不同内齿结构的迷宫流道特性分析和结构优化_朱正.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：云南省重大科技专项计划（）作者简介：朱正，男，硕士研究生，主要从事管道内流体特性研究，-：；通信作者 袁锐波，男，博士，教授，主要从事流体传动与控制，-：。本文引用格式：朱正，袁锐波，陈有锦，等 不同内齿结构的迷宫流道特性分析和结构优化 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（），（）：（）不同内齿结构的迷宫流道特性分析和结构优化朱正，袁锐波，陈有锦，罗威，杨肖，曹志鹏，（昆明理工大学 机电工程学院，昆明 ；光机电液系统集成与控制研究所，昆明 ）摘要：通过分析对比在不同条件下、不同内齿结构的灌水器迷宫流道内流场的流动特性和堵塞成因，得出具有更优抗堵塞性能的流道结构，结合 数值模拟，分析在 种不同内齿结构（矩形、三角形、弧形）以及不同内齿组合形式（单内齿、双内齿、组合内齿）迷宫流道中的流速特性和湍动能特性，同时研究在种不同的压力条件下（、）以及种不同粒径颗粒（、）的运移状况等。分析结果表明：相较于其余 种流道结构，在抗堵塞性上组合型三角形内齿结构为最优流道结构。对比改进前的组合型三角形内齿流道，优化改进后，流道流速和湍动能均明显提升，不仅增大了流体在流道中保持和运行湍流状态的能力，而且提高了低速区的流速和湍动能在流道的范围和数值大小，更加便于颗粒运移，抗堵塞性能更好。结果表明：流道内各划分区域的流速、湍动能和颗粒运移速率都受流道的结构参数影响；加入内齿面积的大小影响内齿流道的抗堵塞性能，对比分析仿真模拟的各项数据得出最优流道内齿组合方式为组合型，最优内齿结构为三角形内齿。关键词：灌水器；不同内齿结构流道；湍动能；数值分析；涡旋区；抗堵塞中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言在绝大多数干旱缺水的地区，滴灌是一种最有效的节水灌溉方式，具有良好的灌水均匀性、水肥利用率较高、能够有效实现增产增收以及提高农作物的品质 。而灌水器是整个滴灌系统的核心部件之一，评价滴灌系统灌溉优劣便是由灌水器在灌溉过程中的工作情况所决定的 。国内外灌水器流道中被广泛应用的类型是齿形迷宫型流道，因其结构紧凑、制作便利以及较短的流道长度的特点，在不同的滴头类型中都能被高效利用 。随着优化流道结构方式的不断发展，不同内齿结构的流道也被市场高度关注。但流道断面尺寸过小（一般为 ）是此类迷宫型流道的一大劣势，并且灌溉用水的质量参差不齐，使用一段时间后会导致灌水器出现堵塞，严重的还可能使滴灌系统无法继续工作，缩短灌水器的使用期限。因此，对提高迷宫型流道的流动消能机理和抗堵塞特性的研究已经成为当前一大热点 。在传统的迷宫型流道结构中，流体流动存在死角位置，容易造成灌水器的物理堵塞。针对此项堵塞难题，学者们已进行了大量研究，提出了优化流道结构的一系列改进措施，但依然没有彻底解决堵塞问题 。不同的学者也提出不同的流道优化方式，结合 数值模拟对在不同的结构参数下的流道水力性能和抗堵塞性进行分析研究，并结合一系列试验验证研究内容 。一部分学者用此方法对流道内的速度、压力和湍动能特性以及颗粒的运移情况进行探索，得出了迷宫流道内流场最大流速在靠近齿顶部位置，而最小流速在近壁区和容易出现漩涡的位置，流速较高发生在主流区，较低流速发生在漩涡区，齿顶部的结构对整个流道消能质量起决定性作用 。有的学者通过对不同的迷宫流道类型进行数值分析，对比有涡流道和无涡流道的各项水力特性，证明了前者的水流湍动能耗散程度优于后者，并分析不同压力条件下的有涡位置，表明漩涡区存在消能作用，在提高流道抗堵塞性能方面有一定作用，提出了流道优化的首要目标不是消除流道内的低速区域，而 是 优 化 流 道 内 漩 涡 区 的 分 布 以 及 数量 。部分学者基于正交实验，在普通迷宫流道结构的基础上，通过数值模拟研究，加入内齿数量、位置对流道的影响，结果表明：影响因素从主到次是流道内内齿相对位置、内齿面积、内齿之间的距离，且加入内齿流道的流态指数要优于普通流道 。