压力补偿式滴头研究进展与数值模拟

陈 强，张 炯

(江西省赣抚平原水利工程管理局，南昌 330096)

压力补偿式滴头研究进展与数值模拟

陈 强，张 炯

(江西省赣抚平原水利工程管理局，南昌 330096)

阐述了国内外滴头的研究现状，通过阅读相关文献，得出数值模拟分析方法在研究滴头内部流动分析以及滴头结构优化设计的可行性。压力补偿式滴头相对其他滴头具有出水流量不受压力变化影响、抗堵性能好以及自冲洗功能等优点，可采用数值模拟与PIV(粒子图像测试技术)相结合的方法，对其进行研究，优化压力补偿式滴头的水力性能及抗堵塞性能。

压力补偿式滴头; 数值模拟; PIV粒子测试技术；工作原理

0 引 言

我国是一个干旱缺水严重的国家，年平均降水总量约为6.88×104亿 m3，淡水资源总量约为2.8×104亿m3，居世界第六位，但人均总量仅有2300 m3，是世界平均水平的1/4[1]。我国各灌区灌溉水利用率只达到40%，而发达国家灌溉水利用率高达80%-90%，因此，发展农业节水势在必行[2-3]。滴灌是节水效果最好的灌溉技术之一，水的利用效率可达95%以上，同时滴灌可以将水分与施肥联合起来使用，在世界各地得到广泛地应用[4]。滴灌的主要特点之一是滴头出水流量小，由于滴头孔径比较小，因此滴头很容易堵塞；滴灌还有另一个特点就是灌溉水均匀度高，滴灌系统的灌溉水均匀度主要受到滴头的水力性能特性的影响。因此，滴灌系统运行的效果与滴头性能(抗堵塞性能、水力性能)的好差直接相关，滴头是整个滴灌系统和灌水质量的核心部件。

1 国内外研究现状与数值模拟

滴头研究现状：滴头由于流道狭小，在实际应用中堵塞很普遍。研究人员已经分别对滴头堵塞机理进行了研究。闫大壮等通过使用清水和不同浓度的浑水进行对比实验，最终得出了滴头的流量随沙粒浓度的提高而现变大后变小，而滴头的流态指数略呈下降趋势[5]。刘海军等分别以再生水和自来水为水源，对3种滴头(单翼迷宫式、内镶式滴头和压力补偿孔式滴头)的流量、灌水均匀度和堵塞的变化过程及规律进行了研究，得出了单翼迷宫式滴头的流量和均匀度下降最大，压力补偿孔式滴头的变化最小，并指出化学物质沉淀(主要CaCO3和MgCO3)是引起滴头堵塞的主要方式。薛英文指出水中的有机和微生物会造成为灌水器内的堵塞，但无机颗粒是造成堵塞的主要原因。水质的好坏是影响滴头内部堵塞物难易形成的重要原因，而滴头内部结构参数也将影响滴头抗堵性能。研究人员也已对滴头结构参数对滴头水力及抗堵性能的影响做了相关研究。穆乃军等通过对15种滴头进行抗堵性能实验研究，得出由单一结构参数(流道宽度W、流道深度D、齿高h和齿角)表征其抗堵性能存在局限性，而结构特征参数能够较好的反映滴头横纵断面的特征。王建东等通过不同的齿间距、齿角、齿高和流道深度进行正交试验，得出较大流量滴头抗堵性能差的原因可以归结为其较小的流道宽度。李云开等通过将AutoCAD和读数显微镜结合测量出灌水器迷宫式流道的几何参数，利用不锈钢电火花线技术构建圆柱灌水器的平面模型，可视化了滴头内部流场的流动，为灌水器的开发提供了一种新的思路。

2 压力补偿式滴头与数值模拟

目前滴头的大多数设计方法还是主要以利用长流道实现水压的降低为主。但是由于滴头的尺寸过小，要形成长流道，就必须减小流道的截面面积，这是导致滴头抗堵塞性能差的一个主要原因。压力补偿式滴头具有出水流量不受压力变化影响、抗堵性能好以及自冲洗功能等优点，正渐渐被人们所认可。根据滴头与滴灌管的连接方式的不同，压力补偿滴头主要有管上式和内镶式两种，管上式压力补偿滴头具有拆卸方便等特点，下面介绍管上式压力补偿式滴头的工作原理。

2.1 压力补偿式滴头工作原理

在调节腔内有一个弹性膜片，膜片的下方有流道及出水口。压力补偿式滴头的工作原理如图1所示。

图1 压力补偿式滴头原理图

压力补偿式滴头的工作过程为：当水流从滴灌系统的进水口进入后，直接进入补偿区弹性膜片的上部，会在弹性膜片的上下端形成了压差，这种形成的压差使弹性膜片发生变形，由于进口压力不同，当滴灌系统的进口压力和过流断面面积之间达到一定比例关系的时候，就很有可能使流道内的流量保持不变。

假设补偿区的最小过流断面面积为ω，则：

ω=a×b

(1)

