钻孔型内镶式扁平滴头内部流道仿真计算及分析

王晓玲

(甘肃亚盛亚美特节水有限公司，甘肃 兰州 730300)

0 引 言

滴头作为灌溉系统的重要组成部分，被广泛的应用于温室大棚、大田经济作物的灌溉。随着社会对农业产品和经济作物需求的不断增加，对农业灌溉用水量也随之激增，为了满足生产的灌溉需求，对滴灌系统性能也提出了新的要求。目前市场上现有的用于制作滴灌带的滴头多为内镶式，因其扁平的结构便于在管带内部固定，创新的滴头设计均以此为基础[1]。输水顺畅，输出流速稳定是滴头设计的关键，传统的设计方法是以简单的计算公式，结合实际工作记录数据，设计滴头内部流道。这种方法需要多次开模、小批量制造，组成滴灌带系统来测试设计效果，因此产品设计周期长，试验测试成本高，且过程耗时耗力，不适合产品的快速设计、制造、抢占市场。鉴于此类情况，采用基于计算流体力学的滴头设计方法，对决定滴头性能的内部流道进行计算分析，得到滴头在设计工况下内部液体的流动状态及出口流动参数，并通过分析计算得到速度场和压力场的分布云图，进一步研究、优化流动状态，获得最优设计。文中以某型钻孔型内镶式扁平滴头为研究对象，在给定工况下，计算分析内部流道，获得对应的流动参数，验证滴头设计的合理性，以及提出对应的改进方案。将此方法应用于滴头设计，对优化流道结构设计、简化设计流程、缩短研发周期有着重大的意义。

1 计算模型及仿真方法

1.1 计算模型

文中所述钻孔型内镶式扁平滴头其为扁平长型一体化结构式滴头，在其粘结面上沿长度方向设置有进水过滤口，与进水过滤孔平行设置短而宽的齿形流道，该流道的进口与进水过滤口连通，齿形流道的出口与浴池形出水槽连通，形成完整的内部流道。钻孔型内镶式扁平滴头二维结构示意如图1所示。

根据二维图纸，使用三维建模软件，对钻孔型内镶式扁平滴头进行三维建模，获得研究对象的数字模型。钻孔型内镶式扁平滴头模型如图2所示。

图1 钻孔型内镶式扁平滴头二维结构示意1.进水孔 2.齿形流道 3.出水槽

图2 钻孔型内镶式扁平滴头三维模型

由于计算分析的对象为钻孔型内镶式扁平滴头的内部流道，因此要对钻孔型内镶式扁平滴头三维模型做前处理，即提取获得内部流道。通过对上述三维模型进行布尔运算，同时考虑到仿真软件的工作特点，需要忽略计算对象中不影响计算结果的部分模型特征，以减轻计算机计算压力，最终获得可用于仿真分析的算模型。此研究所需计算模型如图3所示。

图3 计算模型

1.2 计算模型网格划分

采用前处理软件对钻孔型内镶式扁平滴头流道计算模型进行计算模型网格划分，由于此研究流道内输送介质为流体，在网格划分时需要配置适合计算流体力学的离散化网格划分格式。考虑到该计算模型在形状上既存在直角部分结构，又存在圆角部分结构，为方便网格划分，兼顾网格质量，采用非结构化网格划分形式。划分获得的网格节点数为70 843个，网格数量为325 811个。钻孔型内镶式扁平滴头流道计算部分网格划分结果如图4所示。

图4 钻孔型内镶式扁平滴头流道计算部分网格划分

1.3 计算方法及控制方程

在对钻孔型内镶式扁平滴头流道进行仿真时，其内部流动介质为水，考虑流动特性，做出如下假设[2]：①钻孔型内镶式扁平滴头流道内部空间被液体完全充满；②由于重力、体积力远小于黏滞力，可忽略不计；③假设内部流动为定常状态，与时间维度无关；④流体计算域流体为不可压缩液体。

基于以上假设，在进行求解时对钻孔型内镶式扁平滴头流场采用基于压力的稳态求解器，采用标准的k-ε湍流模型[3]，忽略温度的作用，不考虑能量方程，控制方程如下：

(1) 连续性方程

(1)

(2)

(2) 动量方程

(3)

