三角环流滴灌灌水器抗堵塞特性研究

陶 凯

（句容市水利农机局，江苏 镇江 212400）

滴灌作为国际公认的一种高效节水灌溉技术，具有灌水均匀、高效节水节肥、增产增收、便于管理等优点，被世界各国广泛应用，并快速发展，在我国农业可持续发展和新农村建设中发挥着重要作用。灌水器是滴灌技术的核心部件，其成本占滴灌系统造价的25%～35%[1]，主要作用是使压力水流通过内部的流道消能，使水流稳定、均匀的滴入土壤，其水力性能的优劣对滴灌系统的造价、能耗、灌水质量及使用寿命等具有决定性的作用。但灌水器流道尺寸狭小，流态复杂，滴灌水中的杂质易在流道内沉积、凝结与黏附，使灌水器发生堵塞现象，降低滴灌灌水质量和使用寿命[2-5]。滴灌水肥一体化、低压滴灌、地下滴灌的发展[6-9]，再生水、黄河水、微咸水等在滴灌技术中的应用，增加了灌水器堵塞的风险因素[10-14]。堵塞已成为滴灌技术的行业难题，是影响滴灌技术发展的关键问题之一。本文构建一种三角环流滴灌灌水器，并采用Fluent软件进行计算流体动力学（CFD）模拟分析，开展灌水器内部流动、固-液-气多相耦合运动的分析，预测灌水器水力性能及抗堵塞性能。

1 三角环流滴灌灌水器结构

在对灌水器进行CFD数值模拟之前，需要通过CAD对灌水器进行造型，如图1所示，构建一种三角环流滴灌灌水器。三角环流滴灌灌水器由进口、出口与流道主体3个部分组成，流道主体由30个流道单元依次连接而成，流道单元为2个三角形扁柱体嵌套形成的三角环流通道。进口部分由3个长度为1.5 mm的长方体组成，每个长方体间隔0.5 mm，出口部是1个1.5 mm×0.6 mm×0.7 mm的长方体。

图1 三角环流滴灌灌水器结构

2 CFD数值模拟

灌水器流道中的水流是水与各种泥沙、杂质等颗粒的混合流动，属于液-固两相流动，采用计算流体动力学（CFD）模拟分析，能够便捷的获取灌水器流道内固体颗粒流动与分布情况，预测灌水器水力性能与抗堵塞性能。

2.1 网格划分

利用Gambit进行网格划分，基于分段划分的思想，将滴头分为进口段、流道段和出口段分别进行结构网格划分，采用0.08 mm基本尺寸的六面体网格，考虑到流道单元拐角处为三角形块，选用TGrid网格结构对其进行网格划分。为了更准确地模拟近壁区的流动状况，在近壁区加密网格，最终生成18万个左右的单元网格，流道单元网格如图2所示。

图2 流道网格局部放大图

2.2 数值计算

求解器选择Fluent5/6，流体选用不可压缩的水，温度为室温，运动粘度为v=1.0×10-6。入口边界类型选择压力入口，出口边界类型选择压力出口，湍流模型采用k-ε模型，用分离隐式稳态求解器求解各控制方程，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法处理，各参数的离散均采用二阶精度的迎风格式。采用欧拉-拉格朗日法离散相模型来进行模拟分析，单向藕合方法来计算颗粒的运动。假设颗粒的形状为球形，密度为2500 kg/m3，颗粒直径d分别取0.01 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.12 mm、0.15 mm等5个水平，体积浓度取1%，进口压力设置为50 kPa，出口压力为0，其他壁面条件为默认值。

3 结果与分析

3.1 颗粒粒径对抗堵塞性能的影响

不同粒径模拟的流量与浓度结果如表1所示，不同粒径的颗粒相浓度分布如图3所示。

由表1可知，粒径大小不同时，灌水器流量变化很小，流道内颗粒浓度差异较大。粒径为0.01 mm时，最大浓度为1.446%；当粒径增加到0.1 mm时，最大浓度达到39%；而当颗粒粒径为0.05 mm时，最大浓度只有1.582%，说明三角环流滴灌灌水器具有较好的抗堵塞能力。随着粒径的增大，颗粒浓度呈线性增大。虽然粒径大小对瞬时流量影响不大，但当滴灌间歇灌水的停止期间，毛管内残留的颗粒会结块，浓度大结块就大，再灌水时易引起灌水器堵塞。因此，对于图1所示的三角环流滴灌灌水器，当灌溉水源中有超过0.1 mm的颗粒粒径时，须采取有效水处理措施给予去除。

