滴灌系统片式灌水器内部流体运动特性分析

冯吉 刘海生 刘雁征 焦有权 杨林林 韩敏琦

摘 要：为明确滴灌系统片式灌水器流道内水流及颗粒物的运动特性，借助两相流模型对灌水器内部水流运动特征和颗粒物输移特性进行计算与分析。研究表明：沿着水流前进的方向，压力呈现均匀降低的阶梯状变化规律，流体流动整体呈现主流区与非主流区的分区运动特征，在流道结构突变处是流道消能的最主要部位，颗粒相速度稍低于水相。灌水器流道内部颗粒物的整体跟随性良好，但灌水器流道近壁面颗粒物的跟随性明显优于中心区，齿尖附近颗粒物的跟随性最差。

关键词：滴灌;片式灌水器;水流;颗粒物;运动特性

中图分类号：S275.6文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.032

Analysis of Fluid Movement Characteristics Inside the Flat Emitter of Drip Irrigation System

FENG Ji1， LIU Haisheng2，LIU Yanzheng， JIAO Youquan1，YANG Linlin1，HAN Minqi1

（1.Department of Water Resources and Architectural Engineering， Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442， China;

2.College of Water Resources， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）

Abstract：In order to clarify the movement characteristics of water flow and particulate inside the flat emitter flow path， a two-phase flow model was used to calculate and analyze the characteristics of the water flow and the characteristics of particulate matter transport in the emitter. The research shows that along the direction of water flow， the pressure shows a step-like change pattern of uniform decrease. The fluid flow as a whole shows the movement characteristics of the mainstream and non-mainstream areas. The particle phase velocity is slightly lower than that the water phase. The overall followability of the particulate matter in the emitter flow path is good， but the followability of the particulate matter near the wall of the flow path is significantly better than that in the center area， and the followability of the particulate matter near the tooth tip is the worst. The research provides a theoretical basis for designing drip irrigation products with high anti-blocking performance.

Key words： drip irrigation; flat emitter; water flow; particulate matter; movement characteristics

大力發展农业高效节水灌溉技术是缓解我国水资源短缺问题的有效途径之一[1-2]。在滴灌系统中，灌水器（也称滴头）是关键部位之一，其作用是使系统管路中的有压水流在通过其内部过水结构后充分消能，然后以稳定、均匀的定流量直接滴入作物根部附近的土壤[3]。由于灌水器流道狭窄（一般为0.5～1.2 mm），结构复杂，因此易受水中的悬浮物、溶解盐、微生物等杂质影响而堵塞。堵塞问题是制约滴灌技术应用推广的最大障碍，也是影响滴灌系统使用寿命和应用效益的决定性因素[4-5]。众多专家学者研究表明：水源中的固体颗粒物的存在是导致滴灌系统堵塞的直接因素[6-8]。虽然利用各种工程措施可以有效地控制水中悬浮微粒含量，但不可能将其完全清除，粒径较小的部分颗粒必然会进入灌水器流道。灌水器内部流道中的水流为典型的固-液两相流动，颗粒物在灌水器流道内的分布特征及其边界作用的方式都是引发流道堵塞的重要因素[9-10]。从提升灌水器本身的抗堵塞能力出发，设计出高抗堵塞性能的滴灌灌水器产品，是解决该问题的有效途径之一，而实现流道内部水流和颗粒物流动的可视化，为灌水器流道设计提供有效的理论指导，已成为滴灌灌水器设计人员急需解决的重要问题[11-12]。

因流道狭窄、边界复杂及滴灌管（带）的不透明性，导致原形灌水器流道内流速测量试验在技术和经济上都比较困难[12]，而常规手段又难以满足流场测试要求，所以灌水器内部流场分布的试验研究受到了极大的限制。近年来，数值模拟以其自身的特点和独特的功能，与理论分析及试验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体运动的重要手段，形成了新的学科——计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）。计算流体动力学方法因具有内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用，使设计者以最快、最经济的途径，方便地评价、选择多个设计方案，与实验室测试等实体试验相比，

大幅减少

了研究工作量，已成为实现灌水器内部流动可视化的主要手段之一[13-15]。

基于此，本文借助CFD模拟分析手段，借助最优模拟湍流模型，对灌水器内部水流运动特征和颗粒物输移特性进行计算与分析，为设计出具备高抗堵塞性能的灌水器产品提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 灌水器选择

