射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响

2020-11-30王新坤靳彬彬樊二东姚吉成张晨曦薛子龙

农业工程学报 2020年2期

王新坤，靳彬彬，樊二东，姚吉成，张晨曦，王轩，薛子龙

王新坤，靳彬彬，樊二东，姚吉成，张晨曦，王轩，薛子龙

（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江 212013）

该文应用CFD两相流模拟与水力试验相结合的方法，研究射流三通产生的脉冲水流对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影响。进行射流三通水力性能试验，获取其脉冲参数（振幅、周期），用以生成波动压力，为数值模拟提供参考；对比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模拟值与实测值，验证模拟方法的可行性；数值模拟研究不同时刻脉冲条件下含沙量在流道的分布情况和不同密度、不同粒径颗粒的运动路径及速度变化。结果表明，射流三通产生的波形与同参数正弦波波形类似，可由正弦波代替射流三通波进行模拟。射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内；脉冲条件下灌水器流道的主流区和漩涡区都具有脉冲性能。脉冲条件下流道最大含沙量低于恒压条件下的22%。同一密度不同粒径条件下，恒压条件高于脉冲水流下颗粒路径的1.21%～26.9%，同一粒径不同密度条件下，恒压高于脉冲水流条件颗粒路径的3.25%～9.6%。综上，射流三通产生的脉冲波能够提高水流的挟沙能力和抗堵塞性能。

颗粒；流量；CFD；灌水器；射流三通；脉冲波；水沙两相流；抗堵塞

0 引言

滴灌具有灌水均匀、高效节水节肥、改善作物品质、增产增收等特点，是中国大面积推广应用的高效节水灌溉方式之一[1]。但灌水器流道结构复杂、尺寸微小，流道内流速较小，增大了灌水器堵塞几率，使得灌水均匀度受到影响[2-4]。因此，众多学者通过改善灌水器结构及优化灌水器结构参数来提高灌水器的流动状态和抗堵塞性能[5-7]。魏正英等[8-9]在灌水器内流场模拟的分析基础上，制作有机玻璃模型试验，应用激光多普勒对迷宫流道内速度场进行测试，分析迷宫流道内部流动场的情况及堵塞机理，提出迷宫流道的设计方法。喻黎明等[10]利用流体力学Fluent软件对迷宫滴头进行模拟，分析梯形流道内含沙量和流速分布图，并以含沙量作为边界条件，对流道进行优化，获得较好的灌水器流道模型。近年来，有学者提出动态水压改善灌水器的抗堵塞性能，利用变频器及程序控制器控制泵的转速来改变泵的频率，从而实现波动水压，这种波动水压能加剧滴灌水流的紊动性能，提高水流对颗粒物的运移能力，从而改善颗粒物的抗堵塞性能[11-13]。但这种波动水压发生器造价高、安装、试验、维护较为复杂，可靠性难以保证，是制约脉冲滴灌技术发展的关键技术之一。王新坤[14]利用射流附壁原理，设计了一种能产生脉冲水流的射流三通，结构简单、可一次注塑成型。杨玉超等[15]通过FLUENT对射流三通进行模拟发现，随着射流三通喷嘴宽度的增大，振幅和频率在变小，随着进口压力的增大脉冲频率和脉冲振幅也在增大。许鹏等[16-18]研究了不同喷嘴宽度下射流三通的脉冲频率及水头振幅与水头损失关系式，并对射流三通的流量均匀性及流量偏差率进行了研究，表明射流三通能够有效提高灌水均匀性和降低流量偏差率。王新坤等[19-20]通过设计支管射流三通，和毛管射流三通进行匹配试验，发现构建的脉冲灌水小区比普通的灌水小区能较好地提高灌水均匀性和降低流量偏差率。王新坤等[21]指出抗堵塞能力由大到小的高频脉冲波形顺序为正弦波、三角波、梯形波、矩形波。王新坤等[22]通过泥沙级配试验，测试了射流三通的抗堵塞试验。但射流三通产生的脉冲波对灌水器的抗堵塞机理还未进行研究。

