内齿位置对双向流道灌水器水力特性影响的数值模拟

摘要 在双向流道灌水器加入1个或2个内齿，构成4种内齿相对位置不同的单内齿双向流道灌水器和4种内齿相对位置不同的双内齿双向流道灌水器，以此探求加入内齿前、后双向流道灌水器水力性能的优劣，对于每种灌水器，通过AutoCAD对灌水器流道进行三维建模，采用AnsysFluent对流道内部流体的流动状态进行水力性能模拟，计算流道的局部损失系数，同时通过回归分析获得其流量系数和流态指数。结果表明：改进型双向流道的局部损失系数为11.24～56.89，与原双向流道相比明显提高；改进型双向流道的流量系数均小于原双向流道，当单内齿位置在支流道入口上时，流态指数最优，相较于原双向流道降低了5.6%；内齿的位置可影响双向水流配比，进而影响水力性能，验证了主支流道不同流量比与水力性能的内在关系。该研究可为双向流道灌水器结构的优化、水力性能的提高提供参考。

关键词 灌水器；双向流道；内齿位置；数值模拟；水力特性

中图分类号 S27 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）13-0167-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.041

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Numerical Simulation of the Influence of Inner Tooth Position on the Hydraulic Characteristics of Bidirectional Flow Channel Emitter

YU Dong-ping1， LI Hai-yang2， SUN Zhi-yong3 et al

（1.Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy Co.， Ltd.， Jinan， Shandong 250000;2. Dezhou Water Conservancy Bureau， Dezhou， Shandong 253000;3. China Construction Eighth Bureau First Construction Co.， Ltd.， Jinan， Shandong 250000）

Abstract One or two inner teeth were added to the bidirectional flow channel emitter to form four kinds of single inner tooth bidirectional flow channel emitters with different relative positions of inner teeth and four kinds of double inner tooth bidirectional flow channel emitters with different relative positions of inner teeth， so as to explore the tz+n1/0rhmYn8K5opnDSEQ==advantages and disadvantages of the hydraulic performance of the bidirectional flow channel emitters before and after the addition of inner teeth. For each emitter， the three-dimensional modeling of the flow channel of the emitter was carried out by AutoCAD， and the flow state of the fluid inside the flow channel was simulated by Ansys Fluent. The local loss coefficient of the flow channel was calculated， and the flow coefficient and flow index were obtained by regression analysis. The results show that the local loss coefficient of the improved bidirectional flow channel is 11.24-56.89， which is significantly higher than that of the original bidirectional flow channel. The flow coefficient of the improved bidirectional flow channel is smaller than that of the original bidirectional flow channel. When the single inner tooth is located at the inlet of the branch channel， the flow index is the best， which is 5.6% lower than that of the original bidirectional flow channel. The position of the inner tooth can affect the bidirectional flow ratio， which in turn affects the hydraulic performance， and verifies the internal relationship between the different flow ratios of the main and branch channels and the hydraulic performance. The research can provide reference for the structural optimization and hydraulic performance improvement of the bidirectional flow channel emitter.

Key words Emitter;Bidirectional flow channel;Internal tooth position;Numerical simulation;Hydraulic characteristics

基金项目 国家重点研发计划项目（2016YFC0402809）；山东省省级水利科研与技术推广项目（SDSLKY201703）。

作者简介 于东平（1985—），女，山东栖霞人，高级工程师，硕士，从事水利规划设计研究。

收稿日期 2023-09-09

滴灌是利用灌水器的消能作用将有压水流变成滴水状的一种灌水方式，灌水器的水力性能一直是设计研发的重要研究问题，流道结构类型直接影响灌水器流态指数的大小，是反映其水力性能的重要因素。