选择以色列Netafim公司生产的DRIPLINE系列片式灌水器产品为物理原型，借助高精度CT扫描，实现对流道各部分结构尺寸的精确测量，测量精度为0.001 mm。具体流道结构特征及参数见表1。

1.2 灌水器内部流动模拟与分析方法

1.2.1 物理模型建立与网格划分

采用读数显微镜（精度为0.001 mm）对模拟对象物理原型进行几何参数精确测量，运用三维制图软件UGS NX10.0建立三维物理模型。网格划分是数值模拟的基础，网格质量的好坏对于数值模拟的求解精度和计算速度有着重要的影响。本文采用ANSYS ICEM进行网格划分，采用生成质量好、数据结构简单的六面体结构网格对物理模型进行网格划分，在近壁面及齿尖转角处进行加密，以更准确地模拟流体运动剧烈变化区域的流动变化特征。

1.2.2 求解方法与边界条件

数值计算采用有限体积法离散控制方程，对流项等各参数的离散均采用二阶迎风格式，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法求解，湍流模型选择RNG k-ε方程湍流模型[16]。在流场计算中，初始条件设置进口为压力进口（0.1 MPa），出口为压力出口（0 MPa）。除了计算域的进水口与出水口，其他所有流体和固体接触的面均为壁面类型边界，并设置为无滑移边界，采用标准壁面函数来求解近壁区流动。采用标准欧拉-拉格朗日模型多相流模型模拟颗粒物运动。固体颗粒物密度设置为2 500 kg/m3，体积分数为0.03，颗粒粒径为100 μm。

1.2.3 收敛判断与后处理

以出口流量与残差值作为是否收敛的依据，当出口流量基本稳定且残差值低于10-5时，认为迭代计算达到收敛。采用Tecplot 360 2011进行数据后处理。

1.2.4 灌水器流道内部流体运动特性分析方法

本文主要对灌水器流道内部水流运动的压力场、速度场与湍流强度分布特征进行分析，对灌水器流道内部的颗粒物全场运动的速度、颗粒相体积分布进行分析。

由于本研究对象为典型固液两相流问题，因此采用跟随性表征颗粒对流体运动的跟随程度。采用颗粒运动速度与流体速度的有限幅值比和相位差作为颗粒能否跟随流体运动的判别标准，分别选择流道主流区（流道中心线）及近壁区（流道深度方向中截面近内壁面0.01 mm处）流体运动的角频率，定量研究颗粒跟随性的动态变化特征。颗粒跟随性计算公式为

η=（1+f1）2+f22

β=tan-1[f2/（1+f1）]

其中

f1=[1+9Ns2（s+1/2）]1-ss+1/281（s+1/2）2（2N2s+Ns2）2+[1+9Ns2（s+1/2）]2

f2=9（1-s）（s+1/2）2（2N2s+Ns2）81（s+1/2）2（2N2s+Ns2）2+[1+9Ns2（s+1/2）]2

Ns=ν/ωd2p

s=ρp/ρf

式中：η为速度幅值比;β为速度相位差;Ns为Stokes数;ν为流体的运动黏滞系数;ω为流体运动的角频率;dp为颗粒粒径;s为颗粒与流体的密度比;ρp为颗粒的密度;pf为流体的密度。

η=1且β=0°时，表示颗粒完全跟随流体运动;η<1且β<0°时，表示颗粒滞后于流体运动;η>1且β>0°时，表示颗粒超前于流体运动。

2 灌水器流道内部水流及颗粒物运动特征分析

2.1 水流运动压力场分布

进口压力为0.1 MPa条件下，灌水器内部水流压力分布云图见图1。可以看出，流道内水流的压力沿着前进方向呈现均匀下降态势。在流道首部压力最大，水流流经整个流道后，到达流道末端出水口时压力降低至0，即经过流道各单元的持续消能，最终使得水流呈水滴状均匀滴出。在流道齿尖或者水流方向急剧变化的部位，压力变化较为明顯。

进口压力为0.1 MPa条件下，灌水器流道深度方向中截面两侧近内壁面0.01 mm处沿水流前进方向压力分布见图2。从图2中可以更为清晰地看出，沿着水流前进的方向，压力呈现均匀降低的阶梯状变化规律，在流道结构突变处压力急剧下降。

2.2 水流运动速度场

进口压力为0.1 MPa条件下灌水器流道内速度矢量及流线分布见图3。可以看出，流道内流体运动明显分为高速的主流区和低速的非主流区，伴随着水流的摆动，流速分别为1.47～2.54 m/s、0～1.32 m/s。在流道结构近壁面区，水流速度较小，并伴随有旋涡的产生，不同结构单元的流速分布较为一致，呈现周期性变化状态。

