微灌滴头平角齿形微通道流动实验研究

金 文,张鸿雁,何文博

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安 710055;2.西安航空技术高等专科学校动力工程系,西安 710077)

0 引 言

微灌技术是通过微灌滴头以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种高效灌水技术,它以节水、省工、灌水均匀度高等特点而被广泛研究和大力推广。微灌技术的关键在于滴头的性能,而滴头性能是由其内部流道结构决定的。通常,为提高滴头流动阻力占整个系统总阻力的百分比以保证所有滴头出水量均匀,滴头内部流道往往被设计得异常复杂,其特征尺寸也只有500μ m～1mm。由此导致在使用中由于滴头堵塞造成整个系统报废已成为目前制约该技术大范围推广的重要原因。

早期对微灌滴头的研究主要集中在确定流量和压差等水力参数间的关系。Wu和Gitlin(1974)导出了沿毛管总摩擦压力水头损失的公式和能量廓线方程(EGL),用这些公式和方程可以直接计算滴头流量[1]。Tal和Zur(1980)对简单的螺旋形长流道滴头的流动特性进行了研究,建立了适合计算螺旋形灌水器压降和流体速度的经验公式[2]。Wu和Little[3](1983),Peng和Peterson[4](1994)的工作揭示了微通道外部流量和压差等参数对通道内流的阻力规律、临界雷诺数的影响。近年来,随着Micro-PIV技术的出现,对滴头微通道内流流场的测量成为可能[5]。HaoLi Wang和 Yuan Wang曾通过数学建模和Micro-PIV实验测量相结合的方法对粗糙壁直通道内流流场进行过详细研究[6-9](2005,2007)。王元和金文等对尖角锯齿型微通道内流流场Micro-PIV实验发现,在流道的尖角处除存在一个完整的大涡外,在大涡上部存在一个叠加涡[10]。笔者在此基础上,利用Micro-PIV技术对断面尺寸800μ m×800μ m的平角齿形微通道流场进行测量,通过对这类复杂微通道流场结构的研究,了解滴头内部的流动规律,发现堵塞形成的位置、原因及机理,从而为微灌滴头流道优化设计提供依据。

1 实验装置与测量技术

1.1 Micro-PIV技术

微灌滴头内流通道尺寸只有几百微米,按照国际流体力学界通用划分原则,它属于微尺度范畴,而对微流体可视化测量是近年才发展起来的。该项技术最具代表性的是Micro-PIV(微流体粒子图像测速)技术,可用于透明基体材料的微流场的速度、浓度、温度、涡量场测量。它是在传统PIV技术基础上发展而来的,而又与传统PIV技术有明显不同。首先,由于所关注的流动区域通常只有几十到几百微米,为获取高品质CCD图像,必须采用显微观测设备以提高图像的空间分辨率,但这同时大大限制了CCD相机的进光量;其次,由于激光片光厚度往往远大于微通道尺度,测量中流场是被通体照亮的,拍摄成像景深必需依靠显微镜头控制;第三,为了有效消除边壁反光所形成的干扰,测量中要使用荧光示踪粒子并在成像系统上配备荧光滤光装置;最后,由于荧光示踪粒子受激光诱导发出的荧光光强很弱,为提高成像的信噪比,需要使用有更高灰阶位数的CCD相机[5]。

1.2 实验装置

实验装置由Micro-PIV测量系统、平角齿形微通道测量段以及微流动驱动系统组成。

Micro-PIV测量系统包括激光光源、CCD相机、同步器、显微镜头及相应光学元件。其中激光光源采用美国NewWave公司生产的Mini：YAG双脉冲激光器,工作频率15Hz,最大脉冲能量150mJ;CCD相机使用德国Cooke公司的PCO.1600型,具有1600 ×1200像素和14位灰阶动态范围;同步器采用美国TSI公司生产的610034型,操作平台采用 Insight 6.0软件;示踪粒子选择美国Duke公司3μ m的荧光微球,其吸收波长峰值在532nm附近,激发波长为610nm;镜头选用日本Mitutoyo公司的Apo×10显微物镜和Nikon公司的60mm微距镜头并加装只允许波长610nm红光透过的滤光装置。

专门设计的微流动驱动系统由压缩空气源、压力调节阀、压力表、贮液容器以及压缩空气管路和溶液管路组成,通过调节压缩空气的进气压力来调节微通道的流量。图1展示了整个实验及测量装置。