表1 不同粒径条件下的流量与浓度

图3 不同粒径颗粒浓度分布

由图3可知，在流道单元拐角处、流道交汇处浓度均有升高，其他区域相对较低。流道单元拐角处的颗粒浓度和入口处浓度，与颗粒大小无明显关系；流道拐角处背水区的颗粒浓度随着粒径大小的增加而降低。

由表1可以看出，粒径与最大浓度之间存在明显的线性关系，通过拟合，得出粒径与流道内颗粒浓度间的关系，见式（1）。

式中，VF为流道内的颗粒浓度，%；d为灌溉水中颗粒物粒径，mm。公式拟合的相关度R2=0.9983，可见颗粒相的最大浓度与粒径有非常高的相关度。根据式（1）能够通过水中颗粒粒径，预测三角环流滴灌灌水器流道内的颗粒浓度，可以作为灌水器设计或滴灌工程中水处理设施配置的依据。

3.2 入口浓度对抗堵塞性能的影响

表2为颗粒直径0.1 mm，灌水器入口（灌溉水）颗粒浓度0.1%～3%，入口浓度与灌水器流量、流道内浓度分布的影响。图4为不同入口浓度条件下流道内的浓度分布图。

由表2可知，在入口浓度增大时，灌水器的流量也受到一定影响，但变化不明显，入口浓度对流量没有显著作用。随着入口浓度的增大，流道内的颗粒浓度按照一定规律逐渐增大。通过拟合，得出入口浓度与流道内颗粒浓度之间的关系，见式（2）。

表2 入口浓度与灌水器流量、流道内浓度

图4 不同入流颗粒浓度的浓度分布图

式中，VF为流道内的颗粒浓度，%；x为灌溉水中颗粒浓度，%。公式拟合的相关系数R2=0.9761，较好的揭示了两者间的关系。随着入口浓度的增大，流道中颗粒浓度增大。根据式（2）可以通过水中颗粒浓度，预测三角环流滴灌灌水器流道内的颗粒浓度，能够作为灌水器设计的依据。

整体上看，流道内颗粒浓度的分布随着灌水器入口浓度的升高而升高，流道内各个位置处的颗粒浓度变化规律略有不同。随着灌水器入口浓度的增加，在单元进水口处的颗粒浓度有所升高。流道拐角处的颗粒浓度与入口浓度没有明显关系，颗粒粒径一定时，此处的颗粒浓度差异不大。灌溉水中颗粒浓度达到3%时，流道内的颗粒浓度只有5.25%，流道内的颗粒浓度增加梯度小于灌溉水中颗粒浓度增加梯度，说明三角环流滴灌灌水器流道内泥沙颗粒的累积效应不显著，具有较好的抗堵塞能力。

4 结论

通过对三角环流灌水器两相流的数值模拟分析得出，随着颗粒直径和体积浓度的增大，灌水器的流量没有显著的变化，而颗粒相在流道中的浓度分布呈一定规律变化。当灌溉水中颗粒粒径为0.05 mm时，最大浓度只有1.582%；流道内的颗粒浓度增加梯度小于灌溉水中颗粒浓度增加梯度，说明流道内泥沙颗粒的累积效应不显著。因此，三角环流滴灌灌水器具有较好的抗堵塞能力。拟合了粒径与流道内浓度的关系式及入口浓度与流道内浓度的关系式，可以作为灌水器设计及滴灌工程水处理的依据。

流道中悬浮颗粒物的运动与流道中水流速度密切相关，水流速度越大其泥沙输运能力越强。三角环流流道结构复杂，导致流道中的流场分布杂乱，流道中流场局部存在漩涡，单元两侧拐角处流速梯度较大，悬浮颗粒浓度在流道中的分布发生了变化，有利于增加灌水器流道的抗堵塞能力。当流速一定时，流道内水流的泥沙输运能力也是有限的，粒径越大、入口浓度越高，灌水器流道内局部的颗粒浓度也就越高。停止灌水后，部分颗粒将会留在流道内，多次使用后颗粒将在这些部位沉淀结块，容易造成堵塞。因此，滴灌灌溉水源应根据使用的灌水器流道尺寸及结构，使用合适的过滤装置，尽量降低悬浮颗粒的大小及浓度，延长灌水器的使用寿命。