CN1817093A - 一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法，该方法通过灌水器内流场两相流数值模拟，依据模拟结果分析流道中固相物容易沉积的区域，进而分析流道结构对固相物运移及沉积特性的影响。在此基础上，对流道结构的若干参数进行适当的修改，并重复两相流模拟，直至整个流道中固相物不出现明显的滞留，或者局部的密度集中为止。两相流模拟为滴灌灌水器抗堵流道结构设计提供了可视化的堵塞验证环节，为灌水器抗堵塞能力的预测及优化提供了科学、可行的方法；得到了优良水力性能的灌水器结构后，采用RP/RT复合法制作出灌水器试验样件，大大缩短了大幅度降低试制成本，并且保持了试样成形材料与最终产品材料的一致，提高了定型精度。

Description

一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法

技术领域

本发明属于农业节水灌溉技术领域，具体涉及一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法。

背景技术

灌水器的堵塞问题一直是阻碍滴灌技术应用与发展的最大障碍。按堵塞原因分类，有由固体颗粒引起的物理堵塞、由化学反应生成的难溶性盐所引起的化学堵塞以及由微生物活动和生长引起的生物堵塞。针对各种堵塞问题，国内外众多专家长期以来进行了大量科学研究，以揭示灌水器的堵塞机理，寻找有效的堵塞控制与防治方法。现有的堵塞解决途径主要是加强水质净化和过滤，或者是通入一些具有特殊作用(如酸化、氧化等)的试剂(如盐酸、氯等)来恢复滴灌系统中已被堵塞或部分堵塞的灌水器。这些方法对于解决灌水器的堵塞问题具有积极作用。但是，灌水器堵塞的直接原因应该是各种形式堵塞介质在灌水器微小弯曲流道中的运移规律和沉积特性，所以这些方法并不能从根本上消除灌水器的堵塞问题。

为了防止灌水器的堵塞，除了对水质进行处理外，改善灌水器的流道结构，以提高灌水器自身的抗堵塞能力也是行之有效的途径之一。然而，灌水器流道尺寸微小、形状复杂，采用现有的试验手段很难观测其流场的微观水力结构。于是，一些学者利用计算流体动力学(Computational FluidDynamics，CFD)的方法来可视化灌水器的微小内流场，借助模拟得到的流场结果来分析灌水器的抗堵塞能力等水力性能。现有的CFD方法主要实现水流动的单相模拟，以水流场的压力、速度矢量分布结果来间接地分析固相堵塞介质发生沉积的可能性，以及在流道中所处的位置。这种方法忽略了堵塞介质的存在，因此模拟得到的流场特性存在误差，另外人为的间接分析也可能导致进一步的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于两相流的滴灌灌水器抗堵塞设计方法，该方法所设计的滴灌灌水器能够使进入灌水器中的杂质不会沉积下来造成流道的堵塞。

本发明所提供的一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法，其步骤为：

(1)、采用三维造型软件构建灌水器迷宫型流道两相流分析模型；

(2)、进行网格划分和边界条件设定：

根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，采用有限元前处理软件从表面网格产生三维非结构四面体网格并加密近壁面网格；

进口和出口处以压力为边界条件，入口条件设为入口压力，出口条件设为出口压力，其余位置以速度为边界条件，设速度初量为0；

(3)、应用有限元分析软件中的基于非结构化网格的通用求解器，基于欧拉—拉格朗日两相流模型进行数值模拟计算，得出灌水器内流场的速度、粒子密度分布图，找出拐角处和汇聚处；