2.3 颗粒物流场及体积分数分布

中间结构单元（第5和第6个结构单元）水相和颗粒相速度矢量分布见图4。可以看出，水、颗粒两相速度大小与分布基本一致，水相速度稍大于颗粒相速度。其原因是计算中两相流模型选用的是Eulerian模型，其在计算过程中对计算域中的每一相均分别建立动量方程，将多相流视为互相渗透的连续介质。因此，在计算颗粒相时也被当做连续介质，因而最终水相和颗粒相的速度分布与大小较为接近。

2.4 颗粒物跟随特性分析

颗粒物在灌水器流道内的跟随性是评价其堵塞可能性的重要因素，灌水器流道内部近壁面与中心区颗粒物跟随性的速度幅值比、速度相位差动态变化特征见图5。可以看出，速度幅值比中心区介于0.991～0.997之间，边壁区介于0.990～1.000之间，速度相位差中心区介于-0.282～-0.203之间，边壁区介于-0.285～-0.028之间，二者均在良好的数值范围内，虽然其颗粒的跟随性在中心区和近壁区存在一定差异，但颗粒整体的跟随性依然良好。灌水器流道近壁面颗粒物的跟随性要明显优于中心区，齿尖附近颗粒物的跟随性最差。

3 讨 论

通过对灌水器内部水流运动特征分析可知，水流流经整个流道后，压力由最大值降低为0。其原因是水流经过整个流道时，流道各结构单元对水流具有持续消能作用，最终使得水流动能消耗完毕，呈水滴状均匀滴出。由压力场分布、速度场分布和湍流强度分布可知，在流道结构突变处压力和速度有较为显著的变化，流体受到较大扰动，流道结构的突变（齿尖）使得该处流体运动结构发生急剧调整，流速分布发生改变，流线更为密集。在此过程中，本身具有黏性的液体质点间相对运动加强，内摩擦力增大，能量损失更为严重，因此流道结构突变区便成为流道消能的主要区域，消能效果最为显著。

于此同时，通过灌水器内部水流和颗粒物运动特征分析可以发现，流道内水流呈现主流区与非主流区分区流动状态，并存在旋涡。其原因是在主流区与非主流区交界处，分区流体运动速度大小相差显著且流体本身存在黏性，加之壁面的阻碍作用，最终导致在非主流区形成低速的旋涡。旋涡区流速较小，导致堵塞物质极易发生沉积，这也是导致灌水器发生堵塞的主要原因。因此，需要从灌水器结构出发，尽量使旋涡充分发展，提高该区域流速及其对流道内壁面的冲刷作用，使得堵塞物质不发生沉积且更多地随水流排出灌水器外，这是提高灌水器抗堵塞性能的最根本办法。

通过本研究发现，灌水器流道近壁面颗粒物的跟随性明显优于中心区，齿尖附近颗粒物的跟随性最差。一般来说，堵塞物质通常会在颗粒物跟随性差的齿尖附近形成，而滴灌工程实际应用过程中，灌水器堵塞物质通常会在近壁面处形成，其主要原因是近壁面区流速变化较小、流动剪切力变化小，而中心区恰好相反。在近壁面区产生堵塞的主要原因是该区域通常颗粒物浓度较高，系统停止运行后颗粒物在此处沉积，而颗粒物通常在表面附有一层生物膜，生物膜的黏性使得颗粒物在流道近壁面附着。换句话说，系统反复停止、启动过程中使得颗粒物在近壁面低速区沉积、附着，长期作用就会导致灌水器流道堵塞。

4 结 论

为明确滴灌系统片式灌水器流道内水流及颗粒物的运动特性，借助两相流模型对灌水器内部水流运动特征和颗粒物输移特性进行计算与分析，得出以下结论。

（1）沿着水流前进的方向，压力呈现均匀降低的阶梯状变化规律，流体流动整体呈现主流区与非主流区的分区运动特征，流道结构突变处是流道消能的最主要部位。

（2）水、颗粒两相速度大小与分布基本一致，水相速度稍大于颗粒相速度。

（3）颗粒的跟随性在中心区和近壁区存在一定差异，但整体颗粒的跟随性依然良好。灌水器流道近壁面颗粒物的跟随性明显优于中心区，齿尖附近颗粒物的跟随性最差。

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【责任编辑 许立新】