侯诗文，张朋杨，李亮 *，王世锋，朱俊峰

(1. 中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020； 2. 华润电力投资有限公司中西分公司，河南 郑州 450000)

滴灌被广泛应用于水资源较为匮乏的内蒙古半干旱地区.滴头作为滴灌系统重要零部件之一，其结构形式对微滴头内部流体的流动产生较大的影响，流道结构的不合理可能会使流道内产生杂质积累，阻塞流体流动，进而影响滴头出口流体的流动特性，对灌溉效果产生影响[1-3].国内外学者对滴灌进行大量的研究，郭霖等[4]采用Fluent软件分别模拟了各个结构参数组合方案下三角形迷宫流道滴灌灌水器的水力特性；田济扬等[5]分别采用Realiza-blek-ε模型与标准k-ω模型开展滴灌双向流流道数值模拟.邓涛等[6]为提高压力补偿灌水器的设计精度和研发效率，提出了一种压力补偿灌水器分步式CFD模拟方法.冯俊杰等[7]采用计算流体力学仿真方法分别对不同工况下的流场进行仿真分析，为滴头的结构优化改进、抗堵塞性提升和适宜工作压力范围的确定提供了理论指导.目前对滴头内部流道流场特性研究主要集中在压力补偿式滴灌部件上，对可调式微滴头内部及出口流场特性缺少深入研究.

文中建立可调式微滴头流场三维结构物理模型，采用CFD仿真软件并选择SST湍流计算模型，分析装配长度分别为1.5，3.0，4.5 mm，入口边界条件分别为10，30，50 kPa的滴头内部流场分布特性和滴头出入口流体物理参数变化特征，为可调试微滴头的结构设计和灌溉应用提供一定的参考依据.

1 模型建立与边界条件

1.1 内部流道模型的建立与网格的划分

对于可调式微滴头，主要是对其内部流场流动特性进行分析.在建立流道物理模型时，除壁面部分，只保留微滴头内部流体流动部分，其中微滴头入口为半径1.5 mm圆形入口；微滴头出口为矩形，出口边长为1.0 mm×1.3 mm，且出口位于端面.微滴头的流道示意图与三维模型示意图分别如图1，2所示.

图1 微滴头流道示意图(单位：mm)

图2 微滴头三维模型示意图

选用四面体非结构化网格对微滴头流道进行网格划分[8].以装配长度为1.5 mm、入口压力为30 kPa的边界条件为例进行模拟计算，3种网格(网格尺寸0.25，0.20，0.15 mm，网格总数57万、110万、256万)的最大出口流速分别为5.128，5.175，5.164 m/s，相互之间误差不超过1%.为同时确保较高的计算精度及较短的计算时间，选取网格尺寸为0.2 mm进行微滴头的网格划分.

1.2 湍流模型的选择

可调式微滴头应满足流体动力学连续性方程

(1)

式中：u，v，w分别是t时刻x，y，z方向的速度分量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3.

计算流体力学湍流计算模型可以分为直接数值模拟法(DNS)、雷诺平均法(RANS)和大涡模拟(LES).文献[7]对于滴头模拟时采用不同计算模型所得计算结果进行了详细的分析，并确定在网格尺寸为0.2 mm时，Realizablek-ε模型与标准k-ε模型模拟值与实际测量值比其他模型更加吻合.文中在进行模拟计算时选用标准k-ε模型进行计算.标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε的运输方程如下：

连续方程为

(2)

动量方程为

(3)

k方程为

(4)

ε方程为

(5)

1.3 边界条件的设置

调试微滴头内部的水力流动特性主要由进口部分和滴头部分之间的装配长度决定，两者采用螺纹连接.根据设计的最大额定流量和允许压强，分别设置螺纹装配长度1.5，3.0，4.5 mm这3种开度作为初始条件，依次进行同一入口压力下流道内的流场仿真.

进口边界根据微滴头设计的工作压力采用压力入口边界条件，对同一螺纹配合长度对入口压力分别为10，30，50 kPa进行流道流场仿真模拟；出口边界采用压力出口边界条件，出口为自由流，压力为1.01×105Pa(标准大气压)；流道内侧壁面边界条件采用光滑壁面.

采用压力速度耦合(SIMPLEC)进行不可压缩N-S稳态求解，采用较高精度的二阶迎风格式对流项中的动能、湍动能及扩散方程进行空间离散化.在计算过程中，当k-ε模型中continuity项小于10-4时，可认为计算结果收敛[9].