本文通过高速摄影获取射流三通产生的波形，将获取的波形与正弦波进行对比分析，发现射流三通产生的波形与正弦波类似，由正弦波代替射流三通产生的波形进行模拟试验，对比分析射流三通式波动压力和恒压下灌水器内部流场中流道浓度分布、颗粒的速度及颗粒轨迹线的区别，分析射流三通产生波形对颗粒物的影响，为射流三通的抗堵塞机理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 灌水器和射流三通

试验所用灌水器二维模型及三维模型实物如图1所示，灌水器流道转角位为16°，齿高为2.17 mm，流道深度为1.87 mm，齿尖距为为2.07 mm，流道单元格总计为11个。

注：a为流道深度，mm；b为齿高，mm；c为齿尖距，mm；θ为流道转角位，(°)。

试验的射流三通二维模型及三维模型实物如图2所示，射流三通的结构组成包括：射流元件、进出口段，其中射流三通主要尺寸为：喷嘴宽度为4 mm，位差为2 mm，劈距为28 mm，侧壁夹角为20°，控制道长度=54 cm，控制管宽度c为5 mm，出口内宽度i为10 mm，分流劈半径为2 mm。

注：w为喷嘴宽度，mm；S为位差，mm；h为劈距，mm；α为侧壁夹角，(°)；cw为控制管宽度，mm；iow为出口内宽度，mm；R为分流劈半径，mm。

1.2 试验过程及测定项目

试验系统设计布置如图3所示。射流三通左出口连接60 m滴灌带（华维节水有限公司生产的内镶式滴灌带，内径16 mm），其右出口连接定制的迷宫流道灌水器。

1.水箱；2.压力表；3.压力传感器；4.射流三通；5.定制的迷宫流道灌水器；6.普通三通；7.水泵；8.阀门

试验在江苏大学节水灌溉技术研究中心微灌实验室进行，实验室喷灌大厅温度为24°～29°，相对湿度为50%～60%。本试验主要分为2部分：射流三通左出口脉冲波形的测定；连接射流三通右出口和普通三通出口的定制灌水器出口流量的测定。通过高速摄影分别拍摄三通进口压力为50、60、80、100、120 kPa时射流三通左出口波动压力，并用i-SPEED后处理软件记录相应压力变化数值大小。分别测量普通三通和射流三通的进口压力为50、60、80、100、120 kPa时灌水器出口流量。

灌水器出口流量通过称质量法测定，收集稳定压力下20 min的灌水器出流水量并用精密电子秤称质量。对射流三通出口压力变化主要通过高速摄影拍摄，然后通过i-SPEED后处理软件记录压力变化数值大小，然后使用Origin软件绘制射流三通产生的脉冲波形；压力传感器（零点偏差：0.5%，稳定性：0.25级）能实时记录射流三通的脉冲波形，两者得到的波形能相互验证。

1.3 数值模拟

1.3.1 几何模型

本研究的迷宫流道结构灌水器如图1所示。通过UG软件构建的三维水体模型利用ICEM软件进行网格划分，考虑到结构较为不规则，选用非结构网格，考虑到计算时有回流现象，将灌水器流道进出口各延长4 mm,以便于计算精确，并通过网格无关性计算，最终选定网格数为20万数值计算。

1.3.2 模拟过程

灌水器流道中水流会产生不同程度的漩涡且流动状态非常复杂，因此本文采用RNG湍流模型进行数值模拟计算[23-24]。进口边界条件为脉冲水压（其中之一如图4所示）或恒定水压，且泥沙颗粒的初始速度和水流速度一样，出口边界条件压力值为0。数值计算采用有限体积法离散控制方程，对流项各参数的离散都采用二阶迎风格式，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法求解，收敛精度为10-4。

图4 射流三通出口压力曲线

两相流的含沙量设定为0.01 g/mL，其中固体颗粒直径为80m，固体颗粒密度为2 500 kg/m3。二相流采用Fluent软件标准欧拉-拉格朗日模型多项流模型模拟沙粒在灌水器流道内含沙量的分布情况，考虑曳力，其他采用软件默认函数。离散相模型是两相流的一种基本模型，其实质时基于欧拉-拉格朗日方法的稀相流模型。由于实际颗粒运动的随机性，连续相流场的计算初步完成后，需要考虑湍流脉动对颗粒的影响，因此本文能使用DPM中的随机轨道模型来模拟颗粒流动的运动问题。