迷宫式流道是最为广泛的灌水器流道，部分学者研究齿间角［1］、齿宽［2］、齿转角和齿间距［3］、双内齿［4］对迷宫流道水力性能的影响，建立结构参数和流态指数的关系。也有部分学者相继提出了一些新型流道结构，苑伟静等［5］认为，迷宫流道只利用了流道的转折，因此将渐缩、渐扩以及分流用到新型灌水器流道设计中，提出一种分流式灌水器。郭霖等［6-8］设计了一种可产生正反双向流混掺等多种局部水头损失形式共同作用的双向对冲流滴灌灌水器，流态指数在0.5以下，具有良好的水力性能。邢少博等［9］基于植物木质部导管中的梯状有孔板输水构造设计，提出一种穿孔形流道，靠灌水器自身结构产生的旋涡提高灌水器的抗堵塞与消能效果。楚华丽等［10］借鉴流体力学中的卡门涡街形状来设计滴灌灌水器的流道结构，在正交试验的基础上采用灰色关联分析的方法，进行流道结构多目标优化，最终优化得到的卡门涡街形流道具有良好的水力性能和抗堵塞性能。上述这些研究主要针对迷宫式流道、分流式流道和双向流道，对于将迷宫流道的内齿加至双向流道，以及内齿位置对于双向流道水力性能的关系有待研究。基于此，笔者以改进型双向流道为研究对象，通过CFD数值模拟分析方法，研究内齿位置对双向流道灌水器水力性能的影响和灌水器流场分布，探究灌水器流态指数最优时内齿的位置和影响机理，为灌水器流道设计及研究提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 流道结构改进

原双向流道结构如图1a所示，其工作原理为通过挡水件前端分叉角，将整体水流分成主流道水流和支流道水流，支流道水流受到挡水件回转半径的作用，改变流向，形成反向水流，在支流道出口正反双向水流交汇，形成剧烈的对冲与混掺，产生局部水头损失。改进时仍以原双向流道为基础，以充分发挥双向流道水流混掺消能的机制为目的，在支流道入口处和出口处分别加入内齿，促进支流道水流和主流道对冲水流增大，增大对冲消能效果，如图1b所示。

1.2 灌水器结构设计

根据流道设计和工作原理可知，使得流道内水流发生改变的结构直接影响其水力性能。在原双向流道的基础上，在主流道分别加入2个、1个内齿，形成4种内齿相对位置不同的单内齿双向流道和4种内齿相对位置不同的双内齿双向流道，结构参数见表1。

该研究灌水器流道截面为1 mm×1 mm，选取5个流道单元为研究对象，挡水件入口段长为5 mm、回转半径为1 mm、分叉角为45°、单元间距为1.5 mm，内齿高为0.5 mm、宽为0.1 mm、角度为45°，流道单元结构形式如图2所示。

1.3 数值计算

1.3.1 数值模拟。利用CAD软件可构建流道三维模型，如图3所示，并将流道三维模型导入到Ansysfluent前处理器Mesh进行网格划分，流道网格单元选择0.2 mm的四面体网格，网格数大约为1×104，如图4所示。数值计算采用定常的非耦合隐式算法，流道的进口边界设置为压力进口并按照压力范围19.6～98.0 kPa，每隔19.6 kPa压力计算1次流量，灌水器的出口边界设置为压力出口，出口压力为0，流道壁面采用标准壁面函数法处理，壁面设为无滑移边界，流体选取20 ℃水，标准k-ε模型具有稳定性、较高的计算精度、更易于收敛的优点［11-12］。因此，数值模拟采用标准k-ε模型，同时为了提高数值模拟的计算精度，压力项等将默认的一阶迎风格式变为精度更高的二阶迎风格式，为使迭代计算尽可能减小误差，残差一般为10-5，并采用精度较高的Simple方式计算。

1.3.2 试验验证。为验证模拟模型选取与计算精度的可靠性，对原双向流灌水器进行灌水试验。试验在三峡大学水工厅进行，试验装置主要由供水箱、水泵、大量程压力表、小量程压力表、阀门、灌水器、量筒组成，如图5所示。试验首先将止水阀关闭，灌水器压力由小量程压力表测定，压力表精度为0.1 kPa，压差范围0～98 kPa。通过调节压力控制阀控制灌水器压力，采用量筒容积法测量不同压力下灌水器流量。将试验所得流量实测值与模拟值进行对比分析，结果如图6。实测值与模拟值误差在10%之间，误差在允许范围内，说明数值模拟可较好反映实际滴灌毛管及灌水器流场特性。

