三角形迷宫流道滴灌灌水器结构参数及水力特性研究

郭 霖 ，白 丹 ，程 鹏 ，周 文

（1.西安理工大学水利水电学院，西安 710048；2.华北水利水电学院，郑州 450011）

滴灌灌水器是滴灌系统中最关键的部件之一，国内外学者对其内部性能的研究一直以来都是研究的重点，其作用是使进口压力一定的水流通过其内部具有消能作用的流道结构使水流以均匀稳定的流量流出，其结构性能的优劣直接影响着灌水器的水力性能以及滴灌系统的灌水均匀性、抗堵塞能力以及寿命长短[1]。国外关于灌水器内部结构的研究己经拥有相当丰富的设计经验、成熟的生产工艺，并且其设计经验与生产工艺还在不断改善与提高，在实际应用中取得了较为满意的效果，但国外专家与生产厂家对其流道设计理论和方法均严格保密，很少见到对滴灌灌水器流道设计有实际指导意义的文章[2-3]。国内还有待于进一步深入研究这一问题[4]。

近年来国内外学者对滴灌灌水器的研究越来越多。雷显龙[5]总结了滴头的水力性能由流道的结构、尺寸以及材料等因素共同决定,流道压力的减小主要存在局部水头损失。王瑞环等[6]对不同流道宽度和单元数的梯形流道灌水器进行了试验研究。魏正英等[7-8]对梯形流道进行了研究,认为流量随流道宽增加而增大,随流道单元数量增加而减小，流道宽越大,流态指数就越小。魏青松等[9]研究了矩形和齿形流道的耗能形式。张俊等[10]对齿形和梯形流道内部结构参数对流态指数的影响做了研究,认为流道长度的影响最小,其次是流道宽和流道深。王建东等[11]认为流道长度基本不影响流态指数。Karmeli等[12]对不同雷诺数Re条件下长流道灌水器的流态进行了研究,并利用Darcy-Weisbach公式研究了不同流态条件下灌水器的流量压力关系,建立了面向三种流态的通用流量压力关系模型。Tal S和Zur B[13]研究了毛细管长流道灌水器的水力特性。Palau等[14]对圆柱形滴灌管进行了层流状态的分析。国内外学者采用计算流体动力学（CFD）软件，对各种形式的迷宫流道结构、水力特性以及内部水流流动状态进行数值模拟，采用粒子图像测速（Micro-PIV）技术、激光诱导荧光（LIF）技术以及激光多普勒测速（LDV）技术等，对流道水体流动和流场及流速进行可视化分析处理，同时在流体水力特性、消能机理、灌水器结构参数、内部流场可视化分析等方面的研究取得了诸多成果。本文采用CFD软件对三角形迷宫流道滴灌灌水器的水力性能以及流道各结构参数对水流运动状态的影响进行研究，同时研究各结构参数与流量以及流态指数之间的关系。

1 流道结构参数及结构设计

迷宫型流道结构大致可分为三部分，包括进水口栅栏、迷宫流道以及出水口蓄水槽，其中迷宫流道对灌水器消能、灌水均匀度等水力性能起到最为重要的作用。为能更好的直观的分析研究灌水器的内部结构，并且更加准确的验证模拟试验分析的可行性，在滴灌模拟实验过程中将某灌水器滴头作为研究对象，剥离外层管道，将内部灌水器裸露。滴灌灌水器三角形迷宫流道实物照片如图1所示。

图1 三角形迷宫流道

图2 单元流道结构参数

三角形流道形式的灌水器内部结构参数一般包括：流道转角、流道宽度、齿高、流道深度、流道单元长度以及流道单元数。其中转角与齿高可以确定流道单元长度，齿高与流道宽可以确定齿尖参差度，因此选取流道转角、流道宽度、齿高作为基本的三个参数（如图2所示），研究其对灌水器水力性能的影响，其取值范围见表1。参照相关文献确定其他结构参数：将流道深度定为0.8mm,流道单元数定为10个。

表1 流道结构参数取值范围

2数值模拟分析

2.1 物理模型和网格划分

应用计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)。根据流道内部流体特性,选择目前通用的标准k-ε模型。

将AutoCAD所设计的灌水器流道三维模型导入FLUEN T6.2.16的前处理器GAMBIT中。通过GAMBIT对各结构参数组合而成的不同形式灌水器进行流道网格划分,模型的进、出口以及内部结构均属于规则体，灌水器内部流道的网格都将0.1mm六面体网格设为基本尺寸对其流道进行网格划分,同时由于流道边界曲率变化较大，用常规的六面体划分比较困难，因此采用简单的四面体网格划分，网格数约为 （1.0～2.5）×104个，如图3、4所示。

图3 进口断面网格

图4 单元流道网格划分

2.2 边界条件设定及数值模拟方法

滴灌灌水器通常是在一定的工作压力条件下，确保水流均匀而稳定的流出，故三角形流道灌水器进水口边界条件通常设置为压力入口条件，灌水器出口压力大小设置为当地大气压,流道内部表面速度矢量设为零。灌水器内部三角形流道的壁面对紊流有明显影响,试验采用通用的精度高、计量小的标准壁面函数法对灌水器的三角形流道壁面进行处理。数值计算采用非耦合隐式算法,压力项采用二阶迎风格式，参差标准设置为1×10-4，速度和压力耦合采用SIMPLE算法处理。

