流量对矩形迷宫灌水器旋涡的影响分析

门永南,李治勤

(太原理工大学 水利科学与工程学院,太原 030024)

流量对矩形迷宫灌水器旋涡的影响分析

门永南,李治勤

(太原理工大学 水利科学与工程学院,太原 030024)

以流道内旋涡区为研究对象，采用计算软件FLUENT,选用标准k-ε模型对4种流易下的矩形迷宫灌水器流场与旋涡区涡旋强度、压力变化等进行数值模拟分析,将计算结果使用TECPLOT以及AUTOCAD进行处理。结果表明，矩形迷宫灌水器内水流由较大流速的主流区与封闭的旋涡区组成，旋涡区一方面可以增强灌水器的消能效率与抗堵塞性能,另一方面由于零速区的存在易引起灌水器堵塞，流量变化对旋涡区流动没有影响；流量与旋涡区面积和涡旋强度呈正相关关系,同时旋涡中心点位置随着流量增大逐渐偏离灌水器壁面并向下游移动，所以在流道优化中应对公称流量下流道内旋涡区进行优化，旋涡区压力由边界向中心逐渐降低,在旋涡中心处降至最低，压力降低速度随着流量的增大而加快。

迷宫灌水器;流场;堵塞;旋涡

滴灌技术作为目前最有效的节水灌溉技术被广泛应用,其对水的利用率高达95%以上[1]。灌水器作为滴灌系统的核心部件占整个灌溉系统总投资的25～35%[2]。灌水器水力性能的好坏直接影响灌水的均匀度,影响灌溉系统的性能。目前迷宫流道因为其内部水流为全紊流,具有较低的流态指数与较高的灌溉均匀度[3]。但由于迷宫流道尺寸一般在1～2 mm,很容易发生堵塞现象,因而其抗堵性能方面的研究成为了目前研究的主要方向。

目前,许多学者根据PIV和Micro-PIV可视化技术揭示灌水器内部流动机理,应用CFD、Pro-E、Femlab等计算软件对灌水器水力性能进行分析。魏正英等[4]通过CFD方法,对圆弧迷宫流道进行流态分析,认为流道中在旋涡区中心存在流动滞止区,是堵塞的根本原因。张琴等[5]将速度涡旋区和低速滞止区去除,提出了圆弧形流道。金文等[6]通过Micro-PIV和CFD对齿形流道灌水器进行研究,将旋涡区分成紊流强度较大的部分和紊流强度较小的滞流区并剔除滞流区进行抗堵性优化。杨爽等[7]通过CFD对不同流量下矩形迷宫灌水器进行分析,认为随着流量增大,零速区范围变小,适当增加流量可提高灌水器抗堵塞性能。综上所述,关于旋涡区的研究对提高灌水器抗堵性有着重要的意义。但目前对灌水器旋涡区的研究较少,故笔者利用CFD软件模拟技术,以矩形迷宫灌水器为对象,研究流量对其内部水流流动旋涡区的影响,为之后灌水器抗堵塞优化提供依据。

1 流道结构与网格划分

本文采用矩形迷宫灌水器,其流道断面尺寸为2 mm×2 mm,流道长度240 mm,流道单元数30。流道结构如图1-a所示(图中尺寸单位为mm)。由于迷宫灌水器水力现象在单元上有重复性[8],故本文选取3个单元作为模拟对象。坐标原点选在入口断面中心位置处。X轴正向为水流流入方向,Y，Z轴分别为入口断面高、宽方向。利用建模软件GAMBIT按1∶1建模。计算网格采用非结构网格,并对入口和出口处上下边界层进行网格加密。体网格间距为0.1 mm,网格节点总数为252 609,网格划分如图1-b所示。压力参考点选在出口断面中心位置,其压力值为101 325 Pa。

图1 灌水器结构与网格划分Fig.1 Structure of unit and mesh for emitter

2 控制方程及边界条件

2.1 控制方程

由于灌水器流道内流体是不可压缩流体,故控制方程为连续方程和Navier-Stokes方程。

连续方程:

Navier-Stokes方程:

式中:ux,uy,uz为流速u在x,y,z方向上的分量,m/s;ρ为水的密度,kg/m3;ν为运动粘滞系数;p为流体压力,Pa。

由于流道中流动为完全紊流,选取标准k-ε紊流模型。

2.2 边界条件

灌水器流道入口边界条件设置为速度入口,出口设置为自由出流条件。边壁采取默认的标准壁面函数法处理。控制方程离散采用有限体积法离散控制方程,对流项设为二阶迎风格式,压力与速度的耦合求解设为SIMPLE算法。收敛残差为10-5。

3 计算结果分析

3.1 迷宫流道内流场分析

本文对4种流量下流场进行了分析,4种流量下Z=0截面上的速度矢量和流线分布均相似。图2所示为5 L/h流量时迷宫流道内Z=0截面的速度矢量和流线分布图。由图2看出:流动可分为流速较大的主流区与分布在流道拐角处和边壁处的旋涡区。主流区流线沿流道分布均匀，此区域流速较大,泥沙颗粒不易沉积。旋涡区水流脱离主流区形成封闭的流动区域。主流区和旋涡区水流相互作用,产生能量交换,从而引起能量损失。迷宫流道边角处流速较低,由于流体绕过边壁时形成速度截断面,在此处有小旋涡出现,由于小旋涡远离主流区的高速水流,高速水流很难对其作用,易形成运动滞止区,造成泥沙颗粒沉积堵塞流道。