(4)、进行迷宫型流道防堵结构分析及优化，将上述拐角处采用圆弧来代替直角过渡，对于汇聚处，改变水流挡块的形状，将低速区变为挡块的一部分；

(5)、采用快速原形/快速制模复合法制作灌水器试验样件；

(6)在实验室中测量灌水器标准件的流量——压力曲线图和灌水器出水均匀度Cv，根据得出的实验数据，对灌水器流道尺寸进行修改。

本发明的设计方法适用于各种类型的滴灌灌水器进行抗堵塞流道设计，优化后的流道抗堵塞性能都有大幅提升。在偏离速度主流区的拐角处的速度逆流区即流动滞止区和流道中低速区都能被够清晰显示出，通过结构的优化将其消除；通过1～2次的结构改进，就能使流体中的固相物不会出现明显的滞留或在低速区出现局部密度集中，所以该流道中不存在固相物沉积区，即流道的抗堵塞能力得到了提高，流道长时间使用也不会发生阻塞。本发明采用快速原形、快速制模复合法制作灌水器试验样件，大大缩短了大幅度降低试制成本，并且保持了试样成形材料与最终产品材料的一致，提高了定型精度。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明菱形迷宫流道的结构示意图；

图3是本发明菱形迷宫流道几何模型图；

图4是本发明流道速度矢量分布图；

图5是本发明流道中固相物密度分布图；

图6是本发明流道局部速度矢量图；

图7是本发明流道中固相物密度分布局部放大图；

图8是本发明优化后的菱形迷宫型流道结构示意图；

图9是本发明优化后的迷宫流道内速度矢量图；

图10是本发明优化后的迷宫流道内固相物密度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明方法的步骤如图1所示，下面以滴灌灌水器菱形迷宫流道为例，具体说明其流道结构优化设计的步骤：

1、构建灌水器迷宫型流道两相流分析模型

如图2所示，用三维造型软件(如UG或PROE等软件)实现流道的几何建模，根据图2所示的流道尺寸参数构建的迷宫流道三维模型如图3所示。

2、进行网格划分和边界条件设定

由于流道无翘起弧度，但尺寸较小，且有大量拐角，本发明根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，采用有限元前处理软件(如Tgrid或GAMBIT等软件)从表面网格产生三维非结构四面体网格并加密近壁面网格。

边界条件设定：

进口和出口处以压力为边界条件，入口条件设为入口压力，即常用灌溉水压0～10kPa+大气压(101325Pa)，表压为0～10kPa。出口条件设为出口压力，即一个大气压101325Pa，表压为0Pa。其余位置以速度为边界条件，设速度初量为0。

3、进行迷宫型流道流体的流动模拟

流道中的流体性质为固、液两相流，其中的固相为固体颗粒，微生物等，其直径范围为0.001mm～1mm，浓度范围为200ppm～10000ppm。固相的体积比率低，固相间的相互作用可以忽略。

在软件FLUENT中，有两种数值计算的方法处理多相流：欧拉—拉格朗日方法和欧拉—欧拉方法。其中欧拉—拉格朗日模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低，符合灌水器中流体的情况，因此选用该模型。

应用有限元分析软件(如ANSYS、FLUENT等)中的基于非结构化网格的通用求解器，基于两相流分析理论进行模拟计算，得出灌水器内流场的速度、粒子密度分布图，通过速度和粒子浓度分布局部放大图，可以得出在拐角处，固相速度一般很低甚至停止、而该区域又是固相聚集区，因此固相很容易沉积，称此区域为拐角处(见图中A区)；灌水器中有水流挡块，在水流流过挡块后，流速小，容易造成微生物的繁殖，造成生物阻塞，称此区域为汇聚处(见图中B区)；此外，通过模拟分析得出有一种特殊区域存在：粒子浓度相对很大，但此处的水流流速也相对较大，粒子在此区域不容易沉积下来，不会造成固体立体的堵塞，称此区域为中间区(见图中C区)；并且在流道后半部分，由于压力的明显降低，更易发生阻塞。

在有限元软件平台上完成片式绕流灌水器的速度、粒子密度分布的模拟：分别如图4、图5所示，图6、图7为速度和粒子浓度分布局部放大图，在图6、图7中可清楚看到拐角处(见图中A区)，固相速度很低甚至停止、而该区域又是固相聚集区，因此固相很容易沉积。菱形挡块后的区域，称之为汇聚处(见图中B区)流速小，容易造成微生物的繁殖，造成生物阻塞。

