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《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點擊次數(shù):759

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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(xué)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。


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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。


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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(dǎo)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(dǎo)致流道堵塞。


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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。
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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(dǎo)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(dǎo)致沙粒進入漩渦區(qū)沉積的敏感區(qū)域范圍,分別為0≤LA≤0.58,0≤LB≤0.64和0≤LC≤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≤LA≤0.58 mm進行切除,對B、C面敏感區(qū)域0≤LB≤0.64 mm和0≤LC≤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。