基于CFD可調(diào)式微滴頭流場(chǎng)特性分析

侯詩文，張朋楊，李亮 *，王世鋒，朱俊峰

(1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2. 華潤(rùn)電力投資有限公司中西分公司，河南 鄭州 450000)

滴灌被廣泛應(yīng)用于水資源較為匱乏的內(nèi)蒙古半干旱地區(qū).滴頭作為滴灌系統(tǒng)重要零部件之一，其結(jié)構(gòu)形式對(duì)微滴頭內(nèi)部流體的流動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，流道結(jié)構(gòu)的不合理可能會(huì)使流道內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)積累，阻塞流體流動(dòng)，進(jìn)而影響滴頭出口流體的流動(dòng)特性，對(duì)灌溉效果產(chǎn)生影響[1-3].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滴灌進(jìn)行大量的研究，郭霖等[4]采用Fluent軟件分別模擬了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案下三角形迷宮流道滴灌灌水器的水力特性；田濟(jì)揚(yáng)等[5]分別采用Realiza-blek-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型開展滴灌雙向流流道數(shù)值模擬.鄧濤等[6]為提高壓力補(bǔ)償灌水器的設(shè)計(jì)精度和研發(fā)效率，提出了一種壓力補(bǔ)償灌水器分步式CFD模擬方法.馮俊杰等[7]采用計(jì)算流體力學(xué)仿真方法分別對(duì)不同工況下的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，為滴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)、抗堵塞性提升和適宜工作壓力范圍的確定提供了理論指導(dǎo).目前對(duì)滴頭內(nèi)部流道流場(chǎng)特性研究主要集中在壓力補(bǔ)償式滴灌部件上，對(duì)可調(diào)式微滴頭內(nèi)部及出口流場(chǎng)特性缺少深入研究.

文中建立可調(diào)式微滴頭流場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)物理模型，采用CFD仿真軟件并選擇SST湍流計(jì)算模型，分析裝配長(zhǎng)度分別為1.5，3.0，4.5 mm，入口邊界條件分別為10，30，50 kPa的滴頭內(nèi)部流場(chǎng)分布特性和滴頭出入口流體物理參數(shù)變化特征，為可調(diào)試微滴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和灌溉應(yīng)用提供一定的參考依據(jù).

1 模型建立與邊界條件

1.1 內(nèi)部流道模型的建立與網(wǎng)格的劃分

對(duì)于可調(diào)式微滴頭，主要是對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)特性進(jìn)行分析.在建立流道物理模型時(shí)，除壁面部分，只保留微滴頭內(nèi)部流體流動(dòng)部分，其中微滴頭入口為半徑1.5 mm圓形入口；微滴頭出口為矩形，出口邊長(zhǎng)為1.0 mm×1.3 mm，且出口位于端面.微滴頭的流道示意圖與三維模型示意圖分別如圖1，2所示.

圖1 微滴頭流道示意圖(單位：mm)

圖2 微滴頭三維模型示意圖

選用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)微滴頭流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8].以裝配長(zhǎng)度為1.5 mm、入口壓力為30 kPa的邊界條件為例進(jìn)行模擬計(jì)算，3種網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸0.25，0.20，0.15 mm，網(wǎng)格總數(shù)57萬、110萬、256萬)的最大出口流速分別為5.128，5.175，5.164 m/s，相互之間誤差不超過1%.為同時(shí)確保較高的計(jì)算精度及較短的計(jì)算時(shí)間，選取網(wǎng)格尺寸為0.2 mm進(jìn)行微滴頭的網(wǎng)格劃分.

1.2 湍流模型的選擇

可調(diào)式微滴頭應(yīng)滿足流體動(dòng)力學(xué)連續(xù)性方程

(1)

式中：u，v，w分別是t時(shí)刻x，y，z方向的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3.

