迷宮流道結構參數(shù)對水力性能影響的模擬研究

王子凱

摘要 利用 CFD 數(shù)值模擬方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力性能試驗對不同結構參數(shù)尺寸的齒形迷宮滴頭流道內流場進行模擬計算，充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢，選取流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)和水頭損失系數(shù)3個指標來分析齒形迷宮滴頭流道結構參數(shù)對滴頭工作性能影響的規(guī)律。結果表明，齒角度α對流量系數(shù)的影響最大，其次是偏差量J，齒高h對其影響最小；齒角度α對流態(tài)指數(shù)的影響最大，其次是偏差量J，齒高h對其影響最小。

關鍵詞 結構參數(shù)；CFD；水力性能

中圖分類號 S275 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-368-03

迷宮流道有很多類型，包括梯形、齒形、矩形、弧形等其他形狀，其結構參數(shù)對灌水器滴頭的水力性能影響很大，影響著流道的流量、流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)，大量專家學者為了研究出水力性能更好的灌水器，在灌水器結構參數(shù)對水力性能影響方面進行了大量的研究。姚彬等[1]初步研究了流道長度對內鑲貼片式滴頭流量及其他參數(shù)的影響。魏正英[2]提取流道寬度及單元數(shù)作為梯形迷宮流道結構控制參數(shù)，利用FLUENT軟件對流道內水流流動進行數(shù)值模擬。王芳[3]借助FEMLAB軟件，對迷宮滴頭進行三維的流道參數(shù)建模，在迷宮流道流態(tài)分析、壓力流量關系、結構分析等方面進行了分析。王建東[4]對不同結構形式和相同結構形式不同結構尺寸的齒形迷宮流道結構參數(shù)對灌水器水力性能、抗堵性能影響進行了試驗研究。喻黎明[5]提取了齒形、梯形和矩形迷宮流道的5個關鍵參數(shù)，采用正交試驗的方法分析了5個參數(shù)對灌水器水力性能影響的重要程度。劉淑萍等[6]研究了流道的水力特性。謝巧麗[7]研究了迷宮流道齒轉角與齒間距對滴頭性能的影響。

上述研究采取了多種方法研究了多種形式的迷宮流道的水力性能受其結構參數(shù)的影響，對灌水器的結構設計和優(yōu)化提供了理論基礎。該文以齒形迷宮流道結構作為研究對象，提取出控制迷宮流道形式的3個要素，對流道水力性能采用CFD數(shù)值模擬的方法進行了研究，研究了齒高、齒角度和偏差量對滴頭水力性能的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 參數(shù)化設計 選取齒高h、齒角度、偏差量J作為三角形迷宮流道結構控制的3個要素，流道寬度w=（h+J）×cosα，齒形水平長度L=2N×h×cosα，N為流道單元數(shù)，滴頭流道結構標記為D（h，α，J）。在AutoCAD20101中完成滴頭幾何模型的構建，該模型如圖1所示。

固定流道深度為1.0 mm，流道單元數(shù)為8個，兩端設計有一小段直管段，使水流能夠充分發(fā)展。根據(jù)常見灌水器的結構尺寸范圍，結構參數(shù)見表1，各因素水平進行正交試驗，共有25種灌水器結構形式。

1.2 模擬方案 將三維的CAD模型導入到Gambit2.2.30中，通過Gambit對不同結構形式的灌水器進行流道網(wǎng)格劃分。在工程實踐中，粘性底層對紊流沿程阻力規(guī)律的研究意義重大，同時，由于迷宮流道尺寸很小，故邊界層對迷宮內主流速區(qū)的影響是不能忽略的，故本模擬試驗對邊界層進行了加密，第1層為0.01 mm，其他各層按1.5比例遞增，共有6層。灌水器內部流道的網(wǎng)格劃分采用了基本尺寸為0.1 mm的非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)在（0.6-3）×104之間。

應用CFD有限體積法進行數(shù)值模擬，將灌水器內部的水流運動視為粘性不可壓縮流體運動，其運動規(guī)律符合質量守恒和動量守恒定律，基本控制方程由連續(xù)性方程和Navier-Stokes 方程等構成。應用Fluent軟件對流道內水流流動進行數(shù)值模擬時，對于每種結構的滴頭，流道進出口均設為壓力條件。進口壓力水頭在1～5 m 時，每間隔1 m選1個壓力水平；在6～10 m時，每間隔2 m選1個壓力水平。進口有8個壓力水平，出口壓力均設為大氣壓。采用有限體積法離散控制方程，對流項為一階迎風格式，應用SIMPLE 算法對控制方程進行求解。試驗采用通用的高精度、計量小的標準壁面函數(shù)法對灌水器的流道壁面進行處理。數(shù)值計算采用了定常的非耦合隱式算法，壓力項等采用二階迎風格式，參差標準設置為1×10-4。

2 流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)與特征參數(shù)關系分析

由數(shù)值模擬得到流道出口流量，根據(jù)壓力和流量的對應關系對8個不同壓力下的灌水器流量進行曲線擬合，可得到公式中的流量指數(shù)和流態(tài)指數(shù)。計算8個壓力下的平均流量，以平均流量作為參數(shù)來衡量迷宮流道結構灌水器的動量、質量以及流量的大小。使用CFD數(shù)值模擬軟件對表1所示的25種滴頭進行了模擬計算，得到每種滴頭對應的k、x值。

2.1 極差分析 極差分析法能夠確定同一因素的不同水平對試驗指標的影響，具體做法是算出各因素在不同水平下試驗結果的最大值和最小值之差，反映此因素對結果的影響程度。按照此方法的原則，某列的極差最大，表明該列的數(shù)值在試驗范圍內變化時，使試驗指標數(shù)值的變化最大，反之，影響就越小。