2 结果与分析

2.1 数值模拟试验验证结果

不同压力下射流三通产生的脉冲波形参数如表1所示。在脉冲条件及恒压条件下测定的灌水器清水流量及其模拟值如表1所示，二者相对误差为1.1%～6.6%。与李云开等[25]对3种常见的锯齿形迷宫滴头进行15～150 kPa压力条件下流量的CFD数值模拟结果基本一致，流量的实测值与模拟值之间的相对误差均低于7%。由此可见，流场数值模拟准确度很大，且具备足够的可靠性，精确性和代表性。

表1 射流三通进口压力与脉冲振幅及振动频率

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 单向流流场分析

1）流速分析

图5a为流道截面的流场速度云图，速度分为主流区和漩涡区，水流经过每个单元格的流速分布基本相等。图5b为流道第6单元格到第8单元格的速度云图和流线图，将每个单元格速度场分为主流区B和漩涡区A（又名滞留区），主流区流速较高，旋涡区流速较低，齿尖附近流速最大，靠近内壁面和漩涡区中心流速最低。该模拟结果与喻黎明等[26]对迷宫流道模型进行水沙运动CFD-DEM耦合数值模拟中流体流场分析结果一致。图6为在脉冲波与恒压波条件下灌水器中主流区和漩涡区（滞留区）监测的速度变化图，由图可知，恒压条件下主流区和旋涡区流速基本稳定不变，而脉冲波条件下水流流速持续不断变化，主要原因是灌水器进口水压为波动水压。脉冲水流在流道中能大幅度上下波动，使得水流流速也呈波动状态，水流获得更多的能量并能够携带更多的杂质。恒压和脉冲条件下，旋涡区水流流速都较低，其中恒压条件下水流流速稳定不变，而脉冲条件下水流瞬时速度为波形变化，这样主流区水流会带动漩涡区水流并使其获得波动性能，增加其紊动性能，之后旋涡区的水流又被带入到主流区，使得水流中的杂质更容易随主流流走，不易在漩涡区沉积，从而能有效提高灌水器的抗堵塞性能。

注：A、B为旋涡区和主流区

图6 在主流区和滞留区中水流的瞬时速度变化

2）浓度分布分析

进行分析时，取射流三通进口压力水头为8 m，工作压力水头为3.8～7.4 m为研究对象，灌水器入口水流固体颗粒浓度为0.01 g/mL、密度为2 500 kg/m3，固体颗粒直径为80m，采用不同的波形对灌水器进行模拟，其最大颗粒浓度和不同位置的颗粒浓度如图7所示，CFD两相流数值模拟，确定流道内固体颗粒分布状况，并绘制出最高含沙量分布等直线图。

注：T、T1/4、T1/2分别为射流三通波形水压运行的1个、1/4个、1/2个周期；2.0%～4.5%分别为相应条件下最大颗粒浓度。等高线值为颗粒浓度。

由图7可知，颗粒浓度最大处一般都集中在旋涡区，说明流道低速区容易沉积泥沙，水流流速缓慢容易引起泥沙的沉积，这与魏正英等[27]利用离子图像测速追踪沙粒在流道主流区和旋涡区运动的规律很相似。而射流三通脉冲波条件下灌水器流道中泥沙沉积浓度是随时间改变的，且脉冲波条件下浓度最大值低于恒压条件最大浓度的22.2%，说明脉冲水压条件下能减少流道中泥沙的沉积量，主要原因是脉冲水流能加强旋涡区水流的紊动性能，使得旋涡区水流获得大量能量，增大了旋涡区泥沙进入主流区的几率，从而能改善灌水器流道内泥沙的最大总沉积量。