4、迷宫型流道防堵结构分析及优化

因为灌水器流道宽度在0.5mm～1mm之间，少量杂质的沉积便很容易造成堵塞，使整个灌溉系统受到影响。由图中粒子沉积区可以看出流道中拐角处A固相的沉积会直接缩小流道直径，汇聚处B微生物与固相杂质易于聚集成团，吸附在挡块后壁，由于该处的相对尺寸较大，即使成团粒子脱落掉，也会阻塞后面的流道，所以在设计的时候应尽量避免。

从以上分析可以看出，对于灌水器流道的结构存在易阻塞区，根据灌水器抗堵塞结构的设计要求，参照流道内两相流数值模拟结果，针对存在的粒子易沉积处的流道结构进行优化设计，去除流道中的易阻塞区，改善颗粒在流道中的流动特性。具体实施方法为：对于拐角处A，采用圆弧来代替直角过渡，这样就避免了颗粒在拐角处的由于速度太低，在重力的作用下沉积下来，并且去除了水流逆流区即流动滞止区；对于汇聚处B，水流挡块的降速作用，产生局部损失，但是在挡块后就存在了低速区，为了使得浮游的微生物在汇聚处B不能沉积，改变水流挡块的形状，即将低速区变为挡块的一部分。对于拐角处A与汇聚处B之间的中间区C，虽然固相浓度高，相对集中，但是由于水流速度较高，不会发生沉积，该区域不再需要优化。通过上述结构优化后，整个流道不存在杂质易沉积区，大大提高了灌水器的抗阻塞性能。

通过优化设计的流道结构如图8所示，优化的菱形迷宫型流道内流体的两相流模拟结果的速度矢量图如图9所示，固相物密度分布图如图10所示，其整体流动特性有很大的改善，在拐角处的速度逆流区即流动滞止区己没有了，菱形挡块后的低速区也被消除，见图10的A区、B区，固相集中区域C区速度较高，也不会沉积，所以整个流道不存在杂质易沉积区。因而经过优化的菱形迷宫型流道的灌水器的抗阻塞性能有了较大的提高。

5、采用RP/RT(Rapid Prototyping/Rapid Tooling，快速原形/快速制模)复合法制作灌水器试验样件

结构定型后，在计算机上利用三维造型软件平台，得出设计好的灌水器三维模型的STL文件，在快速成形设备上，利用该STL文件直接制作出单件灌水器原形，接着采用快速制模技术翻制硅胶模，最后在真空注塑机中完成少批量的灌水器试验样件的制作。在实验室中测量该灌水器的流量——压力曲线图和灌水器出水均匀度Cv。在该过程中得出的实验数据，直接对灌水器的关键尺寸(流道的长、宽、高)进行修改，得到了符合要求流量、工作压力和水利性能要求的灌水器，而不需加工实验性钢模制作出少批零件，就能够实现灌水器的快速定型，大大降低了成本、缩短了开发时间。

Claims (1)

1、一种基于两相流模拟的滴灌灌水器抗堵塞设计方法，其步骤为：

(1)、采用三维造型软件构建灌水器迷宫型流道两相流分析模型；

(2)、进行网格划分和边界条件设定：

根据流道尺寸大小和截面形状变化情况，采用有限元前处理软件从表面网格产生三维非结构四面体网格并加密近壁面网格；

进口和出口处以压力为边界条件，入口条件设为入口压力，出口条件设为出口压力，其余位置以速度为边界条件，设速度初量为0；

(3)、应用有限元分析软件中的基于非结构化网格的通用求解器，基于欧拉-拉格朗日两相流模型进行数值模拟计算，得出灌水器内流场的速度、粒子密度分布图，找出拐角处和汇聚处；

(4)、进行迷宫型流道防堵结构分析及优化，将上述拐角处采用圆弧来代替直角过渡，对于汇聚处，改变水流挡块的形状，将低速区变为挡块的一部分；

(5)、采用快速原形/快速制模复合法制作灌水器试验样件；

(6)在实验室中测量灌水器标准件的流量——压力曲线图和灌水器出水均匀度Cv，根据得出的实验数据，对灌水器流道尺寸进行修改。

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