《Water》：基于水-沙運動特性的分流對沖式滴灌灌水器抗堵性能優(yōu)化

更新時間：2023-01-10

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滴灌灌水器位于滴灌系統(tǒng)的最末級，其內(nèi)部流道的尺寸通常介于0.5~1.2 mm之間，能夠?qū)⒐艿乐械挠袎核D(zhuǎn)變?yōu)辄c滴狀水流實現(xiàn)節(jié)水灌溉。滴灌灌水器的水力性能決定了灌溉均勻性和灌溉質(zhì)量。已有研究結(jié)果表明，改變灌水器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)可以顯著提升灌水器的水力性能。然而，為了解決灌溉水資源短缺的問題，許多地區(qū)使用高含沙量的水源作為灌溉水源，滴灌灌水器堵塞的問題也隨之而來。因此在提升滴灌灌水器水力性能的同時，還需對灌水器流道開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升滴灌灌水器的抗堵塞性能，進而提升滴灌系統(tǒng)的使用壽命。

近期，石河子大學王振華教授團隊提出了一種分流對沖式滴灌灌水器和基于水-沙運動特性的灌水器抗堵優(yōu)化方案。該團隊利用新型一體化打印技術(shù)（nanoArch S140，摩方精密）實現(xiàn)了滴灌灌水器流道試件的高精度3D打印，并開展了物理試驗和數(shù)值模擬研究。該研究提出的灌水器抗堵優(yōu)化方案在維持灌水器水力性能的前提下，能夠使灌水器的抗堵塞性能提升60%。相關(guān)成果以“Anti-Clogging Performance Optimization for Shunt-Hedging Drip Irrigation Emitters Based on Water-Sand Motion Characteristics"為題發(fā)表在《Water》期刊上。

圖1. （a）分流對沖式流道結(jié)構(gòu)參數(shù)及打印試件。（b）灌水器性能試驗平臺。（c）灌水器流量試驗值和模擬值的誤差曲線。

分流對沖式流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)及打印試件如圖1（a）所示，流道由8個“回"字形流道單元組成，每個流道單元寬2.6 mm，深0.8 mm。通過電子顯微鏡對試件進行測量，其打印精度達0.01 mm，滿足試驗要求。將灌水器試件置于圖1（b）所示的試驗平臺上測定其流量，如圖1（c）所示，對不同壓力下的流量實測值進行擬合得到灌水器的流態(tài)指數(shù)為0.479，水力性能優(yōu)良，流量實測值與流量模擬值的誤差在1.29~3.21%之間，證明了本文數(shù)值模擬方法、結(jié)果及精度的準確性。

圖2. （a）分流對沖式流道內(nèi)部流場分布。（b）不同粒徑沙粒在流道中的運移軌跡及速度變化。（c）3g/L 的渾水濃度下流道堵塞實物圖。

圖2（a）為通過數(shù)值模擬得到流道中深截面處的速度和壓力分布云圖。模擬結(jié)果表明，每個流道單元內(nèi)的速度分布一致，定義導流件背部為漩渦區(qū)I，分流件背部為漩渦區(qū)Ⅱ，其余區(qū)域為主流區(qū)Ⅲ，其中水流對沖區(qū)為區(qū)域Ⅲ*。主流區(qū)Ⅲ的水流流速介于1.21~4.53 m/s之間，漩渦區(qū)I和Ⅱ中的水流流速介于0.11~1.21 m/s之間。0.05、0.10和0.15 mm沙粒的運動軌跡及速度如圖2（b）所示，沙粒在漩渦區(qū)I和Ⅱ中的運移速度在0.06~1.10 m/s之間，沙粒容易發(fā)生沉積，相較而言，由直角邊壁包圍形成的漩渦區(qū)I不僅促使沙粒穩(wěn)定沉積，還使沙粒在大漩渦的作用下互相粘結(jié)形成團聚體，造成灌水器堵塞的風險較高。這與渾水試驗的結(jié)果一致，如圖2（c）所示，沙粒在漩渦區(qū)Ⅰ中持續(xù)堆積，導致流道堵塞。

圖3. （a）不同粒徑沙粒在流道中的跟隨性變化。（b）沙粒-流道邊壁-漩渦相互作用關(guān)系示意圖。

圖4. （a）結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖。（b）優(yōu)化后流道的速度分布及沙粒運動軌跡。（c）優(yōu)化前（SHDIE1）、后（SHDIE2）分流對沖式灌水器的水力特性曲線。（d）優(yōu)化前（SHDIE1）、后（SHDIE2）分流對沖式灌水器短周期抗堵塞試驗結(jié)果。（e）3g/L 的渾水濃度下優(yōu)化后流道堵塞實物圖。

進一步分析沙粒-流道邊壁-漩渦區(qū)Ⅰ的相互作用關(guān)系，如圖3（a）所示，沙粒與流道邊壁的敏感區(qū)域發(fā)生碰撞會導致其運動方向突變并進入漩渦區(qū)Ⅰ沉積，這是造成流道堵塞的重要原因。通過統(tǒng)計沙粒與邊壁的碰撞位置，確定出A、B、C三個壁面容易導致沙粒進入漩渦區(qū)沉積的敏感區(qū)域范圍，分別為0≤L_A≤0.58，0≤L_B≤0.64和0≤L_C≤0.90 mm。圖3（b）顯示了不同粒徑沙粒沿流道運動時對水流的跟隨性變化。沙粒粒徑越大，速度幅值比η和速度相位差β的數(shù)值越小，跟隨性也就越差，這表明粒徑越大的沙粒與流道邊壁的敏感區(qū)域碰撞后越容易進入漩渦區(qū)沉積。

針對敏感區(qū)域范圍開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使沙粒順暢通過所有流道單元以提升流道的抗堵塞性能。如圖4（a）所示，采用直線幾何的方法對阻擋沙粒運動的A面的敏感區(qū)域0≤L_A≤0.58 mm進行切除，對B、C面敏感區(qū)域0≤L_B≤0.64 mm和0≤L_C≤0.90 mm構(gòu)成的直角三角形空間所覆蓋的低速漩渦區(qū)進行填充，得到優(yōu)化后的分流對沖式流道。對優(yōu)化后的分流對沖式流道及其灌水器再次開展數(shù)值模擬和清水、渾水物理試驗，結(jié)果分別如圖4（b）、（c）、（d）和（e）所示，優(yōu)化后流道的主流區(qū)面積占比提升21%，沙粒的運動軌跡變得光滑有規(guī)律。清水試驗下優(yōu)化后流道的水力性能為0.486，僅下降1.46%；渾水試驗下優(yōu)化后流道在第24次灌水后發(fā)生堵塞，抗堵塞性能大幅提升60%?；谏沉＿\動特性明確流道邊壁敏感區(qū)域，進而開展的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具備可行性。