式中:p为压力，Pa；υ为运动粘度；fi为体积力，N。

1.4 边界条件及求解方法选择

钻孔型内镶式扁平滴头流场的计算，其边界条件主要为液体进口的参数、出口类型的设置，以及被求解量的确定。根据实际工作状况，将被计算流场流体进口设为压力入口，出口设为自由流出，流体域壁面为无滑移壁面。求解在当滴灌带内部水压为0.1 MPa的工况下，钻孔型内镶式扁平滴头流道内部流体的流动状态。

钻孔型内镶式扁平滴头流道流场计算基于压力速度耦合，对离散后的计算模型采用SIMPLEC算法[4]。为了减少计算过程中流场伪扩散，离散格式选用适用于多面体网格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。

2 计算结果与分析

通过对上述工况下钻孔型内镶式扁平滴头流道流场的计算，获得了该区域流场分布的压力云图，如图5所示。

从图5可以看出，在正面压力分布云图中，钻孔型内镶式扁平滴头流道流场计算域压力的最大值出现在两段齿形流道中与出口处出水槽相连的一段，且压力的最大值为0.279 MPa；背面云图中，流场液体进口处的压力值为0.1 MPa；压力的最小值出现在出口水槽处，由于设置出口边界条件为自由出流，则在此处液体的压力值为0 MPa。从图中可以看出，在齿形流道出口与出水槽连接处，压力值从最大直降为0 MPa，表明此处压力存在较大的梯度差，则流体对此处钻孔型内镶式扁平滴头材质的冲击力较大。

图5 钻孔型内镶式扁平滴头流道流场压力云图

对钻孔型内镶式扁平滴头流道流场在给定工况下内部流体的速度场进行计算，获得钻孔型内镶式扁平滴头流道速度场分布云图如图6所示。

图6 钻孔型内镶式扁平滴头流道流场速度分布云图

从图6正面速度分布云图可以看出，钻孔型内镶式扁平滴头流道流场速度的最大值为0.65 m/s，速度的最大值出现在齿形流道出口与出口水槽连接处，对应压力云图中压力最小值处；从背面速度分布云图可以看出，进水口处不同部位处的流速为0.3～0.5 m/s之间，且速度梯度较小，表明该设计方案滴头进水孔能够保证相对稳定的进水流量。在出口水槽部分，流体速度从齿形流道出口处的0.6 m/s逐渐下降，速度从最大值逐渐降为0.035 m/s，表明该滴头出口水槽扩散式流道设计能够有效减缓出口处水流的速度，证明设计的合理性。

针对图5在齿形流道出口与出水槽连接处存在较大的梯度差，造成流体对此处钻孔型内镶式扁平滴头材质的冲击力较大的问题，通过检查三维设计模型图2(a)可以发现，此处存在一段凹槽，导致流体在此处产生回流，造成冲击，使该处压力梯度过渡不够平缓，建议取消将此处凹槽的设计，同时对内部流道在齿状转角处做倒圆角处理，以减少大压力梯度产生，从而减小水流对滴头材料的冲击，延长产品的使用寿命。

3 结 语

采用计算流体力学的方法，对钻孔型内镶式扁平滴头流道进行应力场、速度场求解计算。根据二维图纸，建立三维模型，并对模型进行简化处理获得计算模型，在此基础上通过布尔运算获得计算流体域，并对该曲线进行离散化处理。在给定工况下对被计算流场进行了求解，结果表明：钻孔型内镶式扁平滴头流道流场计算域压力的最大值为0.279 MPa，在两段齿形流道中与出口处出水槽相连的一段；速度的最大值为0.65 m/s，速度的最大值出现在齿形流道出口与出口水槽连接处，对应压力云图中压力最小值处。结果验证了该设计方案滴头进水孔能够保证相对稳定的进水流量，且出口水槽扩散式流道设计能够有效减缓出口处水流的速度。但在齿形流道出口与出水槽连接处存在较大的梯度差，为减小水流对滴头材料的冲击，建议取消将此处凹槽的设计。通过此研究所述方法，考虑钻孔型内镶式扁平滴头实际工况，通过计算获得各所需物理场的云图，能够直观反映计算结果。在验证整体设计是否合理的同时，还能为设计者提供改进意见。该方法对优化滴头设计提供了新的手段，相较于传统设计方法极大的简化设计难度、缩短了研发周期和研发成本。