，以NE1-3类型灌水器为例，分析了在7 m水头下，螺旋分流道横截面速度矢量分布图(见图7)、新型灌水器水流汇集区横截面和传统灌水器入水口横截面速度矢量分布图(见图8)。从图7可以看出，水流在螺旋分流道内流动时，由于与壁面之间存在一定的摩擦及黏滞，使得贴近壁面区域的水流速度低于中心区域，同时，中心区域的水流流向有一定旋转，局部区域有旋涡存在。图8(a)所示为新型灌水器水流汇集区横截面的速度矢量分布图，可以看出，水流经螺旋分流道进入汇集区后，整体水流呈现旋转的状态，且以旋转的方式进入迷宫流道，由于旋涡中心具有较高的速度，对泥沙能够起到明显的扰动作用，裹挟泥沙的能力更强，可以有效降低泥沙在后续迷宫流道内的沉积。图8(b)所示为传统灌水器入水口横截面速度矢量分布图，可以看出，水流在入水口中呈层流流动，各流束之间几乎无能量和水流的交换，且贴近入水口壁面附近区域容易形成“速度死区”，极易将泥沙带进迷宫流道内，进而沉积，造成灌水器的堵塞。

图7 螺旋分流道横截面速度矢量分布图Fig.7 Speed vector map of spiral brunching channel cross-section

图8 新型灌水器水流汇集区横截面和传统灌水器入水口横截面速度矢量分布图Fig.8 Speed vector map for water flow collection area cross-section of new emitter and inlet cross-section of traditional emitter

2.4 多元线性回归模型

通常利用灌水器流量与压力之间的关系式来描述灌水器的特性，各性能参数与灌水器关键特征结构参数之间的关系可用以下方程式[18]来表达：

q=kHx=f1Hf2

(2)

k=f1(C,L,R,N)=d1Cn1Ln2Rn3Nn4

(3)

x=f2(C,L,R,N)=d2Cn5Ln6Rn7Nn8

(4)

式中：f1和f2是2个与结构参数有关的函数；d1、d2、n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8为修正系数。

对公式(2)和(3)两边进行对数化，则可转化为以下两个方程式：

lgk=lgd1+n1lgC+n2lgL+n3lgR+n4lgN

(5)

lgx=lgd2+n5lgC+n6lgL+n7lgR+n8lgN

(6)

利用表3的数据，按照公式(5)和(6)进行线性回归，得到：

k=1.916C-0.004 59L0.000 568R0.080 5N0.014 2

(7)

x=0.521C0.002 52L-0.001 87R-0.037 95N-0.006 22

(8)

公式(7)和(8)表明，整体而言R对新型灌水器的k和x影响较大，进一步增大R，可在一定程度上增大灌水器流量及紊流程度。具体而言，对于k，与L、R和N呈正相关，与C呈负相关，并且R对k值影响最大，其次为N，最后为C；对于x，与C呈正相关，与L、R和N呈负相关，并且R对x值影响最大，其次为N，最后为L。