图1 微通道测量平台Fig.1 The micro-channels measuring platform

平角齿形微通道试件采用有机玻璃制作,通道全长10cm,共 36个齿,过流断面为等边矩形,边长800μ m(见图2)。实验中将微通道试件固定在一台二维微型坐标架上,成像系统、座标架以及调节装置固定于由特殊型材制作的实验台面上,以保证光路系统精度。

图2 微通道试件照片Fig.2 The pattern photo of micro-channel

2 实验结果及分析

2.1 实验参数设定

在实际微灌工程中,微灌滴头的输水流量是微灌系统的主要控制参数,针对不同的土质,要求不同,一般微灌滴头输水量控制范围大致在1.0～3.0L/h之间[11]。实验中,为了解滴头微通道在不同控制参数下流动规律,按照上述实际工程数据,通过调节输送压力来控制微通道流量,进而调节流动雷诺数Re。结合测量试件内通道尺寸,实验雷诺数选定为100、150、 200、250、300。涵盖了一般微灌滴头输水量范围。

2.2 流动图像获取与处理

图3给出微尺度PIV测量系统拍摄的微通道内粒子图。从图3可以看出,Micro-PIV测量系统对微通道流场中荧光粒子拍摄的效果很好,粒子轮廓清晰,而采用滤光技术后,干扰光大大减少,背景颜色与粒子像颜色反差鲜明,粒子图像的信噪比高,也说明滤光拍摄方式对于提高图像质量十分有效。

图3 Micro-PIV拍摄微通道粒子图像Fig.3 The particle image by Micro-PIV

在微尺度测量中,由于流动特征尺度本身很小,示踪粒子布朗运动引起的误差常常不可忽略。示踪粒子的布朗运动属于正态分布的随机运动,它产生的误差分布是无偏的[12],当流动定常时,可以通过对多幅图像叠加平均的方法降低由此引起的误差。由于该实验试件内通道结构复杂,流动变化较大,因此在图像处理中未使用矢量平滑技术,以保证流场测量准确。

2.3 实验结果与分析

2.3.1 微通道整体流场结构

使用Micro-PIV系统对平角齿形微通道流场进行测量得到的粒子图像,经过互相关处理后,得到流场的速度矢量分布图(见图4)。从图4可以看到流场内测点分布均匀,各测点速度矢量信息清晰,布朗运动效应基本消除。

由于测量部位在微通道后半部分,对图4展示的滴头内流平角齿形微通道在Re=200时的流场进行分析,发现滴头内通道两个齿间流体流动结构基本一致,说明流体在充分发展后每齿通道内的流动具有周期性,因此对平角齿形滴头内流通道流动结构的分析研究可针对一个齿内进行。另外,齿内流速分布显示,在微通道内不同位置速度差异较大,微通道中受流体冲击侧部位流速较大,是通道内流体的高速区,而通道的转角以及转向直道内侧为低速区,且其中伴有涡的存在。

图4 平角锯齿形微通道流场速度矢量图Fig.4 The velocity vector of jagged micro-channels flow field

2.3.2 微通道顶角区流场

为了更加有效地分辨低速旋涡区的流动细节,提高流场的分辨率,实验使用10倍显微物镜对微通道局部位置采取缩小检测区域的办法进行了测量。图5给出了Re=200时微灌滴头平角齿形微通道内流顶角区域流场的速度矢量图、速度云图及流线图。图5的流场结构清晰地表明此处属于回流区,流速低,有涡流存在,容易造成杂质颗粒的沉积。

2.3.3 微通道转角区流场

图6给出了Re=200时微通道内流体在转角内侧区域的流场矢量图、速度云图及流线图。从图中可以看出,转角区内侧也是一处低速回流区,该区域为一狭长空间,宽度约占据通道截面1/3,区域内伴有涡生成。虽然该区域的涡旋会卷入流体中固体杂质,在流速和压差作用下杂质将滞留于此,但涡的右侧为主流区,流速较高,因此当通道内有杂质卷入时,不易造成永久性通道堵塞。

图5 平角齿形微通道顶角区域流场速度矢量图及流线图Fig.5 The velocity vector&streamline graphs of the regional corner flow field

图6 平角齿形微通道转向内侧区域流场速度矢量图及流线图Fig.6 The velocity vector&streamline graphs of the inner side region flow field

图7展示了微通道转向内侧的回流区随雷诺数改变而发生的变化。基本趋势是随着Re的增加回流区沿截面方向范围略有增加,沿流向方向范围缩短,且随Re增大涡有变大趋势。从图7可以看到,Re=100时,回流区占据截面方向范围不到1/2,而当Re=300时,占据截面方向范围已增大到近2/3。与此同时流体流动速度等值线分布也有所不同,随着Re的增大,高速区域范围逐渐缩小,且位置下移,这与低速流道内绕流阻力比高速流道内绕流阻力小有关。

