陳 強(qiáng)，張 炯

(江西省贛撫平原水利工程管理局，南昌 330096)

壓力補(bǔ)償式滴頭研究進(jìn)展與數(shù)值模擬

陳 強(qiáng)，張 炯

(江西省贛撫平原水利工程管理局，南昌 330096)

闡述了國(guó)內(nèi)外滴頭的研究現(xiàn)狀，通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，得出數(shù)值模擬分析方法在研究滴頭內(nèi)部流動(dòng)分析以及滴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。壓力補(bǔ)償式滴頭相對(duì)其他滴頭具有出水流量不受壓力變化影響、抗堵性能好以及自沖洗功能等優(yōu)點(diǎn)，可采用數(shù)值模擬與PIV(粒子圖像測(cè)試技術(shù))相結(jié)合的方法，對(duì)其進(jìn)行研究，優(yōu)化壓力補(bǔ)償式滴頭的水力性能及抗堵塞性能。

壓力補(bǔ)償式滴頭; 數(shù)值模擬; PIV粒子測(cè)試技術(shù)；工作原理

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，年平均降水總量約為6.88×104億 m3，淡水資源總量約為2.8×104億m3，居世界第六位，但人均總量?jī)H有2300 m3，是世界平均水平的1/4[1]。我國(guó)各灌區(qū)灌溉水利用率只達(dá)到40%，而發(fā)達(dá)國(guó)家灌溉水利用率高達(dá)80%-90%，因此，發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水勢(shì)在必行[2-3]。滴灌是節(jié)水效果最好的灌溉技術(shù)之一，水的利用效率可達(dá)95%以上，同時(shí)滴灌可以將水分與施肥聯(lián)合起來(lái)使用，在世界各地得到廣泛地應(yīng)用[4]。滴灌的主要特點(diǎn)之一是滴頭出水流量小，由于滴頭孔徑比較小，因此滴頭很容易堵塞；滴灌還有另一個(gè)特點(diǎn)就是灌溉水均勻度高，滴灌系統(tǒng)的灌溉水均勻度主要受到滴頭的水力性能特性的影響。因此，滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的效果與滴頭性能(抗堵塞性能、水力性能)的好差直接相關(guān)，滴頭是整個(gè)滴灌系統(tǒng)和灌水質(zhì)量的核心部件。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與數(shù)值模擬

滴頭研究現(xiàn)狀：滴頭由于流道狹小，在實(shí)際應(yīng)用中堵塞很普遍。研究人員已經(jīng)分別對(duì)滴頭堵塞機(jī)理進(jìn)行了研究。閆大壯等通過(guò)使用清水和不同濃度的渾水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終得出了滴頭的流量隨沙粒濃度的提高而現(xiàn)變大后變小，而滴頭的流態(tài)指數(shù)略呈下降趨勢(shì)[5]。劉海軍等分別以再生水和自來(lái)水為水源，對(duì)3種滴頭(單翼迷宮式、內(nèi)鑲式滴頭和壓力補(bǔ)償孔式滴頭)的流量、灌水均勻度和堵塞的變化過(guò)程及規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了單翼迷宮式滴頭的流量和均勻度下降最大，壓力補(bǔ)償孔式滴頭的變化最小，并指出化學(xué)物質(zhì)沉淀(主要CaCO3和MgCO3)是引起滴頭堵塞的主要方式。薛英文指出水中的有機(jī)和微生物會(huì)造成為灌水器內(nèi)的堵塞，但無(wú)機(jī)顆粒是造成堵塞的主要原因。水質(zhì)的好壞是影響滴頭內(nèi)部堵塞物難易形成的重要原因，而滴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)也將影響滴頭抗堵性能。研究人員也已對(duì)滴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭水力及抗堵性能的影響做了相關(guān)研究。穆乃軍等通過(guò)對(duì)15種滴頭進(jìn)行抗堵性能實(shí)驗(yàn)研究，得出由單一結(jié)構(gòu)參數(shù)(流道寬度W、流道深度D、齒高h(yuǎn)和齒角)表征其抗堵性能存在局限性，而結(jié)構(gòu)特征參數(shù)能夠較好的反映滴頭橫縱斷面的特征。王建東等通過(guò)不同的齒間距、齒角、齒高和流道深度進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出較大流量滴頭抗堵性能差的原因可以歸結(jié)為其較小的流道寬度。李云開(kāi)等通過(guò)將AutoCAD和讀數(shù)顯微鏡結(jié)合測(cè)量出灌水器迷宮式流道的幾何參數(shù)，利用不銹鋼電火花線技術(shù)構(gòu)建圓柱灌水器的平面模型，可視化了滴頭內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)，為灌水器的開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路。