然而，迷宫流道内加入何种内齿的结构才是最优，并对加入不同内齿后的内流道的特性分析以及颗粒运动研究较少。所以文中分析 种不同内齿结构（矩形、三角形、弧形）以及不同内齿组合形式（单内齿、双内齿、组合内齿）迷宫流道中的流速特性和湍动能特性，同时研究在 种不同的压力条件下，单颗粒以及多颗粒的泥沙粒径运移状况，探索不同内齿结构的漩涡位置和较低速位置出现的原因，并对流道的结构进行优化，对今后灌水器的抗堵塞研究提供参考。流道模型建立与计算方法 流道结构参数研究采用以普遍使用的梯形流道为基础的流道结构。因为已有文献通过正交试验的方法得到流道内加齿的位置、内齿间距和内齿高度的最优结构参数，文中不再论证，而且对于影响流道特性较为显著的结构取值选为固定取值避免研究的不合理性。在流道内分别加入三角形、矩形和弧形 种内齿结构，流道结构如图 所示（以组合型三角形内齿流道为演示，组合型结构为前单后双）。单内齿流道齿高 ，双内齿流道分布为左高右低，左边内齿高 ，右边内齿高 。三角形内齿齿低为 内齿高为 ；矩形内齿齿底宽为 ，齿高为 ；弧形内齿半径为 。不同内齿流道结构参数如表 所示。图 三角形内齿结构（组合型）的流道结构示意图表 种内齿结构下的 种组合形式流道结构参数流道结构齿高 流道长 流道宽 流道深 流道截面积 内齿面积 流道单元数单三角形内齿 单矩形内齿 单弧形内齿 双三角形内齿 双矩形内齿 双弧形内齿 组合型三角形内齿 组合型矩形内齿 组合型弧形内齿 朱正，等：不同内齿结构的迷宫流道特性分析和结构优化 三维建模与网格划分通过 软件建立迷宫流道模型，利用 软件对迷宫流道内流体区域进行网格划分，因为此模型为非对称模型，所以选用非结构化网格。采用四面体网络单元结合边界层网络，具体将边界层网络第 层设置成 ；共 层边界层，每层之间倍数为 ，总厚度为 ，并且设置网格最大尺寸为 、.、和 ，对网格进行无关性分析，结果显示网格数量增加在 的合理范围，且网格最大尺寸越小，网格总数量越多，会导致计算时间过长。结合图 网格无关性分析结果，数值模拟计算采用网格最大尺寸为 .，网格数量为 趋于平缓，相邻网格密度误差 为合理取值范围，为避免回流现象影响计算结果，将入口和出口进行延长处理，从而控制计算误差和减少资源浪费。图 网格无关性检测计算曲线 数值模拟方法利用 求解不可压缩流体的-方程，捕捉液体流动现象。选用标准 -湍流模型和标准的壁面函数模型。将压力入口和压力出口分别设置为流道出入口的边界条件，其中颗粒与流体的初始条件一致，出口边界条件的压力值为 。入 口 压 力 为 ，颗 粒 浓 度 为 ，粒径大小为 ，进入流道方式为水平均匀投入，对不同压力和不同粒径下的单个颗粒进行求解。运用 算法进行流体速度与压力的耦合，数值计算将收敛精度控制在 并运用有限体积法离散控制方程，用二阶迎风格式求解对流项。两相流数值模拟采用欧拉 拉格朗日模型模拟颗粒在流道中的运移及分布情况，颗粒设定为离散相，流体设定为连续相。除重力和曳力外，不考虑其余因素的影响（随机轨道模型模拟单个颗粒在流道中的运动）。流道抗堵塞性强弱用颗粒在流道的通过率表示，计算公式为：()（）式中：为在计算时间内颗粒通过流道的总颗粒数；为在 方向上颗粒通过流道的颗粒数；为颗粒通过迷宫流道的最短时间；为计算总时间。流道特性分析 内流道流速分析取以 平面上且流道深度 的平面为观测平面，图 为在同一压力下的不同内齿结构的迷宫流道流速矢量截图（因各个划分的流道单元在流速矢量上具有相似的分布规律，以流道第 单元为例）。注：-单内齿三角形；-单内齿矩形；-单内齿弧形；-双内齿三角形；-双内齿矩形；-双内齿弧形；-组合型三角形内齿；-组合型矩形内齿；-组合型弧形内齿。图 不同内齿结构流道流速矢量图依据流道中流场的结构及流速矢量的分布，可以将每个流道单元划分出 个流速差距较大的区域，分别为：高速区；齿顶区；涡旋区；内齿迎水区；低速区。