2.2.2 离散相分析

1）不同直径颗粒运动分析

通过CFD中两相流模型模拟了密度为2 500 kg/m3且直径分别为60、80、150m的颗粒的运动。从图8和图9可以看出，颗粒粒径由小变大条件下，正弦波时颗粒轨迹路程分别为37.96、44.24、51.36 mm，恒压时颗粒轨迹分别为38.42、45.67、65.20 mm，由此可见2种波形下颗粒通过灌水器流道的轨迹路程与颗粒粒径大小线性相关，恒压下颗粒路径要高于脉冲水流的1.21%～26.9%。这是因为大粒径颗粒随水流向前运动的特性变差，结果颗粒经常与流道边壁碰撞，而之后颗粒的速度会锐减且颗粒在流道旋涡区运动，因此颗粒路径增多。对比不同条件下颗粒运动轨迹发现，恒压和正弦条件下粒径60m时颗粒轨迹都很光滑，但当颗粒粒径为150m时，恒压条件下颗粒轨迹变得不光滑且发生转折处很多，而正弦条件下依然很光滑；随粒径增大，正弦波时颗粒轨迹路程比恒压时分别小0.46、1.43、13.84 mm，且恒压与正弦波之间颗粒轨迹路程的差值也渐渐变大；由此可见，正弦波能降低颗粒与流道内壁面碰撞几率，进而减少在流道中的轨迹路程，因而加强了水流对颗粒的携带能力，降低了灌水器堵塞风险，并且颗粒粒径越大，效果越显著。60m颗粒正弦波条件下，颗粒最小速度保持在0.7 m/s左右，且与流道内壁面碰撞几率要比恒压条件下小的多，而恒压条件下颗粒最小速度保持在0.2 m/s左右，可见恒压时颗粒碰撞流道内壁几率变大，而导致颗粒瞬时速度减小，进而滞留在流道内；2种条件下，80m颗粒的最大速度均比60m颗粒小，颗粒速度基本为0的次数比60m颗粒多，且正弦波条件下的次数比恒压条件下的多，但正弦波条件下速度变化率大，从而颗粒轨迹路程比恒压条件少；2种条件下，150m颗粒速度变化显著，颗粒速度基本为0的次数比80m颗粒多，由此可见颗粒粒径变大增加了颗粒间或颗粒与流道内壁面碰撞消能的可能性，进而速度减小，路程增加，而正弦波条件下的路程又小于恒压条件，原因是脉冲水压条件下灌水器流道的旋涡区水流也在持续的大幅度的上下波动，水流流速呈非线性变化，增加了漩涡区的水流的紊动程度和水流能量，使得颗粒物获得较大的能量，增强了水流对泥沙颗粒的携带能力，漩涡区的沙粒重新进入主流区，随主流区水流流走，从而提高了灌水器的抗堵塞性能。

注：颗粒密度为2 500 kg·m-3。图9同。

图9 不同粒径的颗粒速度对比

2）不同密度的颗粒运动分析

图10为粒径是80m的，且密度分别是1 740 kg/m3镁粉、2 500 kg/m3沙粒和2 870 kg/m3铝粉的单个颗粒的模拟运动。由图10可知，当密度由小变大时，脉冲波条件下颗粒轨迹路程分别是42.75、44.23和43.38 mm，恒压条件下颗粒轨迹分别是44.48、45.67和47.55 mm，由此可知，同一粒径不同密度条件下，恒压下颗粒路径要高于脉冲水流的3.25%～9.6%；当密度由小变大时，颗粒在流道中碰撞和滞留的可能性变大，颗粒轨迹变得不那么光滑，从而颗粒轨迹路程渐渐变多，然而脉冲波条件下颗粒的轨迹路径均比恒压条件少得多，且脉冲波在密度加大为2 870 kg/m3时，颗粒路径却变少，说明密度对颗粒轨迹路程发挥作用不显著，且不如粒径影响明显。密度在1 740 kg/m3时，脉冲波条件下颗粒整体速度大于恒压条件，随着密度的增加，脉冲波条件下颗粒最小速度出现次数多于恒压条件，但与恒压条件下的路径差值呈先减小后增大的趋势，说明脉冲波下密度的增加对颗粒的作用效果更明显。

注：粒径为80 μm。

3 结论与建议

已有关于灌水器流道两相流数值分析研究主要基于恒压条件，本研究主要分析了在脉冲压力条件下灌水器两相流数值模拟结果，结论如下：

1）通过数值模拟和水力试验验证了该模拟结果的准确性，射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内，为灌水器流道的数值模拟研究提供依据。

2）通过计算流体动力学水沙两相流数值模拟，得到了灌水器迷宫流道截面的流场速度云图和流线图，对比分析脉冲波与恒压波在主流区和旋涡区监测点速度变化，表明脉冲条件下主流区和旋涡区都具有脉冲性能。