計(jì)算流體力學(xué)湍流計(jì)算模型可以分為直接數(shù)值模擬法(DNS)、雷諾平均法(RANS)和大渦模擬(LES).文獻(xiàn)[7]對(duì)于滴頭模擬時(shí)采用不同計(jì)算模型所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并確定在網(wǎng)格尺寸為0.2 mm時(shí)，Realizablek-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬值與實(shí)際測(cè)量值比其他模型更加吻合.文中在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算.標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε的運(yùn)輸方程如下：

連續(xù)方程為

(2)

動(dòng)量方程為

(3)

k方程為

(4)

ε方程為

(5)

1.3 邊界條件的設(shè)置

調(diào)試微滴頭內(nèi)部的水力流動(dòng)特性主要由進(jìn)口部分和滴頭部分之間的裝配長(zhǎng)度決定，兩者采用螺紋連接.根據(jù)設(shè)計(jì)的最大額定流量和允許壓強(qiáng)，分別設(shè)置螺紋裝配長(zhǎng)度1.5，3.0，4.5 mm這3種開度作為初始條件，依次進(jìn)行同一入口壓力下流道內(nèi)的流場(chǎng)仿真.

進(jìn)口邊界根據(jù)微滴頭設(shè)計(jì)的工作壓力采用壓力入口邊界條件，對(duì)同一螺紋配合長(zhǎng)度對(duì)入口壓力分別為10，30，50 kPa進(jìn)行流道流場(chǎng)仿真模擬；出口邊界采用壓力出口邊界條件，出口為自由流，壓力為1.01×105Pa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)；流道內(nèi)側(cè)壁面邊界條件采用光滑壁面.

采用壓力速度耦合(SIMPLEC)進(jìn)行不可壓縮N-S穩(wěn)態(tài)求解，采用較高精度的二階迎風(fēng)格式對(duì)流項(xiàng)中的動(dòng)能、湍動(dòng)能及擴(kuò)散方程進(jìn)行空間離散化.在計(jì)算過程中，當(dāng)k-ε模型中continuity項(xiàng)小于10-4時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂[9].

2 仿真結(jié)果分析

為了探尋可調(diào)式微滴頭在不同工況條件下其流道內(nèi)部流場(chǎng)變化特性，分別對(duì)不同工況下流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)微滴頭入口流速、流道內(nèi)流場(chǎng)和出口水力特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析.

2.1 不同開度下滴頭內(nèi)部流場(chǎng)特性分析

采用螺紋調(diào)節(jié)方式，改變螺紋的裝配長(zhǎng)度從而改變流道橫截面積，以起到調(diào)節(jié)滴頭水力特性的作用.以進(jìn)口邊界條件為30 kPa分別對(duì)裝配長(zhǎng)度為1.5，3.0，4.5 mm工況條件進(jìn)行仿真模擬.

2.1.1 流道內(nèi)流場(chǎng)特性

可調(diào)式微滴頭的裝配條件直接影響滴頭入口流量和流道內(nèi)部流體流動(dòng)特性.不同裝配條件下滴頭內(nèi)部流速u云圖和速度矢量V分布分別如圖3，4所示.

圖3 不同裝配條件下流道速度分布

圖4 不同裝配條件下流道速度矢量分布

由圖3可知，在微滴頭出口部分中心處有一頭部為錐體的流量調(diào)節(jié)頭，通過螺紋調(diào)節(jié)改變流量調(diào)節(jié)頭的相對(duì)位置，從而改變進(jìn)水部分與出水部分之間過渡流道的寬度，起到調(diào)節(jié)滴頭流量的作用.從不同裝配條件下的流道速度分布云圖可知，3種狀態(tài)下滴頭內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)相似，但在過渡流道內(nèi)流體的流速隨著裝配長(zhǎng)度的增加分別為0.338，0.680，0.906 m/s.由此可見，隨著裝配條件的不同(即配合長(zhǎng)度的改變)，微滴頭內(nèi)部的流道結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而引起微滴頭內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)和出口流體流動(dòng)特性的變化.