根据图 可以看出：、区流速明显高于其余流区的流速，且流体流速在流道内的高峰和低谷受流道结构的影响，呈现出变化的趋势。已有研究表明，流速较高区域流体携沙性较好，不易发生颗粒聚集和沉淀现象，所以 、区并非属于发生流道堵塞现象的原因的区域。因此，主要分析 种不同内齿以及 种不同组合形式的流道低速区域。观察图 可以看出，、流速区水流流速较小且流体出现涡旋回流现象，相较于矩形与弧形，加入三角形内齿可以更加有效地增大涡旋区的紊动强度，且较大强度的涡旋既可以提高迷宫流道的消能作用，涡旋的回流也能起到较好的清洁管壁效用，增强流道内流体的携沙能力。图 为 种不同内齿结构流道的入口、出口和 个流道划分区域的流速矢量分布三维柱状图，可得出：在相同的压力以及结构参数的条件下，各个单元流道内的划分区域流速数值大小分布有相似的规律，在高速区流速最大，齿顶区和内齿迎水区流速差值较小，在涡旋区流速最小，而低速区流速略高于涡旋区流速。在入口和出口位置，由于流道结构本身的原因导致流体流速出现较大波动，相对平缓稳定的流体流速范围则出现在不同流道单元的同一划分区。同时，通过表 分析得到：单、双和组合型内齿流道的低速区流速范围分别为 、.，从低速区流速数值范围总结得出组合型内齿 双内齿结构 单内齿结构。因紊动强度较大的涡旋区有助于流道抗堵塞性，在流道单元的涡旋区的流速范围较低，仅占各类型内齿结构中高速区的 （单三角形内齿）、（单矩形内齿）、（单弧形内齿）、（双三角形内齿）、.（双矩形内齿）、（双弧形内齿）、（组合型三角形内齿）、.（组 合 型 矩 形 内 齿）、.（组合型弧形内齿），该占比进一步验证了上述结论，并且颗粒在这一区域极易出现堵塞。注：-单内齿三角形；-单内齿矩形；-单内齿弧形；-双内齿三角形；-双内齿矩形；-双内齿弧形；-组合型三角形内齿；-组合型矩形内齿；-组合型弧形内齿。图 不同内齿结构的流道单元区域速度矢量分布三维柱状图表 不同内齿结构流道不同区域流速范围不同内齿结构流道流速（）高速区齿顶区内齿迎水区低速区涡旋区单三角形内齿 单矩形内齿 单弧形内齿 双三角形内齿 双矩形内齿 双弧形内齿 组合型三角形内齿 组合型矩形内齿 组合型弧形内齿 朱正，等：不同内齿结构的迷宫流道特性分析和结构优化在流道中内齿位置固定的前提下，不同结构内齿流道流体的流速各不相同，究其原因是流道中加入不同体积的内齿。文中进行对比的 种不同的内齿体积大小依次为矩形、弧形、三角形，但分析表 流速范围尚不能得出内齿体积大小对流道流动特性的影响特征，所以还应考虑不同内齿结构对流道湍动能、湍动能耗散率的影响。内流道湍动能分析迷宫流道内流体流动是否具备稳定性取决于流体转变为湍流以及维持湍流的能力，在流体运动过程中，湍动能越大的区域表明湍流运动的时间跨区和脉动长度越长，流体越容易保持湍流的发展趋势，从而对颗粒的运移有益，能够缩小颗粒在流道内的滞留时间，对增强灌水器的抗堵塞性有着重大影响。湍动能观测平面取 平面上且流道深度 的平面（因各个划分的流道单元在湍动能矢量上具有相似的分布规律，选取以流道第三单元为例），图 是不同内齿结构的流道湍动能矢量图。注：-单内齿三角形；-单内齿矩形；-单内齿弧形；-双内齿三角形；-双内齿矩形；-双内齿弧形；-组合型三角形内齿；-组合型矩形内齿；-组合型弧形内齿。图 不同内齿结构流道湍动能矢量图从中可以发现：流道内湍动能变化规律是轴向变化范围小，径向变化范围大；流道内各流道单元对应划分区域的湍动能有着相识的分布，湍流峰值呈现出镰刀状；通过观察涡旋区湍动能分布范围，三角形内齿结构优于矩形和弧形内齿结构。图为种不同内齿结构的入口、出口和个流道划分区域的湍动能矢量分布三维柱状图。注：单内齿三角形；单内齿矩形；单内齿弧形；双内齿三角形；双内齿矩形；双内齿弧形；组合型三角形内齿；组合型矩形内齿；组合型弧形内齿。图 不同内齿结构的流道单元区域湍动能矢量分布三维柱状图提取其中数据分析可得：流体在高速区湍动能最大，齿顶区和内齿迎水区湍动能差值较小，在涡旋区湍动能最小，而低速区略高于涡旋区；由于流道结构的原因，流道内流体流道约束条件发生改变，在入