3）分析流道中颗粒浓度的瞬时分布，结果表明，颗粒浓度最大值一般聚集在滞留区，在低速区容易沉积，而脉冲条件下颗粒沉积浓度是随时间变化的，且颗粒浓度最大值低于恒压条件最大浓度的22.2%；随颗粒浓度增加，脉冲波对颗粒的影响效果更显著。

4）同一密度不同颗粒条件下，颗粒通过灌水器的路径与颗粒粒径线性相关，且恒压下颗粒路径要高于脉冲水流的1.21%～26.9%，随粒径的增大，速度极小值出现次数增多，且颗粒运动相同路程时的瞬时速度递减；同一粒径不同密度条件下，恒压下颗粒路径要高于脉冲水流的3.25%～9.6%，同条件路径增幅较小，不如粒径因素影响显著。

本文通过Fluent数值模拟方法，获得灌水器内流场速度分布、沙粒浓度分布和不同直径不同密度沙粒的轨迹路程，仅对灌水器滴头出口流量模拟值进行了验证，后期应在加工灌水器流道模型的基础上利用离子图像测速技术得到颗粒实际运动轨迹并进一步验证模拟结果。

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Effects of high frequency pulse produced by jet tee on hydraulic and anti-clogging characteristics of emitters

Wang Xinkun, Jin Binbin, Fan Erdong, Yao Jicheng, Zhang Chenxi, Wang Xuan, Xue Zilong

(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The anti-clogging mechanism of pulsed water produced by jet tee in drip irrigation system is unclear. In this study, the influence of pulse wave generated by jet tee on hydraulic and anti-clogging properties was investigated. The flow depth of emitter used by the simulation and test was 1.87 mm, the dentation height was 2.17 mm, the tooth tip distance was 2.07 mm and the corner of runner was 16o. The hydraulic performance test of jet tee was carried out to obtain its pulse parameters (amplitude, period) and to verify the predictions of the computational fluid dynamics (CFD) simulations. The fluctuating pressure with the same pulse frequency as the jet tee was as the pressure inlet boundary condition of CFD. The internal flow of the emitter was described by CFD based on solid-liquid two-phase turbulent model established. The sediment concentration distribution and particles motion path in the emitter channels were obtained by CFD. The waveform produced by the jet tee was similar to the sine wave with the same parameters. A sine wave instead of a jet ternary wave was used for simulation. The relative error between the measured value and the simulated value of the pressure and constant pressure of the jet three-way waveform was samller than 7%. When the inlet water pressure was the same, the average flow rate of the dripper under pulsed water pressure was always smaller than that under constant water pressure. Under the pulse condition, the main flow area and the vortex area of the irrigation channel had pulse performance, and the maximum particle content of the flow channel was lower than 22% under constant pressure. Under the same particle density and different particle size conditions, the particle path in the constant pressure flow was from 1.21% to 26.9%, which was higher than that in the pulse flow. With the increase of particle size, the number of times of the minimum velocity increased, and the instantaneous velocity decreased with the same distance of particle movement. Under the same particle size and different particle density conditions, the particle path in the constant pressure flow was from 3.25% to 9.6%, which was higher than that in the pulse flow. The increase of particle path under the different particle density conditions was smaller than that under the particle size conditions. The comparative analysis above shows that the pulse wave generated by the jet tee would improve the sand-holding ability and anti-blocking performance of the water flow.

particles; flow rate; computational fluid dynamics; emitter; jet tee; pulse; water-sediment two-phase flow; anti-clogging

王新坤，靳彬彬，樊二东，姚吉成，张晨曦，王轩，薛子龙.射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：113－119.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.014 http://www.tcsae.org

Wang Xinkun, Jin Binbin, Fan Erdong, Yao Jicheng, Zhang Chenxi, Wang Xuan, Xue Zilong. Effects of high frequency pulse produced by jet tee on hydraulic and anti-clogging characteristics of emitters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 113－119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.014 http://www.tcsae.org

2019-07-17

2019-12-08

国家自然科学基金项目（51579116）；江苏省科技计划项目（BE2018373）

王新坤，研究员，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email：xjwxk@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.014

S275.6

1002-6819(2020)-02-0113-07