图7 不同雷诺数下通道转向内侧区域流场结构变化图Fig.7 The structure graphs of the inner side region flow field at different Re

长期以来,由于微灌滴头流道尺寸微小、结构复杂,内部流动规律不详,设计一直缺乏系统的理论指导。在实际使用中,通常总是希望微灌滴头流道通畅,不易发生堵塞。这在滴头结构优化设计时,要求尽量消除流道内的低速区和涡旋区,因为这些旋涡区的存在,会使流动中带有的固体颗粒被流体涡旋卷入涡旋结构内从而使颗粒在运动过程中始终聚集于涡旋区。对于进入低速涡旋区内的颗粒,由于其所处区域水流速度极低,颗粒进入后很难再被冲出,久而久之就会因相互间的碰撞凝并,使微小颗粒合并长大、沉降而堵塞流道。但另一方面,流道圆滑会导致流动阻力减小,而滴头内流道设计是希望通过提高滴头流动阻力占整个微灌系统总阻力的百分比以平衡处于微灌管网不同位置滴头的流动损失,保证在灌溉中所有的滴头出水量均匀。因此,流道结构的改进应综合考虑两方面因素的影响,在保证微灌滴头出水均匀的条件下,根据实验结果给出的流动结构,有针对性选择滴头流道形式,降低堵塞现象发生。

3 结 论

(1)建立了微灌滴头内流微通道流动测量Micro-PIV实验平台,采用 10x显微物镜、14位灰阶PCO1600相机、3μ m荧光示踪粒子和仅允许610nm红光透过的滤光镜相配合、解决了相机与PIV系统的匹配问题,提高了图像信噪比。在图像处理中使用多次测量取平均的方法消除示踪粒子的布朗运动影响,获取了清晰的粒子图像;

(2)通过对800μ m平角齿形微通道内流场Micro-PIV实验测量,得到了微通道内流体流动的速度矢量分布图和流线分布图,发现微通道内各齿间流动结构基本一致,即微通道内流充分发展后是一种周期性流动。测量结果显示在微通道中存在低速涡流区,分析得知颗粒在此处易发生沉积,是造成堵塞的主要原因;

(3)通过对平角齿形微通道局部进行Micro-PIV实验测量,获得了两个低速涡旋区流体流动结构的细微状况,并指出了低速涡旋区内涡旋随时间和雷诺数变化而出现的结构变化趋势,对微灌滴头内流道结构优化设计提出了建议。

[1]WU I P,GITLIN H M.Drip irrigation design based on uniformity[J].T rans ASAE,1974,17(3)：429-432.

[2]TAL S,ZUR B.Flow regime in helical long-path emitters[J].Irrig Drain Div,1980,106(1)：27-35.

[3]WU P,LITTLE W A.Measurement of friction factors for the flow of gases in very fine channels used for microminiature joule-thomson refrigerators[J].Cryogenics,1983,23：273-277.

[4]PENG X F,PETERSON G P,WANG B X.Friction flow characteristics of water flowing through rectangular microchannels[J].Exp.Heat Transfer,1994,7：249-264.

[5]王昊利,王元.Micro-PIV技术：粒子图像测速技术的新进展[J].力学进展,2005,35(1)：77-99.

[6]WANG H L,WANG Y.Influence of ribbon structure rough wall on the microscale poiseuille flow[J].ASME, Journal of Fluid Engineering,2005,127(6)：1140-1145.

[7]WANG H L,WANG Y.Flow in the microchannel with rough wall：flow pattern and pressure drop[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2007,17(3)：586-596.

[8]WANG H L,WANG Y.Influence of three-dimensional wall roughness on the laminar flow in microtube[J]. Heat and Fluid Flow,2007,28(2)：220-228.

[9]王昊利,王元,邢丽燕.微通道内流的微尺度粒子图象测速技术实验研究[J].西安交通大学学报,2007,41(11)：1355-1359.

[10]王元,金文,何文博.锯齿型微通道内流流场的Micro-PIV实验研究[J].西安交通大学学报,2009,43(9)：355-359

[11]周卫平等.微灌工程技术[M].北京：中国水利水电出版社,1999.

[12]M ERKLE C L,KUBOTA T,KO D R S.An analytical study of the effects of surface roughness on boundarylayer transition[R].AF OÅce of Scin.Res.Space and Missile Sys.Org.,AD/A004786.1974.