微流管道內懸浮沙粒抗堵塞試驗與兩相流模擬分析

蘇曉俊

（新疆昌吉州奇臺縣白楊河灌區管理站，新疆 昌吉 831800）

滴頭堵塞是影響滴灌均勻度、運行成本及壽命的重要因素之一，也是科研人員重點研究對象。由于滴頭流道特征尺寸微小（一般為1 mm左右）、結構復雜，很容易堵塞。對于物理堵塞主要采用過濾、沉淀等措施。但經過過濾后，仍然會有部分懸浮顆粒留在水中，并隨水流進入滴頭[1]。如果能夠提高滴頭的抗堵塞性能，將會降低大田滴灌系統的投入，同時也可以降低生產和運行成本，有利于滴灌系統的推廣，更好地促進節水農業的發展。

我國于1974年引進滴灌技術，1980年研制生產了自己的第一代成套滴灌設備，經歷了從應用試點到較大面積推廣應用，并直接引進國外的先進工藝技術，高起點開發研制微灌設備產品。“八五”期間微灌技術已被國家科委正式列為節能科技成果推廣項目。當今世界上，農業發達的國家都重視滴灌的研究，由于我國的農業用水利用效率還不到50%，所以對滴灌設備的開發、研制的投入都很大，也取得了很多成果。

本文對四種不同類型的滴頭流道模型進行了初步的模擬分析，通過試驗和對不同流道進行兩相流模擬分析。

1 流道結構與邊界條件

各種結構形式的滴頭，其平面結構的設計，流道齒主體均以三角形為基礎構建的，具體差異主要表現在流道結構控制參數（齒高、齒寬、齒間距和流道長度等）的變化，如圖1所示。流道結構控制參數的確定，可以使滴頭流道形狀基本確定，即可以根據流道尺寸確定滴頭流量。本文所指的流道長L是指水流經過流道起點到流道末端處的直線距離之和，并不指水流經過的實際長度，可以把齒間距作為一個流道單元，流道長度等于流道單元個數與齒間距的乘積。

圖1 流道結構因素及代號

通過建立迷宮滴頭流道幾何模型（見圖2），滴頭流道是由多個結構相同的單元組成，其滴頭流道尺寸見表1。

圖2 流道模型結構

表1 滴頭流道尺寸

2 流道結構形式和尺寸抗堵塞性能試驗

試驗滴灌帶的布置示意圖見圖3，在測試裝置上安裝5條同一滴灌帶，每條滴灌帶上有不少于5個滴頭，共測試的滴頭數量不少于25個，實驗測試四種31個尺寸的原型滴頭。滴頭的流量壓力關系試驗按照農業灌溉設備-滴灌管技術規范GB/T17188-1997[76]進行。通過對幾組不同結構形式的滴頭在30～180 kPa范圍內，9個壓力點下的多次模擬計算和試驗測試的滴頭流量。測試的滴頭流量是采用體積法測量25個滴頭出水量，每一壓力下測試時間為5分鐘。

圖3 流道幾何模型結構

在抗堵塞試驗過程中，不同滴頭的平均流量隨時間的變化曲線呈現不同的規律。部分滴頭流量在整個抗堵塞8個試驗階段中隨著試驗階段的一次遞增流量急劇減小，在第二階段就出現了堵塞不出水的現象，如E4，表明滴頭對固體顆粒濃度和粒徑極為敏感；部分滴頭流量隨著試驗階段的依次遞增流量減小緩慢，表明滴頭對固體顆粒濃度和粒徑不敏感；個別滴頭在上一階段堵塞不出水，而在下一階段出現流量回升現象，其原因是各階段之間停泵30分鐘，在下一階段加沙前，開泵加壓，水流將堵在滴頭內的沙粒沖開所致。當一條滴灌帶上的部分滴頭發生堵塞時，該滴灌帶上其他沒有堵塞的滴頭的流量有少許增大，主要是因為滴灌帶流量的減少引起該滴灌帶水頭損失減少，使得該滴灌帶上未堵塞滴頭處的工作壓力有所增高而流量增加。

比較四類流道結構形式，由表2在試驗的前三個階段基本未堵，之后第5階段堵塞加劇，堵塞率由56.6%增加到96%，表明額定流量較小的滴頭（1.03～1.82 L/h）流道尺寸對粒徑為0.09 mm固體顆粒，濃度1250 mg/L較敏感。按流道結構形式抗堵性能排序：鋸齒＞斜齒＞直齒＞弧齒。

3 流道內部模擬流場分布

在此次模擬計算滴頭流道的流動和顆粒輸運狀況算例中，我們是采用結構化網格體系，每個網格均為九節點四邊形單元，由于壓力的求解需要滿足LBB條件，因此，在流場計算中實際采用單元類型為混合階單元。模型的雷諾數為60，流道入口寬度為1 mm，長度約為40 mm，采用準定長假設，給定初使濃度分布及入口流量，時間步長為0.01 ms。

圖4顯示的是流道內部的壓力分布圖，從圖中可以得到入口處的壓力大約為1.3 atm（圖中壓力值為無量綱值），與試驗給定的入口壓力較為接近，說明模型的計算結果是合理的。流道內沿水流前進方向整體壓力均勻下降，與試驗結果也一致。

表2 四種流道類型滴頭抗堵塞試驗匯總

圖4 流道內固液兩相壓力流線分布圖

由圖4可以看出沙粒的速度分布與水流的速度分布比較相近，也在齒尖的后部有渦結構產生，顆粒在流道中運動是各種力綜合作用的結果，作用在顆粒上的力包括：重力、水流拖曳力、水流上舉力（升力）、顆粒間作用力等。其中重力、水流拖曳力、水流上舉力（升力）與顆粒大小相關，顆粒間作用力與懸浮顆粒濃度密切相關[2]。由于流道中泥沙的濃度和顆粒粒徑都比較小，從上圖中可以看出入流顆粒濃度低時顆粒與水的速度分布比較一致，兩者之間的差異不是很大，與實驗值較為吻合。且從圖中可以看出速度值一般在坎前到達最大，坎后速度有回落，并且流形較坎前也有較大的變化。

4 結論

由于滴頭流道復雜、尺寸微小，所以內部的流動以及物質輸運狀況也比較復雜，本文通過對典型滴頭流道進行兩相數值模擬，并得到了以下主要結論：

（1）模擬采用了二階時空精度的有限元離散和求解手段，對不同結構形式的滴頭進行了模擬分析并得到了初步結果。

（2）通過給定入口流量及出口壓力等初始條件，經過模擬計算得到了該條件下的入口壓力值并與試驗值接近，說明了采用的數值模擬是合理的。

（3）在E2型滴頭流道內部，懸浮流動的泥沙顆粒總是在流道內的齒前集中，相對齒后的濃度則較小些。且在拐角處有與其他流道明顯的不同速度和泥沙濃度分布，但由于顆粒的粒徑小，所以流道內水相和顆粒相的速度差異并不大。

（4）通過對滴頭流道的兩相數值模擬，由兩相速度差異結果中可以看出，不同粒徑顆粒的速度場均有所差異，從模擬圖的結果可以看出，當粒徑由0.01 mm增大到0.05 mm時，水相與顆粒相的速度差異開始明顯。