图2 5 L/h流量时矩形迷宫流道内Z=0截面的速度矢量和流线图Fig.2 Velocity vector and streamlines diagram of Z=0 under 5 L/h flow

表1为4种流量下主流区与旋涡区流速范围。由表1可以看出:

1)4种流量下,旋涡边界流速均为主流区的最小流速,且主流区最大流速均为其最小流速的2倍;

2)随着流量的增大,主流区和旋涡区的边界流速均增加,主流区最大流速增幅为3.23倍,旋涡区边界流速增幅为3.52倍。但旋涡区中心流速基本保持不变,且均趋近于0。旋涡区边界流速的增大可使位于此处的泥沙颗粒得到较大的离心力从而进入旋涡区的泥沙颗粒数量减少。另一方面主流区的流速增大可加强水流对流道中泥沙颗粒的作用,从而使泥沙颗粒流出流道,增强流道的抗堵性;而旋涡区中心流速基本不随流量而变化,表明流量的增大对旋涡区零速区流速的影响很小。

表1 不同流量下主流区与旋涡区流速

3.2 流量对旋涡面积及旋涡中心位置的影响

由于水流特性在单元上的周期性,故以第一单元中旋涡区为例,对其旋涡面积与旋涡中心位置以及流量变化对其旋涡面积与旋涡中心位置的影响进行分析。图3依次为3，5，7，9 L/h流量下，Z=0截面上旋涡区速度矢量和流线图。从图3中可以看出:随着流量的增加,旋涡区内部流动形态基本未发生变化。旋涡区为半圆形区域,旋涡区内液体质点围绕涡旋中心做涡旋运动。

将上图导入AUTOCAD中,取旋涡区边界处的流线为旋涡区轮廓线,流线起始处为旋涡中心,可以得到旋涡区面积和旋涡中心点的位置如表2所示。其中旋涡中心点在X方向变化量用偏离流道边界中心线(图3中虚线)的距离a表示,在Y方向变化量用偏离流道边壁距离b表示,如图3所示。

图3 不同流量下旋涡速度矢量及流线图Fig.3 Velocity vector and streamlines under different flow

由图3中可以得出不同流量下旋涡区面积与旋涡区中心点位置具体结果见表2,由表2可知:

1) 所模拟旋涡区面积与旋涡中心点位置变化与文献[10]中大量有关旋涡区面积与旋涡中心点位置的Micro-Piv测试结果一致;

2) 随着流量的增大,旋涡区面积逐渐增大。本文流量由3 L/h增大至9 L/h,旋涡区面积由1.207 3 mm2增大到1.367 6 mm2,增幅为13.3%。说明旋涡区面积随流量增大的变化不能忽略。

3) 随着流量的增大,旋涡中心点位置不断偏离壁面,同时偏向流道下游。结合流速图发现,旋涡中心点均在旋涡区的零速区范围内,说明流量的增大影响着零速度区的位置。

4) 由旋涡区面积和旋涡区中心点位置变化可知,在流道优化过程中尽量选取额定允许工作条件下的最大流量即公称流量对应的旋涡区进行优化。

表2 不同流量下旋涡区面积与旋涡区中心点位置

3.3 流量对旋涡区涡旋强度的影响

由于目前对旋涡区特性研究较少,故本文采用Rajendran等[10]对泵站进水池内旋涡模拟时对涡旋强度的定义去比较流量变化对涡旋强度变化的影响。由于旋涡区内质点运动形成的涡为物理涡,定义无量纲数ω=v/d为涡旋强度。其中d为旋涡区等效半径,v为旋涡区边界平均切向速度。4种流量下旋涡区涡旋强度见表3。

由表3可知,随着流道内水流流量的增大,旋涡区涡旋强度也随之增大。表明旋涡区内涡旋运动更加剧烈,其对流道的冲刷能力和消能能力也在增强,同时使位于旋涡区内泥沙颗粒获得的离心力也在增加,使得其容易冲出旋涡区进入主流区,从而可增强流道的抗堵性。

表3 不同流量下旋涡区涡旋强度

3.4 旋涡区压力降分析

为了分析旋涡区内压力变化与流量之间的关系,取4种流量下第一单元旋涡区内过旋涡中心的横截面与Z=0截面的交线,分析旋涡区内压力沿流线的变化。4种流量下旋涡区内压力的变化如图4所示。

图4 不同流量下旋涡区压力分布图Fig.4 Pressure distribution of the vortex under different flow

由图4结合图2看出:

1) 不同流量下旋涡区内压力沿AOB的分布变化趋势基本相同;

2) 各流量下旋涡区边界点A至漩涡区中心点O之间压力降低均较快并在旋涡区中心点O处达到最低值;