流量系數(shù)k反應灌水器流量的變動情況，流態(tài)指數(shù)x反應灌水器的流量對壓力的敏感程度，通過分析不同形式的迷宮流道結構流量系數(shù)k以及流態(tài)指數(shù)x，可以得到灌水器滴頭水力性能受結構參數(shù)變化的影響。以k 和x為試驗指標，對正交試驗進行直觀分析，結果見圖2。

由圖2可知，齒角度α對流量系數(shù)的影響最大，其次是偏差量J，齒高h對其影響最小；齒角度α對流態(tài)指數(shù)的影響最大，其次是偏差量J，齒高h對其影響最小。

流量系數(shù)是衡量流道內過水能力的一個重要指標，由圖2分析可知，流量系數(shù)隨著齒高的增大而增大；隨著齒角度的增大而減小，在60°至75°的區(qū)間內減小明顯，由75°至80°變化時趨勢變緩；隨著偏差量的變化呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢，在偏差量為-0.2 mm到0時變小，在0到0.2 mm時變大。通過對流量系數(shù)隨結構參數(shù)變化的分析可知，流道的過水能力受結構參數(shù)變化影響較大，之所以會出現(xiàn)這種變化需要和流道模擬出的主航道結合起來進行分析。

隨著齒高的增大，流態(tài)指數(shù)變化較大，齒高由0.8 mm增大為1.2 mm時，流態(tài)指數(shù)減小，齒高由1.2 mm增大到1.5 mm時，流態(tài)指數(shù)增大，齒高由1.5 mm增大到1.7 mm時，流態(tài)指數(shù)減小，流態(tài)指數(shù)在齒高為1.2 mm處取得最小值；當齒角度由60°增大到65°時，流態(tài)指數(shù)減小，當齒角度由65°增大到80°時，流態(tài)指數(shù)增大，流態(tài)指數(shù)在α為65°時取得最小值；當偏差量由-0.2 mm變化為0 mm時，流態(tài)指數(shù)減小，當偏差量由0 mm增大到0.2 mm時，流態(tài)指數(shù)增大，流態(tài)指數(shù)在偏差量為0 mm時取得最小值。根據(jù)以上分析可知，當齒高為1.2 mm，齒角度為65 mm，偏差量為0 mm時，迷宮流道的水力性能最優(yōu)。

由于極差分析法本身只提供整個系統(tǒng)的整體情形，不具備異變分解成重復性和再現(xiàn)性，因此不能僅以此來判斷各結構因素對x、k的影響程度是否顯著，需要結合方差分析來進行判斷。

2.2 方差分析 如果按照顯著水平α=0.05檢驗，齒高、齒角度、偏差量對流態(tài)指數(shù)均無顯著影響；如按顯著水平α=010檢驗，齒角度和偏差量對流態(tài)指數(shù)有顯著影響，如表2所示。

按照α=0.05的顯著水平進行檢驗，齒高、齒角度和偏差量對流量指數(shù)影響顯著，如表3所示。

由方差分析結果來看，對流態(tài)指數(shù)影響關系最大的因素依次是齒角度α、偏差量J，齒高h對流態(tài)指數(shù)影響不顯著，這與極差分析的結果是一致的，證明了極差分析的結果。

2.3 回歸分析 從試驗結果和進行的極差、方差分析可以看出，不同的結構參數(shù)對迷宮灌水器的x和k影響的差異較大，假設k和x與3個結構參數(shù)呈多元線性關系，其表達式為：

3 結論

提取齒高h、齒角度α、偏差量J作為三角形迷宮流道結構控制的3個特征參數(shù)，利用CFD數(shù)值模擬進行了3因素5水平的正交試驗，分析特征參數(shù)變化對灌水器水力性能造成的影響，通過極方差分析和回歸分析，得到了以下結論：

（1）極差分析結果顯示，齒角度α對流量系數(shù)的影響最大，其次是偏差量J，齒高h對其影響最小；齒角度α對流態(tài)指數(shù)的影響最大，其次是偏差量J，齒高h對其影響最小。當h為1 mm，α為65°，J為0時，灌水器的水力性能最優(yōu)。

（2）方差分析結果與極差分析結果一致，回歸分析出k和x與3個參數(shù)之間的公式，其中k=2.175+0.432h-0.028α+0.714J，x=0.349-0.023h+0.002α+0.026J。

參考文獻

[1] 姚彬，劉志烽，張建萍.流道長度對內鑲貼片式滴頭性能參數(shù)影響的初步研究[J].節(jié)水灌溉，2003（5）：38-39.

[2] 魏正英，唐一平，趙萬華，等.滴灌灌水器迷宮流道結構與水力性能實驗研究[J].農業(yè)機械學報，2005（12）：51-55.

[3] 王芳.滴灌灌水器迷宮流道結構數(shù)值模擬與優(yōu)化設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2007.

[4] 王建東.滴頭水力性能與抗堵塞性能試驗研究[D].北京：中國農業(yè)大學，2004.

[5] 喻黎明.灌水器流道結構參數(shù)與水力性能關系[J].長沙理工大學學報：自然科學版，2011（1）：30-35.

[6] 劉淑萍，呂宏興，王文娥，等.低壓微管圓弧形迷宮流道水力特性研究[J].節(jié)水灌溉，2011（2）：15-18，23.

[7] 謝巧麗，牛文全，李連忠.迷宮流道齒轉角與齒間距對滴頭性能的影響[J].排灌機械工程學報，2013（5）：449-455.