圖4為不同裝配條件下微滴頭內(nèi)部速度矢量圖，流道內(nèi)部的速度矢量圖能更好地對(duì)流道內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行可視化描述.由速度矢量圖可知流體從入口進(jìn)入流道內(nèi)部，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)頭流道進(jìn)入消能室1，而后由消能室1流向消能室2，最后流體由出口流出.其中消能室的空間大小由入口裝置與出口裝置之間的裝配程度決定.由圖4可知，隨著裝配長(zhǎng)度的增加，各個(gè)消能室的空間逐漸減小，而由于農(nóng)業(yè)灌溉中灌溉用水中存在一定的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)在流道內(nèi)積累進(jìn)而堵塞流道，影響微滴頭的灌溉特性.從速度矢量分布圖中可知，隨裝配長(zhǎng)度的增加，消能室1和消能室2的空間逐漸減小，雜質(zhì)在流道內(nèi)的積累空間也逐漸減?。涣黧w會(huì)在消能室1和消能室2處形成“渦流區(qū)”和“死流區(qū)”，其中“死流區(qū)”內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)并不明顯，所以滴頭內(nèi)部多數(shù)雜質(zhì)積累在“死流區(qū)”.同一入口邊界條件下，隨著裝配長(zhǎng)度的增加，無論是消能室1還是消能室2，內(nèi)部“渦流區(qū)”空間比例逐漸增大，而“死流區(qū)”空間比例逐漸減小，因此隨著裝配長(zhǎng)度增加，微滴頭內(nèi)部雜質(zhì)積累率逐漸降低.

2.1.2 出口物理參數(shù)特性

對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉而言，滴頭出口水流特性直接影響到灌溉效果，進(jìn)而對(duì)果蔬的生長(zhǎng)起到一定影響.本可調(diào)式微滴頭8個(gè)灌溉出口呈圓周均勻分布，對(duì)微滴頭進(jìn)行流場(chǎng)仿真，選取滴頭出口剖面中心位置的中心線為參考線.此直線上的各項(xiàng)參數(shù)分布均勻，能準(zhǔn)確反映出口面上的各項(xiàng)參數(shù)分布情況.此直線上速度、壓力和湍流動(dòng)能分布如圖5所示，圖中Vout為出口流速，l為出口剖面中心線上的距離，Po為出口壓力，k為出口湍動(dòng)能.

圖5 不同裝配條件下出口物理參數(shù)變化特性

由圖5可知，不同裝配條件下微滴頭出口參數(shù)特性也不同.圖5a為出口中心線流速分布，受壁面邊界粗糙條件的影響，無論哪種裝配條件下，壁面處的速度分布都幾乎為零，其速度值主要分布在出口中心位置處，配合長(zhǎng)度為1.5，3.0，4.5 mm時(shí)，其速度最大值分別為5.175，3.864，3.367 m/s，速度平均值分別為3.295，2.373，2.268 m/s.隨著裝配長(zhǎng)度的增加，流量調(diào)節(jié)頭與入口流道之間的間隙越來越小，滴頭出口流速也隨之減小.圖5b為微滴頭出口壓力分布，由壓力分布曲線可知在微滴頭出口中心區(qū)域壓力值趨于0，而在出口下半部分區(qū)域壓力值為正值，出口上半部分壓力值為負(fù)值，并且隨著裝配長(zhǎng)度的增加，滴頭出口處的壓力值逐漸減小.出口的壓力分布特性決定了流體的流動(dòng)特性，其中下半部分正壓值越大則出口流體的動(dòng)能越大；上半部分的壓力為負(fù)值對(duì)流體流動(dòng)起到阻礙作用，負(fù)值壓力越大則阻礙作用越明顯.圖5c為出口處湍流動(dòng)能值的變化曲線，從圖中可知出口處的湍流動(dòng)能值變化趨勢(shì)呈開口向下的拋物線，在出口處，其湍流動(dòng)能值隨裝配長(zhǎng)度的增加而減小.

2.2 不同入口條件下滴頭內(nèi)部流場(chǎng)特性分析

入口壓力參數(shù)作為影響噴頭水流特性的重要參數(shù)之一，不同的入口壓力下流道內(nèi)部流場(chǎng)分布特性也不同，分別以入口壓力Pi為10，30，50 kPa的邊界條件對(duì)裝配長(zhǎng)度為3.0 mm進(jìn)行仿真計(jì)算，其中圖6為不同入口壓力條件下入口處的速度Vin分布.

由圖6可知，在同一裝配條件下入口壓力分別為10，30，50 kPa時(shí)，其入口流速分別為2.599,4.567,5.856 m/s.由此可見，隨著入口壓力的增加，入口流速增加.

圖6 不同入口壓力條件下入口流速

2.2.1 流道內(nèi)流場(chǎng)特性分析

不同壓力入口邊界條件下微滴頭內(nèi)部流場(chǎng)速度分布云圖和速度矢量圖分別如圖7，8所示.

