《Water》：基(ji)於(yu)水(shui)-沙(sha)運動特(te)性(xing)的分流對(dui)沖式滴灌(guan)灌(guan)水(shui)器抗(kang)堵(du)性(xing)能(neng)優(you)化(hua)

滴灌(guan)灌(guan)水(shui)器位於(yu)滴(di)灌(guan)系統(tong)的最末級，其(qi)內(nei)部流道的尺寸通(tong)常介(jie)於(yu)0.5~1.2 mm之(zhi)間(jian)，能(neng)夠(gou)將管(guan)道中(zhong)的有壓(ya)水(shui)轉(zhuan)變(bian)為(wei)點滴(di)狀水(shui)流(liu)實(shi)現(xian)節水(shui)灌(guan)溉(gai)。滴(di)灌(guan)灌(guan)水(shui)器的水(shui)力性(xing)能(neng)決(jue)定了(le)灌(guan)溉(gai)均(jun)勻性(xing)和(he)灌(guan)溉(gai)質(zhi)量(liang)。已(yi)有研究結(jie)果(guo)表明，改(gai)變(bian)灌(guan)水(shui)器內(nei)部流道結(jie)構(gou)可以顯(xian)著提(ti)升(sheng)灌(guan)水(shui)器的水(shui)力性(xing)能(neng)。然(ran)而(er)，為(wei)了(le)解決(jue)灌(guan)溉(gai)水(shui)資源(yuan)短缺的問(wen)題(ti)，許(xu)多(duo)地區(qu)使(shi)用高(gao)含(han)沙(sha)量的水(shui)源(yuan)作(zuo)為(wei)灌(guan)溉(gai)水(shui)源(yuan)，滴(di)灌(guan)灌(guan)水(shui)器堵(du)塞(sai)的問(wen)題(ti)也(ye)隨(sui)之(zhi)而來。因(yin)此在(zai)提升(sheng)滴灌(guan)灌(guan)水(shui)器水(shui)力性(xing)能(neng)的同時，還需對(dui)灌(guan)水(shui)器流(liu)道開展結(jie)構(gou)優(you)化(hua)以提升滴灌(guan)灌(guan)水(shui)器的抗(kang)堵(du)塞(sai)性(xing)能(neng)，進(jin)而(er)提(ti)升(sheng)滴灌(guan)系統(tong)的使用(yong)壽命。

近(jin)期(qi)，石河子大學王(wang)振華(hua)教(jiao)授(shou)團隊(dui)提出了(le)壹(yi)種(zhong)分流對(dui)沖式滴灌(guan)灌(guan)水(shui)器和(he)基(ji)於(yu)水(shui)-沙(sha)運動特(te)性(xing)的灌(guan)水(shui)器抗(kang)堵(du)優化(hua)方案(an)。該團隊(dui)利(li)用新(xin)型壹(yi)體(ti)化(hua)打(da)印(yin)技(ji)術（nanoArch S140，摩方精(jing)密(mi)）實(shi)現了(le)滴灌(guan)灌(guan)水(shui)器流(liu)道試件的高精(jing)度3D打(da)印(yin)，並(bing)開展了(le)物理(li)試驗和(he)數值(zhi)模擬研究。該研究提(ti)出的灌(guan)水(shui)器抗(kang)堵(du)優化(hua)方案(an)在(zai)維持灌(guan)水(shui)器水(shui)力性(xing)能(neng)的前(qian)提(ti)下，能(neng)夠(gou)使灌(guan)水(shui)器的抗(kang)堵(du)塞(sai)性(xing)能(neng)提(ti)升60%。相(xiang)關(guan)成果(guo)以“Anti-Clogging Performance Optimization for Shunt-Hedging Drip Irrigation Emitters Based on Water-Sand Motion Characteristics"為(wei)題(ti)發(fa)表在(zai)《Water》期(qi)刊(kan)上(shang)。

分流對(dui)沖式流道的結(jie)構(gou)參(can)數及(ji)打(da)印(yin)試件如(ru)圖1（a）所(suo)示，流(liu)道由(you)8個(ge)“回(hui)"字(zi)形(xing)流道單(dan)元(yuan)組成(cheng)，每個(ge)流道單(dan)元(yuan)寬(kuan)2.6 mm，深(shen)0.8 mm。通(tong)過電(dian)子顯微鏡對(dui)試件進(jin)行測量(liang)，其打(da)印(yin)精(jing)度達(da)0.01 mm，滿(man)足試驗要(yao)求(qiu)。將(jiang)灌(guan)水(shui)器試件置於(yu)圖(tu)1（b）所示的試驗平臺(tai)上(shang)測定其流量(liang)，如(ru)圖1（c）所(suo)示，對(dui)不(bu)同(tong)壓(ya)力下的流量(liang)實(shi)測值進(jin)行擬合得(de)到灌(guan)水(shui)器的流態指(zhi)數為(wei)0.479，水(shui)力性(xing)能(neng)優(you)良(liang)，流(liu)量(liang)實(shi)測(ce)值與(yu)流量模擬值的誤(wu)差(cha)在(zai)1.29~3.21%之(zhi)間(jian)，證(zheng)明了(le)本文數值模擬方法(fa)、結(jie)果(guo)及(ji)精(jing)度的準確(que)性(xing)。

