石河子大学王振华课题组：基于水-沙运动特性的分流对冲式滴灌灌水器抗堵性能优化
发布日期：2023-01-17
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滴灌灌水器位于滴灌系统的最末级，其内部流道的尺寸通常介于0.5~1.2 mm之间，能够将管道中的有压水转变为点滴状水流实现节水灌溉。滴灌灌水器的水力性能决定了灌溉均匀性和灌溉质量。已有研究结果表明，改变灌水器内部流道结构可以显著提升灌水器的水力性能。然而，为了解决灌溉水资源短缺的问题，许多地区使用高含沙量的水源作为灌溉水源，滴灌灌水器堵塞的问题也随之而来。因此在提升滴灌灌水器水力性能的同时，还需对灌水器流道开展结构优化以提升滴灌灌水器的抗堵塞性能，进而提升滴灌系统的使用寿命。
近期，石河子大学王振华教授团队提出了一种分流对冲式滴灌灌水器和基于水-沙运动特性的灌水器抗堵优化方案。该团队利用新型一体化打印技术（摩方精密nanoArch S140超高精度3D打印系统）实现了滴灌灌水器流道试件的高精度3D打印，并开展了物理试验和数值模拟研究。该研究提出的灌水器抗堵优化方案在维持灌水器水力性能的前提下，能够使灌水器的抗堵塞性能提升60%。相关成果以“Anti-Clogging Performance Optimization for Shunt-Hedging Drip Irrigation Emitters Based on Water-Sand Motion Characteristics”为题发表在《Water》期刊上。
图1. （a）分流对冲式流道结构参数及打印试件。（b）灌水器性能试验平台。（c）灌水器流量试验值和模拟值的误差曲线。
分流对冲式流道的结构参数及打印试件如图1（a）所示，流道由8个“回”字形流道单元组成，每个流道单元宽2.6 mm，深0.8 mm。通过电子显微镜对试件进行测量，其打印精度达0.01 mm，满足试验要求。将灌水器试件置于图1（b）所示的试验平台上测定其流量，如图1（c）所示，对不同压力下的流量实测值进行拟合得到灌水器的流态指数为0.479，水力性能优良，流量实测值与流量模拟值的误差在1.29~3.21%之间，证明了本文数值模拟方法、结果及精度的准确性。
图2. （a）分流对冲式流道内部流场分布。（b）不同粒径沙粒在流道中的运移轨迹及速度变化。（c）3g/L 的浑水浓度下流道堵塞实物图。
图2（a）为通过数值模拟得到流道中深截面处的速度和压力分布云图。模拟结果表明，每个流道单元内的速度分布一致，定义导流件背部为漩涡区I，分流件背部为漩涡区Ⅱ，其余区域为主流区Ⅲ，其中水流对冲区为区域Ⅲ*。主流区Ⅲ的水流流速介于1.21~4.53 m/s之间，漩涡区I和Ⅱ中的水流流速介于0.11~1.21 m/s之间。0.05、0.10和0.15 mm沙粒的运动轨迹及速度如图2（b）所示，沙粒在漩涡区I和Ⅱ中的运移速度在0.06~1.10 m/s之间，沙粒容易发生沉积，相较而言，由直角边壁包围形成的漩涡区I不仅促使沙粒稳定沉积，还使沙粒在大漩涡的作用下互相粘结形成团聚体，造成灌水器堵塞的风险较高。这与浑水试验的结果一致，如图2（c）所示，沙粒在漩涡区Ⅰ中持续堆积，导致流道堵塞。
图3. （a）不同粒径沙粒在流道中的跟随性变化。（b）沙粒-流道边壁-漩涡相互作用关系示意图。
图4. （a）结构优化示意图。（b）优化后流道的速度分布及沙粒运动轨迹。（c）优化前（SHDIE1）、后（SHDIE2）分流对冲式灌水器的水力特性曲线。（d）优化前（SHDIE1）、后（SHDIE2）分流对冲式灌水器短周期抗堵塞试验结果。（e）3g/L 的浑水浓度下优化后流道堵塞实物图。
进一步分析沙粒-流道边壁-漩涡区Ⅰ的相互作用关系，如图3（a）所示，沙粒与流道边壁的敏感区域发生碰撞会导致其运动方向突变并进入漩涡区Ⅰ沉积，这是造成流道堵塞的重要原因。通过统计沙粒与边壁的碰撞位置，确定出A、B、C三个壁面容易导致沙粒进入漩涡区沉积的敏感区域范围，分别为0≤LA≤0.58，0≤LB≤0.64和0≤LC≤0.90 mm。图3（b）显示了不同粒径沙粒沿流道运动时对水流的跟随性变化。沙粒粒径越大，速度幅值比η和速度相位差β的数值越小，跟随性也就越差，这表明粒径越大的沙粒与流道边壁的敏感区域碰撞后越容易进入漩涡区沉积。
针对敏感区域范围开展结构优化，使沙粒顺畅通过所有流道单元以提升流道的抗堵塞性能。如图4（a）所示，采用直线几何的方法对阻挡沙粒运动的A面的敏感区域0≤LA≤0.58 mm进行切除，对B、C面敏感区域0≤LB≤0.64 mm和0≤LC≤0.90 mm构成的直角三角形空间所覆盖的低速漩涡区进行填充，得到优化后的分流对冲式流道。对优化后的分流对冲式流道及其灌水器再次开展数值模拟和清水、浑水物理试验，结果分别如图4（b）、（c）、（d）和（e）所示，优化后流道的主流区面积占比提升21%，沙粒的运动轨迹变得光滑有规律。清水试验下优化后流道的水力性能为0.486，仅下降1.46%；浑水试验下优化后流道在第24次灌水后发生堵塞，抗堵塞性能大幅提升60%。基于沙粒运动特性明确流道边壁敏感区域，进而开展的结构优化方案具备可行性。
原文链接：https://doi.org/10.3390/w14233901