3 结果分析与讨论

3.1 灌水器的压力与流量关系

压力-流量关系是灌水器的重要性能指标,在一定的压力范围内,压力与流量的关系一般用下式表示:

式中：q—灌水器流量（L/h）；

k—流量系数；

H—灌水器进口压力水头（m）；

x—流态指数。

应用均匀设计方法[15]将选取的3个参数作为因素，采用U10（103）均匀设计表，构成10个参数组合方案见表2。对每种结构参数组合方案，进口压力分别确定为 6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30m压力水头，经过模拟计算，获得其对应的流量值，根据式 （1），通过一元回归分析，获得该组合方案的流量系数和流态指数值，见表2。

表2 灌水器结构参数均匀设计和模拟结果

3.2 结构参数与水力性能的模拟结果分析

对表2中的结果进行多元回归分析，得到x、k与各结构参数之间的计算表达式：

式中：θ—流道转角（弧度）；

w—流道宽（mm）；

h—齿高（mm）。

将三个参数中任意两个参数在取值范围内取下限值，拟合另一结构参数与流量以及流态指数之间的关系。

3.2.1 结构参数对流量的影响

绘制结构参数与流量曲线图如图5所示。从图5可以看出，转角对流量的影响较为突出，随转角的增大，流量的下降趋势也更加的明显；转角的变化在于改变水流在流道内流动的方向，从而影响着流量的大小，当转角角度增加会加大水流方向的改变程度，会使流量随压力变化的敏感性降低，从而加大了水流的紊流程度，使得流道内局部水头损失增加，水压减小、动能下降，最终降低流量。流道宽对出口流量也有一定的影响，流量随着流道宽度的增加而增加，这是因为在复杂多变的流道内，在流道深度一定的情况下，流道宽度的增加会使过水断面面积增加，从而使流量增加。齿高的增加使得流量多变，但总体下降，即随着齿高的增加,流量与齿高呈负相关关系，这主要是由于齿高的大小与流道内的过水断面面积有关，随着齿高的增加,流道主航道会变窄,流量有效过水断面面积减小；同时，水流紊流程度增强，使得流道局部水头损失增大，动能下降，流量减小。

图5 灌水器流道结构参数与流量的关系

3.2.2 结构参数对流态指数的影响

从图6可以看出,随流道转角角度的增加,流态指数总体有上升的趋势，但流态指数的变幅很不稳定，尤其是当转角从90°增大时，流态指数出现下降的趋势，但下降的幅度不大，这是由于转角对流道内水流的影响比较复杂，流道转角的变化会使水流流动方向变化很大。流道宽对流态指数也有一定的影响，随着流道宽度的增加，流态指数下降趋势比较明显，但当流道宽度增至0.9mm处流态指会有少许的增加，直到增至1.1mm时，流态指数曲线又开始平稳下降。齿高的增加使得流态指数多变，但总体保持上升趋势，即随着齿高的增加，流态指数与齿高呈正相关关系，这与上述齿高对流量的影响相反。

图6 灌水器流道结构参数与流态指数的关系

3.3 迷宫流道内水力性能分析

研究灌水器内部流场的分布特性有助于更好的了解流道内的水力性能，流场的分布规律在一定情况下揭示了流道内流体的流动机理和消能机理，可以直观的反映灌水器工作性能的优劣。

图7 速度矢量分布

图8 压力分布

在10m工作水头下灌水器流道的速度矢量分布如图7所示，它可以形象的表示出水流在迷宫流道内各部分水流的速度大小以及流速的分布状况。图7中，速度流线的疏密表明流场速度的大小，其中流线比较密的地方表示此处水流速度大，相反，流线比较疏的地方表示流速小。图中灰度较浅的齿尖部位主流区和灰度较深的两侧低速区之间明显的存在一条分界线，流速的差异使得低速区的外侧顶点以及右下角产生漩涡，随着流动过程的进行，主流区的水流和低速区的水流不断地混掺，产生能量的交换与分配，最终使流速在各个部位不断变化。流道中压力等值线分布如图8所示，在整个内部流体流动过程中，随着不同灰度明暗的变化明显地看到压力由进口到出口逐级减小，并且每个单元段的压降基本相同。

4 结论

（1）采用均匀设计试验方法,不仅简化了因为影响灌水器水力特性的因素多而相对复杂的计算程序,而且提高了对灌水器水力性能的计算效率，使得参数分配更加均匀合理，实验次数更加简便精确。

（2）利用多元回归分析，建立了结构参数与流量和流态指数之间的量化关系，其中流道转角与流量成负相关，与流态指数成正相关；流道宽与流量成正相关，与流态指数成负相关；齿高与流量成负相关，与流态指数成正相关。流道转角对流态指数的影响最大，其次是流道宽和齿高。

（3）利用Fluent模拟软件对流道内部的流场分布进行了可视化研究。结果表明，流道内速度矢量分布呈现齿尖附近流速大，两侧流速小的趋势；压力分布由进口到出口压力逐级递减。

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