2 仿真结果分析

为了探寻可调式微滴头在不同工况条件下其流道内部流场变化特性，分别对不同工况下流场进行仿真计算，并根据计算结果对微滴头入口流速、流道内流场和出口水力特性参数进行对比分析.

2.1 不同开度下滴头内部流场特性分析

采用螺纹调节方式，改变螺纹的装配长度从而改变流道横截面积，以起到调节滴头水力特性的作用.以进口边界条件为30 kPa分别对装配长度为1.5，3.0，4.5 mm工况条件进行仿真模拟.

2.1.1 流道内流场特性

可调式微滴头的装配条件直接影响滴头入口流量和流道内部流体流动特性.不同装配条件下滴头内部流速u云图和速度矢量V分布分别如图3，4所示.

图3 不同装配条件下流道速度分布

图4 不同装配条件下流道速度矢量分布

由图3可知，在微滴头出口部分中心处有一头部为锥体的流量调节头，通过螺纹调节改变流量调节头的相对位置，从而改变进水部分与出水部分之间过渡流道的宽度，起到调节滴头流量的作用.从不同装配条件下的流道速度分布云图可知，3种状态下滴头内部流体流动状态相似，但在过渡流道内流体的流速随着装配长度的增加分别为0.338，0.680，0.906 m/s.由此可见，随着装配条件的不同(即配合长度的改变)，微滴头内部的流道结构改变，进而引起微滴头内部流体的流动状态和出口流体流动特性的变化.

图4为不同装配条件下微滴头内部速度矢量图，流道内部的速度矢量图能更好地对流道内部流动特性进行可视化描述.由速度矢量图可知流体从入口进入流道内部，经过流量调节头流道进入消能室1，而后由消能室1流向消能室2，最后流体由出口流出.其中消能室的空间大小由入口装置与出口装置之间的装配程度决定.由图4可知，随着装配长度的增加，各个消能室的空间逐渐减小，而由于农业灌溉中灌溉用水中存在一定的杂质，这些杂质会在流道内积累进而堵塞流道，影响微滴头的灌溉特性.从速度矢量分布图中可知，随装配长度的增加，消能室1和消能室2的空间逐渐减小，杂质在流道内的积累空间也逐渐减小；流体会在消能室1和消能室2处形成“涡流区”和“死流区”，其中“死流区”内流体的流动状态并不明显，所以滴头内部多数杂质积累在“死流区”.同一入口边界条件下，随着装配长度的增加，无论是消能室1还是消能室2，内部“涡流区”空间比例逐渐增大，而“死流区”空间比例逐渐减小，因此随着装配长度增加，微滴头内部杂质积累率逐渐降低.

2.1.2 出口物理参数特性

对于农业灌溉而言，滴头出口水流特性直接影响到灌溉效果，进而对果蔬的生长起到一定影响.本可调式微滴头8个灌溉出口呈圆周均匀分布，对微滴头进行流场仿真，选取滴头出口剖面中心位置的中心线为参考线.此直线上的各项参数分布均匀，能准确反映出口面上的各项参数分布情况.此直线上速度、压力和湍流动能分布如图5所示，图中Vout为出口流速，l为出口剖面中心线上的距离，Po为出口压力，k为出口湍动能.

图5 不同装配条件下出口物理参数变化特性

由图5可知，不同装配条件下微滴头出口参数特性也不同.图5a为出口中心线流速分布，受壁面边界粗糙条件的影响，无论哪种装配条件下，壁面处的速度分布都几乎为零，其速度值主要分布在出口中心位置处，配合长度为1.5，3.0，4.5 mm时，其速度最大值分别为5.175，3.864，3.367 m/s，速度平均值分别为3.295，2.373，2.268 m/s.随着装配长度的增加，流量调节头与入口流道之间的间隙越来越小，滴头出口流速也随之减小.图5b为微滴头出口压力分布，由压力分布曲线可知在微滴头出口中心区域压力值趋于0，而在出口下半部分区域压力值为正值，出口上半部分压力值为负值，并且随着装配长度的增加，滴头出口处的压力值逐渐减小.出口的压力分布特性决定了流体的流动特性，其中下半部分正压值越大则出口流体的动能越大；上半部分的压力为负值对流体流动起到阻碍作用，负值压力越大则阻碍作用越明显.图5c为出口处湍流动能值的变化曲线，从图中可知出口处的湍流动能值变化趋势呈开口向下的抛物线，在出口处，其湍流动能值随装配长度的增加而减小.