1.4 指标测定与计算方法 为进一步验证流道的消能效果，根据水力学理论和能量损失叠加原理得到流道的水头损失：

hw=hf+hj（1）

由沿程水头损失公式可知：

hf=λ·l4R·v22g（2）

局部水头损失公式为：

hj=ξj·v22g（3）

矩形截面流道的水力半径为：

R=Aχ=ab2（a+b）（4）

由Blasius公式可知：

λ=0.316 4Re0.25（5）

其中雷诺数Re可表示为：

Re=4ρvRμ（6）

式中：hw为水头损失（m）；hf为沿程水头损失（m）；hj为局部水头损失（m）；ξj为局部损失系数；v为平均流速（m/s）；g为重力加速度，取10 m/s2；λ为摩阻系数；l为流道长度（m）；R为流道水力半径（m）；A为流道截面面积（m2）；χ为湿周（m）；a和b为流道截面的宽和深（m）；ρ为水的密度（kg/m3）；μ为动力黏滞系数（N·s/m2）。

由能量守恒原理可知，进口总水头H为：

H=hf+hj+v22g（7）

将式（2）、（5）、（6）联立可知：

hf=0.316 4（4ρvRμ）0.25·l4R·v22g=ξf·v22g（8）

估算得到ξf的数量级为10-3，相对局部损失系数可忽略不计，因此进口总水头可简化为：

H=hj+v22g=ξj·v22g+v22g（9）

局部损失系数总和为：

ξj=2gHA2q2-1（10）

式中，q为灌水器流量（L/h）。

q=k·Hx（11）

式中：k为流量系数；H为入口压力水头或进水口压力水头（m）；x为流态指数。

2 结果与分析

2.1 内齿对流道局部损失系数的影响 在98 kPa入口压力下，试验方案1～8灌水器流道结构局部损失系数为11.24～56.89，试验方案9灌水器流道结构局部损失系数为3.07，其计算结果见表2。由表2可知，增加内齿后，流道局部水头损失系数增大，双内齿增大率明显高于单内齿，试验方案5局部损失系数达到最大值，相较于试验方案9原双向流道相比，增大了1 750.7%。并且传统的迷宫流道的局部损失系数为11.96～24.95［13］，与其流道相比消能效果有所提高。

2.2 内齿对流道水力性能的影响 对试验方案９种灌水器流道，利用Ansysfluent分别对其在19.6、39.2、58.8、78.4、98.0 kPa 5个压力水平条件下进行数值模拟计算，获得灌水器流量，应用Excel软件，依据式（11）分别对各组合方案的压力水头及流量数据进行曲线拟合（图7），得到公式中的参数x和k，在相同压力水头下，加入内齿，流道流量明显降低，这可初步说明内齿对流道水力性能产生了影响。

由表3流量系数可知，试验方案9原双向流道的流量系数为7.585，而加入内齿的双向流道的流量系数明显小于原双向流道，其中单内齿双向流道的流量系数为原双向流道的50%左右，双内齿双向流道的流量系数为原双向流道的40%左右，最小流量系数是内齿布置在支流道入口上和出口上的双内齿双向流道，流量系数为2.126，较原双向流道减小了71.97%。

由表3流态指数可知，试验方案9原双向流道的流态指数为0.518，与加入内齿的双向流道的流态指数有明显的差异；在单内齿双向流道中，内齿布置在支流道出口上下，对流态指数无明显的影响，内齿布置在支流道入口上时，流态指数最小为0.489，相较于原双向流道降低了5.6%，流态指数在0.5以下，水力性能较优，而内齿布置在支流道入口下的单内齿双向流道流态指数略微增大；双内齿双向流道的流态指数均小于原双向流道，当内齿布置在支流道入口上和出口上时，流态指数最小为0.494，相较于原双向流道降低了4.6%，但相比单内齿布置在支流道入口上时，流态指数略微增大。