2 壓力補(bǔ)償式滴頭與數(shù)值模擬

目前滴頭的大多數(shù)設(shè)計(jì)方法還是主要以利用長(zhǎng)流道實(shí)現(xiàn)水壓的降低為主。但是由于滴頭的尺寸過(guò)小，要形成長(zhǎng)流道，就必須減小流道的截面面積，這是導(dǎo)致滴頭抗堵塞性能差的一個(gè)主要原因。壓力補(bǔ)償式滴頭具有出水流量不受壓力變化影響、抗堵性能好以及自沖洗功能等優(yōu)點(diǎn)，正漸漸被人們所認(rèn)可。根據(jù)滴頭與滴灌管的連接方式的不同，壓力補(bǔ)償?shù)晤^主要有管上式和內(nèi)鑲式兩種，管上式壓力補(bǔ)償?shù)晤^具有拆卸方便等特點(diǎn)，下面介紹管上式壓力補(bǔ)償式滴頭的工作原理。

2.1 壓力補(bǔ)償式滴頭工作原理

在調(diào)節(jié)腔內(nèi)有一個(gè)彈性膜片，膜片的下方有流道及出水口。壓力補(bǔ)償式滴頭的工作原理如圖1所示。

圖1 壓力補(bǔ)償式滴頭原理圖

壓力補(bǔ)償式滴頭的工作過(guò)程為：當(dāng)水流從滴灌系統(tǒng)的進(jìn)水口進(jìn)入后，直接進(jìn)入補(bǔ)償區(qū)彈性膜片的上部，會(huì)在彈性膜片的上下端形成了壓差，這種形成的壓差使彈性膜片發(fā)生變形，由于進(jìn)口壓力不同，當(dāng)?shù)喂嘞到y(tǒng)的進(jìn)口壓力和過(guò)流斷面面積之間達(dá)到一定比例關(guān)系的時(shí)候，就很有可能使流道內(nèi)的流量保持不變。

假設(shè)補(bǔ)償區(qū)的最小過(guò)流斷面面積為ω，則：

ω=a×b

(1)

式中：a為補(bǔ)償區(qū)深度，m；b為補(bǔ)償區(qū)最小過(guò)流斷面寬度，m,當(dāng)?shù)喂嘞到y(tǒng)的補(bǔ)償區(qū)為圓形時(shí)，b為補(bǔ)償區(qū)的直徑；當(dāng)?shù)喂嘞到y(tǒng)的補(bǔ)償區(qū)為矩形時(shí)，b為補(bǔ)償區(qū)的寬度。

由于彈性膜片上的存在著均布?jí)翰睢鱌的作用，發(fā)生變形后減少的斷面積為ω0，發(fā)生變形后滴頭的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A=ω-ω0，因此，可以推求到ω0后就可以解出得A。根據(jù)理論力學(xué)知，彈性膜片在△P的作用下，其補(bǔ)償區(qū)的變形應(yīng)該為圓弧形，如圖2所示。

圖2 彈性膜片變形示意圖

又圖可知，弓形面積：

(2)

(3)

式中:r為彈性膜片補(bǔ)償區(qū)變形后圓弧的半徑，m;θ為彈性膜片補(bǔ)償區(qū)變形后圓弧的圓心角；

從工程力學(xué)的角度方面考慮和分析，彈性膜片發(fā)生形變是因?yàn)槭艿搅溯S向力拉伸的作用，設(shè)該這個(gè)軸向力拉伸力為N，可以試著取膜片的一半作為工程力學(xué)分析的對(duì)象，如圖3所示。

圖3 隔離體

彈性膜片變形穩(wěn)定后隔離體應(yīng)該處于平衡狀態(tài)，由∑Y=0，即彈性膜片所受的力在Y方向上的合力為0，得到：

(4)

即

(5)

由工程力學(xué)知，軸向力N使彈性膜片拉長(zhǎng)：

(6)

式中：E為彈性模量，MPa;e為彈性膜片厚度,mm。

由式(5)和(6)可以得出：

(7)

滴頭的流量決定于兩個(gè)因：流速和過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e，而流速與壓力有關(guān)，見(jiàn)下式：

(8)

將式(4-7)綜合得到流量關(guān)系式：

(9)