3) 边壁B至旋涡区中心O之间压力值也在降低,但受边壁的影响,其压力降低速度较慢。4种流量下旋涡区边界A及边壁B至旋涡区中心点O的压力降变化如表4所示。

由表4可知:旋涡区内压力降低速度随着流量的增大而加快。这表明,随着流量的增大,进入旋涡区内的泥沙颗粒充分多,且有较强的吸力使其进入旋涡中心。如果此时旋涡中心处水流流速不能使进入的泥沙颗粒重新冲出旋涡区，则有可能使旋涡中心处的泥沙颗粒越积越多,从而引起灌水器流道堵塞。

表4 不同流量下旋涡区内压力降

4 结论

通过对3，5，7,9 L/h 4种不同流量下矩形迷宫灌水器内流场与旋涡区涡旋强度、压力降等的分析,可得出如下结论:

1) 矩形迷宫灌水器流道内水流可分为流速较大的主流区与封闭的旋涡区。

2) 旋涡区的存在既具有提高灌水器消能效率与抗堵塞性的有利性,但其存在中心处流速为零的区域又使其具有引发灌水器堵塞的不利性。

3) 迷宫灌水器内流量变化对旋涡区水流流动形态没有影响。但随着流量的增大,旋涡区面积与涡旋强度均增大,同时旋涡中心点位置偏向灌水器壁面并向流道下游移动。

4) 旋涡区中心水流流速几乎为零，似乎是引起灌水器堵塞的关键，流量的增加无法改变这一状况。

5) 旋涡区内压力由边界向中心很快降低,至旋涡中心降至最低,且压力降低速度随着流量增大而加快。

6) 在流道优化过程中应对公称流量下流道内的旋涡区进行优化。

[1] 魏青松,史玉升,鲁 俊,等.滴灌灌水器低成本快速开发理论与方法研究[J].农业工程学报,2005,21(2):17-21.

[2] 张 琴,叶含春,王立洪.迷宫型灌水器流道结构与水力性能的模拟研究[J].农机化研究,2012,(2):60-62.

[3] 李治勤,马 静.迷宫灌水器水流流态试验[J].农业工程学报,2012,28(1):82-86.

[4] 魏正英,赵万华,唐一平,等.滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究[J].农业工程学报,2005,21(6):1-7.

[5] 张 琴,管 瑶,曹洪武.滴灌灌水器流道内流体流动的数值模拟[J].塔里木大学学报,2011,23(4):67-71.

[6] 金 文,张鸿雁.灌水器流道结构优化数值分析[J].节水灌溉,2013,(12):74-78.

[7] 杨 爽,李治勤.矩形迷宫灌水器流量对水流流场与压力场的影响[J].太原理工大学学报,2014,45(4):496-499.

[8] 魏正英,唐一平,赵万华,等.滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究[J].农业工程学报,2005,36(12):51-55.

[9] 金 文,张鸿雁,何文博.灌水器流道结构对水力性能影响的数值分析[J].中国农业大学学报,2012,17(2):139-143.

[10] Rajendran V P,Patel V C.Measurement of vortices in model pump-intake bay by Piv.Journal of Hydraulic Engineering,2000,12(6):322-334.

[11] 喻黎明,吴普特,牛文全.迷宫流道偏差量对灌水器水力性能及抗堵塞性能的影响[J].农业机械学报,2011,42(9):64-68.

(编辑：贾丽红)

The Effect of Flow on the Vortex of Rectangular Labyrinth Emitter

MEN Yongnan,LI Zhiqin
(CollegeofWaterConservancyEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

Plugging in drip irrigation emitters directly influences the efficiency of the system,and even makes the system scrapped.Plugging mainly starts from the area of vortex,so this paper uses the area of vortex as the research object.On the basis of the calculation software FLUENT and the model of k-ε,the flow in rectangular labyrinth,strength of vortex and pressure variation were analyzed,and treated by TECPLOT and AUTOCAD.The results show that:1)The flow in rectangular labyrinth emitter is constituted by the main flow area with higher flow-rate and closed area of vortex;2)The area of vortex on one hand can enhance the efficiency and anti-clogging,on the other hand it can plug the emitter;3)The flow variation has no effect on the flow in the area of vortex.There is a positive correlation between flow area of the vortex and strength of vortex.The position of central point deviates the boundary and goes downstream as the flow increases.The maximum flow should be used in optimization of the area of vortex in channel.4)The pressure in the vortex decreases from the boundary to the center of vortex and is the lowest in the center of the vortex.The rate of pressure drop speeds up with the increase of the flow.

labyrinth emitter;flow field;plugging;vortex

1007-9432(2015)04-0465-05

2014-12-27

国家自然科学基金项目:地面灌溉技术参数优化研究(51249002)

门永南(1988-)，男,山西朔州人,硕士生,主要从事小管道水力学研究,(E-mail)2613040407@qq.com

李治勤(1965-),男,山西平遥人,副教授,博士,主要从事小管道水力学研究,(E-mail)lzq_lzq@163.com

S275.6

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.021