因此，在双向流道设计时可在支流道入口上布置内齿，使得流道流态指数较小，同时流量的波动较小，水力性能更优良。

2.3 灌水器流道流场分析

选择试验方案9、单内齿流态指数最小的试验方案1和双内齿流态指数最小的试验方案5对流场流速分布与消能机理进行分析。图8a为试验方案1、5和9流道在58.8 kPa压力下的流场速度分布图，从方案1和方案9流场速度分布来看，位于支流道入口上的内齿，促进主流道水流进入支流道，增大支流道出口处的对冲效果，同时由于主流道增加了内齿，导致主流道增加内齿侧出现较大漩涡低速区，两者混掺剧烈，形成较大的能量损失；从方案1和方案5流场速度分布来看，位于支流道出口上的内齿，使得大部分主流道水流流向下个单元的支流道，支流道成为主流区，增大了沿程水头损失，但对冲混掺效果减弱，这是造成方案5流态指数大于方案1的主要原因。

通过Ansysfluent软件中的速度场计算以及Tecplot速度提取功能可得到第三流道单元主支流道截面的正反向水流的平均流速，试验方案9主流道水流流速为5.054 m/s，支流道水流流速为0.274 m/s，由于主支流道横截面相同，所以主流道水流的流量远大于支流道的流量；试验方案5主流道水流流速为0.232 m/s，支流道水流流速为1.200 m/s，即支流道水流的流量远大于主流道的流量；试验方案1主流道水流流速为0.881 m/s，支流道水流流速为1.927 m/s，相较于试验方案9和试验方案5，主支流道的流量较为接近。由于主支流道水流的对冲混掺是消能紊流的核心，主支流道流量越接近，灌水器的水力性能越好。这与部分研究结果相同，郭霖等［6］对双向对冲流灌水器研究，认为正向和反向水流的流量比趋近1，则流态指数越小，水力性能越好。

由图8b可知，不同试验方案流道沿程压力递减的趋势相近，在各级支流道出口段均出现较大的压降，这是由于主支流道对冲混掺，增大了局部水头损失，在流道单元首端的末端产生较大的压差。从图8a和图8b对比看出，流速越小的区域其压强越大。这与部分研究结果相同，张军［14］对新型果树根灌器研究，认为这是由于流道内的流体机械能守恒，当忽略重力势能的影响时，流速越大的区域其压强越小。

3 结论

（1）笔者对原双向流道加入内齿改进，设计了一种改进型双向流道滴灌灌水器。10 m压力水头局部损失系数为11.24～56.89，与原双向流道和传统迷宫流道相比消能效果明显提高，表明改进型双向流道灌水器结构较为合理，有一定的应用前景。

（2）采用数值模拟获得各组合方案灌水器的流量系数为2.126～7.585，其中单内齿双向流道的流量系数为原双向流道的50%左右，双内齿双向流道的流量系数为原双向流道的40%左右；流态指数有明显的差异，其中单内齿布置在入口上，流态指数最小为0.489，相较于原双向流道降低了5.6%，双内齿双向流道的流态指数均小于原双向流道。

（3）利用CFD软件和Tecplot速度提取功能对流道流场进行可视化研究。流道形成正向和反向水流的对冲混掺，是消能的本质，在支流道入口上布置内齿，可适度加快反向水流流量，提高水力性能，但支流道入口上出口上均布置内齿时，反向水流流量过大时，支流道水流成为主流区，正反向水流对冲混掺效果减弱，从微观角度解释了内齿位置对双向流道的影响机理。

笔者通过对原双向流道加入内齿，设计出一种改进型双向流道，初步探明在支流道入口上加入内齿可适度加快反向水流流量，对提高其水力性能和消能机理的研究有一定的参考价值，有深入研究的必要。

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