式中：a为补偿区深度，m；b为补偿区最小过流断面宽度，m,当滴灌系统的补偿区为圆形时，b为补偿区的直径；当滴灌系统的补偿区为矩形时，b为补偿区的宽度。

由于弹性膜片上的存在着均布压差△P的作用，发生变形后减少的断面积为ω0，发生变形后滴头的过水断面面积为A=ω-ω0，因此，可以推求到ω0后就可以解出得A。根据理论力学知，弹性膜片在△P的作用下，其补偿区的变形应该为圆弧形，如图2所示。

图2 弹性膜片变形示意图

又图可知，弓形面积：

(2)

(3)

式中:r为弹性膜片补偿区变形后圆弧的半径，m;θ为弹性膜片补偿区变形后圆弧的圆心角；

从工程力学的角度方面考虑和分析，弹性膜片发生形变是因为受到了轴向力拉伸的作用，设该这个轴向力拉伸力为N，可以试着取膜片的一半作为工程力学分析的对象，如图3所示。

图3 隔离体

弹性膜片变形稳定后隔离体应该处于平衡状态，由∑Y=0，即弹性膜片所受的力在Y方向上的合力为0，得到：

(4)

即

(5)

由工程力学知，轴向力N使弹性膜片拉长：

(6)

式中：E为弹性模量，MPa;e为弹性膜片厚度,mm。

由式(5)和(6)可以得出：

(7)

滴头的流量决定于两个因：流速和过水断面的面积，而流速与压力有关，见下式：

(8)

将式(4-7)综合得到流量关系式：

(9)

式中：Q为滴头流量，L·h-1；v为补偿区最小过流断面的流速，m·s-1；γ为压力水容重，N·m-3。

2.2 压力补偿式滴头内流场的CFD模拟

目前用来模拟压力补偿滴头的软件有：ANSYS,ADANA,FLUENT等。基于CFD(FLUENT)分析压力补偿滴头流道流场的方法如下：

2.2.1 CFD的数学模型及参数选择

压力补偿式滴头流道尺寸一般在0.3-2 mm之间。由于滴头内流道结构复杂，如果用光滑圆管的雷诺数2320来划分水态并不合适。李云开等研究表明迷宫流道内Re在105-930之间，因此流态转折的临界雷诺数小于常规尺度流道的值，低于255。压力补偿式滴头内流场可视为紊流流动。因此控制方程可采用紊流状态下的连续性方程、动量方程和能量方程。然而，从现有的数据来看，可以用N-S方程描述压力补偿式滴头流动过程，由于液体表面张力及黏性力的作用会使压力补偿式滴头的研究很复杂。

2.2.2 CFD前处理

可以借助电子显微镜测量圆柱形压力补偿式滴头内流道尺寸，利用三维软件 PRO/E或NX建立滴头流道的模型。利用FLUENT前处理软件对已经建立的三维模型进行网格划分，网格质量对CFD计算精度和计算效率都有重要的影响。

2.2.3 CFD后处理

FLUENT中自带后处理程序，也可以在TECPLOT中进行。是对滴头内流场进行微观化分析，通过分析后能够方便、准确的得到速度场、压力场以及某个截面上的参量分析等，通过分析这些平面上的数值分布而得到结论。

2.3 PIV粒子图像测试技术

粒子图像测试技术是光学测速技术的一种，它能够获得视场内某一瞬时整个流动信息。工作原理为通过测量某时间间隔示踪粒子移动的距离来测量粒子的平均速度。

3 结论与建议

1)滴头的堵塞会造成滴头灌水的均匀度降低、灌水质量差、使用寿命缩短，严重时会使滴灌系统不能使用。滴灌系统的滴头的堵塞问题是目前滴灌系统应用中存在的主要问题。国内外的专业研究人员对滴头的抗堵性能做了相关研究。

2)基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟方法，可视化了滴头内复杂流场。通过利用数值模拟的方式来计算流体在三维区域内的速度场和压力场以及流道内的水力损失、压力脉动和湍流等。基于以上优点，数值模拟方法被越来越多的人们所认可。

3)压力补偿式滴头具有出水流量不受压力变化影响、抗堵性能好以及自冲洗功能等优点，但是从现有的数据资料来看，对滴头流道的数值模拟的研究主要集中在各种迷宫式滴头。

4)可以尝试利用CFD数值模拟方法模拟压力补偿式滴头内部流场的流动状况，并采用PIV粒子测试技术进行验证，通过分析计算结果，对压力补偿式滴头内部流道的特征参数进行合理的设计与优化。

[1]王留运，叶清平，岳兵.我国微灌技术发展的同顾与预测[J].节水灌溉，2000，24(03)：3-7.

[2]徐建海，吴兴旺.滴灌技术与滴灌管(带)生产技术现状与发展前景[J]．塑料科技，2001(02)：38-41.

[3]许平．我国微灌技术和设备现状及市场前景分析[J].节水灌溉，2002，19(01)：33-36.

[4]闫大壮，杨培岭，赵桥.滴头流道内部含沙水流流动特征的实验研究[J].农业工程学报，2008,24(02)：52-55.

S277.9

A

1007-7596(2017)09-0050-03

2017-08-16

陈强(1988-)，男，江西南昌人，助理工程师，研究方向为农田水利、灌区管理；张炯(1987-)，男，江西南昌人，工程师，研究方向为农田水利，灌区管理。