由圖7顯示的流道內(nèi)部速度云圖可知，同一裝配條件下由于調(diào)節(jié)頭的相對(duì)位置固定，所以微滴頭流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)無任何變化，其內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)幾乎一致.而由于受到入口邊界條件的影響，微滴頭內(nèi)部各個(gè)位置處的流速明顯不同.由圖8可知，流道內(nèi)各個(gè)位置處的流速值隨著入口壓力Pi的升高而逐漸增大.

圖7 不同入口條件下流道速度分布

圖8 不同入口條件下流道速度矢量分布

由圖8顯示的不同入流條件下速度矢量分布圖可知，不同入口邊界條件下微滴頭內(nèi)部流體矢量分布具有明顯差異.由于配合長(zhǎng)度相同，所以消能室1和消能室2的空間體積一定，但隨著入口壓力的逐漸增加，消能室內(nèi)“渦流區(qū)”渦流量逐漸增大，“死流區(qū)”內(nèi)渦流量也在逐漸增加，且部分“死流區(qū)”逐漸向“渦流區(qū)”過渡，“死流區(qū)”空間體積比例逐漸減小，滴頭內(nèi)部的雜質(zhì)積累率也在逐漸降低.

2.2.2 噴頭出口特性分析

同一裝配條件下不同壓力入口條件微滴頭出口中心線處流速值和湍流動(dòng)能(turbulence kinetic energy)分布如圖9所示.

圖9 不同入口條件下出口物理參數(shù)變化特性

由圖9a可知，微滴頭出口中心線上流速值隨入口邊界條件壓力值的升高而增加，入口壓力分別為10,30,50 kPa時(shí)，微滴頭出口流速平均值分別為1.33,2.37,3.04 m/s.由圖9b可知，在微滴頭出口中心區(qū)域壓力值趨于0，而在出口上半部分壓力值趨于負(fù)值，出口下半部分壓力值為正值；隨著入口壓力的增加，無論是出口上半部分還是下半部分，其壓力的絕對(duì)值都在逐漸升高；出口上半部分隨著入口壓力的升高，其流動(dòng)阻力逐漸增加，而出口下半部分隨著入口壓力的升高，其流動(dòng)動(dòng)力增加.由圖9c可知，出口處湍流強(qiáng)度值明顯隨壓力值的升高而逐漸升高.由此可見，隨著入口邊界條件壓力值的增加，出口流體的活躍性逐漸增強(qiáng).

3 結(jié) 論

通過建立可調(diào)式微滴頭物理模型，采用CFD軟件并選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在入口壓力為30 kPa，裝配長(zhǎng)度分別為1.5,3.0,4.5 mm；裝配長(zhǎng)度為3.0 mm，壓力入口邊界條件分別為10,30,50 kPa這6種工況下進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，得出以下結(jié)論：

1) 可調(diào)式微滴頭的流量調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)頭的相對(duì)位置改變來實(shí)現(xiàn).隨著調(diào)節(jié)頭相對(duì)位置的改變，入流流道與調(diào)節(jié)頭之間流道的寬度也改變，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)微滴頭流量的作用.

2) 隨著微滴頭裝配長(zhǎng)度的增加，微滴頭內(nèi)部流道空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，消能室的空間體積逐漸減小，其中“渦流區(qū)”的空間比例逐漸升高，“死流區(qū)”的空間比例逐漸降低，微滴頭內(nèi)部雜質(zhì)的積累率降低；隨著裝配長(zhǎng)度的增加，滴頭出口流體的流動(dòng)阻力增大，進(jìn)而起到流量調(diào)節(jié)的作用.配合長(zhǎng)度為1.5，3.0，4.5 mm時(shí)，滴頭出口最大速度分別為5.175，3.864，3.367 m/s，平均速度分別為3.295，2.373，2.268 m/s.隨著裝配長(zhǎng)度的增大，速度均有所減小.

3) 隨著微滴頭入口邊界條件壓力值的升高，微滴頭內(nèi)部各個(gè)位置處的流速值增加，各個(gè)消能室內(nèi)“渦流區(qū)”渦流動(dòng)能逐漸升高，“死流區(qū)”逐漸向“渦流區(qū)”轉(zhuǎn)化.在入口壓力為10，30，50 kPa的條件下，微滴頭出口平均速度分別為1.33，2.37，3.04 m/s，壓力值、湍流動(dòng)能值有不同程度的增加.