式中：Q為滴頭流量，L·h-1；v為補(bǔ)償區(qū)最小過(guò)流斷面的流速，m·s-1；γ為壓力水容重，N·m-3。

2.2 壓力補(bǔ)償式滴頭內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬

目前用來(lái)模擬壓力補(bǔ)償?shù)晤^的軟件有：ANSYS,ADANA,FLUENT等。基于CFD(FLUENT)分析壓力補(bǔ)償?shù)晤^流道流場(chǎng)的方法如下：

2.2.1 CFD的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)選擇

壓力補(bǔ)償式滴頭流道尺寸一般在0.3-2 mm之間。由于滴頭內(nèi)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果用光滑圓管的雷諾數(shù)2320來(lái)劃分水態(tài)并不合適。李云開(kāi)等研究表明迷宮流道內(nèi)Re在105-930之間，因此流態(tài)轉(zhuǎn)折的臨界雷諾數(shù)小于常規(guī)尺度流道的值，低于255。壓力補(bǔ)償式滴頭內(nèi)流場(chǎng)可視為紊流流動(dòng)。因此控制方程可采用紊流狀態(tài)下的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。然而，從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來(lái)看，可以用N-S方程描述壓力補(bǔ)償式滴頭流動(dòng)過(guò)程，由于液體表面張力及黏性力的作用會(huì)使壓力補(bǔ)償式滴頭的研究很復(fù)雜。

2.2.2 CFD前處理

可以借助電子顯微鏡測(cè)量圓柱形壓力補(bǔ)償式滴頭內(nèi)流道尺寸，利用三維軟件 PRO/E或NX建立滴頭流道的模型。利用FLUENT前處理軟件對(duì)已經(jīng)建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率都有重要的影響。

2.2.3 CFD后處理

FLUENT中自帶后處理程序，也可以在TECPLOT中進(jìn)行。是對(duì)滴頭內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行微觀化分析，通過(guò)分析后能夠方便、準(zhǔn)確的得到速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及某個(gè)截面上的參量分析等，通過(guò)分析這些平面上的數(shù)值分布而得到結(jié)論。

2.3 PIV粒子圖像測(cè)試技術(shù)

粒子圖像測(cè)試技術(shù)是光學(xué)測(cè)速技術(shù)的一種，它能夠獲得視場(chǎng)內(nèi)某一瞬時(shí)整個(gè)流動(dòng)信息。工作原理為通過(guò)測(cè)量某時(shí)間間隔示蹤粒子移動(dòng)的距離來(lái)測(cè)量粒子的平均速度。

3 結(jié)論與建議

1)滴頭的堵塞會(huì)造成滴頭灌水的均勻度降低、灌水質(zhì)量差、使用壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使滴灌系統(tǒng)不能使用。滴灌系統(tǒng)的滴頭的堵塞問(wèn)題是目前滴灌系統(tǒng)應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的專業(yè)研究人員對(duì)滴頭的抗堵性能做了相關(guān)研究。

2)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬方法，可視化了滴頭內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)。通過(guò)利用數(shù)值模擬的方式來(lái)計(jì)算流體在三維區(qū)域內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)以及流道內(nèi)的水力損失、壓力脈動(dòng)和湍流等?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，數(shù)值模擬方法被越來(lái)越多的人們所認(rèn)可。

3)壓力補(bǔ)償式滴頭具有出水流量不受壓力變化影響、抗堵性能好以及自沖洗功能等優(yōu)點(diǎn)，但是從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料來(lái)看，對(duì)滴頭流道的數(shù)值模擬的研究主要集中在各種迷宮式滴頭。

4)可以嘗試?yán)肅FD數(shù)值模擬方法模擬壓力補(bǔ)償式滴頭內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)狀況，并采用PIV粒子測(cè)試技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)壓力補(bǔ)償式滴頭內(nèi)部流道的特征參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

[1]王留運(yùn)，葉清平，岳兵.我國(guó)微灌技術(shù)發(fā)展的同顧與預(yù)測(cè)[J].節(jié)水灌溉，2000，24(03)：3-7.

[2]徐建海，吳興旺.滴灌技術(shù)與滴灌管(帶)生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]．塑料科技，2001(02)：38-41.

[3]許平．我國(guó)微灌技術(shù)和設(shè)備現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景分析[J].節(jié)水灌溉，2002，19(01)：33-36.

[4]閆大壯，楊培嶺，趙橋.滴頭流道內(nèi)部含沙水流流動(dòng)特征的實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008,24(02)：52-55.

S277.9

A

1007-7596(2017)09-0050-03

2017-08-16

陳強(qiáng)(1988-)，男，江西南昌人，助理工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)田水利、灌區(qū)管理；張炯(1987-)，男，江西南昌人，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)田水利，灌區(qū)管理。