2.2 不同入口条件下滴头内部流场特性分析

入口压力参数作为影响喷头水流特性的重要参数之一，不同的入口压力下流道内部流场分布特性也不同，分别以入口压力Pi为10，30，50 kPa的边界条件对装配长度为3.0 mm进行仿真计算，其中图6为不同入口压力条件下入口处的速度Vin分布.

由图6可知，在同一装配条件下入口压力分别为10，30，50 kPa时，其入口流速分别为2.599,4.567,5.856 m/s.由此可见，随着入口压力的增加，入口流速增加.

图6 不同入口压力条件下入口流速

2.2.1 流道内流场特性分析

不同压力入口边界条件下微滴头内部流场速度分布云图和速度矢量图分别如图7，8所示.

由图7显示的流道内部速度云图可知，同一装配条件下由于调节头的相对位置固定，所以微滴头流道内部结构无任何变化，其内部流体流动状态几乎一致.而由于受到入口边界条件的影响，微滴头内部各个位置处的流速明显不同.由图8可知，流道内各个位置处的流速值随着入口压力Pi的升高而逐渐增大.

图7 不同入口条件下流道速度分布

图8 不同入口条件下流道速度矢量分布

由图8显示的不同入流条件下速度矢量分布图可知，不同入口边界条件下微滴头内部流体矢量分布具有明显差异.由于配合长度相同，所以消能室1和消能室2的空间体积一定，但随着入口压力的逐渐增加，消能室内“涡流区”涡流量逐渐增大，“死流区”内涡流量也在逐渐增加，且部分“死流区”逐渐向“涡流区”过渡，“死流区”空间体积比例逐渐减小，滴头内部的杂质积累率也在逐渐降低.

2.2.2 喷头出口特性分析

同一装配条件下不同压力入口条件微滴头出口中心线处流速值和湍流动能(turbulence kinetic energy)分布如图9所示.

图9 不同入口条件下出口物理参数变化特性

由图9a可知，微滴头出口中心线上流速值随入口边界条件压力值的升高而增加，入口压力分别为10,30,50 kPa时，微滴头出口流速平均值分别为1.33,2.37,3.04 m/s.由图9b可知，在微滴头出口中心区域压力值趋于0，而在出口上半部分压力值趋于负值，出口下半部分压力值为正值；随着入口压力的增加，无论是出口上半部分还是下半部分，其压力的绝对值都在逐渐升高；出口上半部分随着入口压力的升高，其流动阻力逐渐增加，而出口下半部分随着入口压力的升高，其流动动力增加.由图9c可知，出口处湍流强度值明显随压力值的升高而逐渐升高.由此可见，随着入口边界条件压力值的增加，出口流体的活跃性逐渐增强.

3 结 论

通过建立可调式微滴头物理模型，采用CFD软件并选择标准k-ε模型在入口压力为30 kPa，装配长度分别为1.5,3.0,4.5 mm；装配长度为3.0 mm，压力入口边界条件分别为10,30,50 kPa这6种工况下进行流场仿真分析，得出以下结论：

1) 可调式微滴头的流量调节主要通过调节头的相对位置改变来实现.随着调节头相对位置的改变，入流流道与调节头之间流道的宽度也改变，进而起到调节微滴头流量的作用.

2) 随着微滴头装配长度的增加，微滴头内部流道空间结构发生改变，消能室的空间体积逐渐减小，其中“涡流区”的空间比例逐渐升高，“死流区”的空间比例逐渐降低，微滴头内部杂质的积累率降低；随着装配长度的增加，滴头出口流体的流动阻力增大，进而起到流量调节的作用.配合长度为1.5，3.0，4.5 mm时，滴头出口最大速度分别为5.175，3.864，3.367 m/s，平均速度分别为3.295，2.373，2.268 m/s.随着装配长度的增大，速度均有所减小.

3) 随着微滴头入口边界条件压力值的升高，微滴头内部各个位置处的流速值增加，各个消能室内“涡流区”涡流动能逐渐升高，“死流区”逐渐向“涡流区”转化.在入口压力为10，30，50 kPa的条件下，微滴头出口平均速度分别为1.33，2.37，3.04 m/s，压力值、湍流动能值有不同程度的增加.