圖(tu)2（a）為(wei)通(tong)過數(shu)值模擬得到流道中(zhong)深(shen)截面(mian)處的速(su)度(du)和(he)壓(ya)力分布(bu)雲(yun)圖。模擬結(jie)果(guo)表明，每(mei)個流(liu)道單(dan)元(yuan)內(nei)的速(su)度(du)分布(bu)壹(yi)致(zhi)，定義導流(liu)件(jian)背(bei)部為(wei)漩渦區(qu)I，分流件(jian)背(bei)部為(wei)漩渦區(qu)Ⅱ，其余區域(yu)為(wei)主(zhu)流區Ⅲ，其中水(shui)流(liu)對(dui)沖(chong)區(qu)為(wei)區域(yu)Ⅲ*。主(zhu)流區Ⅲ的水(shui)流(liu)流(liu)速(su)介(jie)於(yu)1.21~4.53 m/s之(zhi)間(jian)，漩(xuan)渦區(qu)I和Ⅱ中(zhong)的水(shui)流(liu)流(liu)速(su)介(jie)於(yu)0.11~1.21 m/s之(zhi)間(jian)。0.05、0.10和(he)0.15 mm沙(sha)粒(li)的運動軌(gui)跡(ji)及速(su)度(du)如(ru)圖2（b）所(suo)示，沙(sha)粒(li)在(zai)漩渦區(qu)I和Ⅱ中(zhong)的運移(yi)速(su)度(du)在(zai)0.06~1.10 m/s之(zhi)間(jian)，沙(sha)粒(li)容(rong)易(yi)發(fa)生沈積(ji)，相(xiang)較(jiao)而(er)言，由(you)直(zhi)角(jiao)邊壁(bi)包(bao)圍(wei)形(xing)成的漩渦區(qu)I不(bu)僅促使(shi)沙(sha)粒(li)穩(wen)定沈積(ji)，還使(shi)沙(sha)粒(li)在(zai)大漩渦的作用(yong)下互(hu)相(xiang)粘(zhan)結(jie)形(xing)成團聚(ju)體，造(zao)成(cheng)灌(guan)水(shui)器堵(du)塞(sai)的風險(xian)較(jiao)高(gao)。這(zhe)與(yu)渾(hun)水(shui)試驗的結(jie)果(guo)壹(yi)致(zhi)，如(ru)圖2（c）所(suo)示，沙(sha)粒(li)在(zai)漩渦區(qu)Ⅰ中持續(xu)堆(dui)積(ji)，導(dao)致(zhi)流(liu)道堵(du)塞(sai)。

進(jin)壹(yi)步分析沙(sha)粒(li)-流道邊(bian)壁(bi)-漩渦區(qu)Ⅰ的相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)關(guan)系，如(ru)圖3（a）所(suo)示，沙(sha)粒(li)與(yu)流道邊(bian)壁(bi)的敏感(gan)區(qu)域發生(sheng)碰撞會(hui)導致(zhi)其(qi)運動方向(xiang)突變(bian)並進(jin)入漩(xuan)渦區(qu)Ⅰ沈積(ji)，這(zhe)是(shi)造(zao)成(cheng)流(liu)道堵(du)塞(sai)的重要(yao)原(yuan)因(yin)。通(tong)過統(tong)計沙(sha)粒(li)與(yu)邊壁的碰撞位置，確定出A、B、C三(san)個(ge)壁面(mian)容(rong)易(yi)導(dao)致(zhi)沙(sha)粒(li)進(jin)入漩(xuan)渦區(qu)沈積(ji)的敏感(gan)區(qu)域範(fan)圍，分別(bie)為(wei)0≤L_A≤0.58，0≤L_B≤0.64和0≤L_C≤0.90 mm。圖(tu)3（b）顯示(shi)了(le)不(bu)同(tong)粒(li)徑沙(sha)粒(li)沿流(liu)道運動時對(dui)水(shui)流(liu)的跟(gen)隨(sui)性(xing)變(bian)化(hua)。沙(sha)粒(li)粒(li)徑越大，速(su)度(du)幅值比(bi)η和(he)速(su)度(du)相(xiang)位差(cha)β的數值(zhi)越小，跟(gen)隨(sui)性(xing)也(ye)就越差(cha)，這(zhe)表明粒(li)徑越大的沙(sha)粒(li)與(yu)流道邊(bian)壁(bi)的敏感(gan)區(qu)域碰撞後越容(rong)易(yi)進(jin)入漩(xuan)渦區(qu)沈積(ji)。

針(zhen)對(dui)敏(min)感區域範(fan)圍開展結(jie)構(gou)優(you)化(hua)，使沙(sha)粒(li)順(shun)暢通(tong)過所(suo)有流道單(dan)元(yuan)以提(ti)升(sheng)流(liu)道的抗(kang)堵(du)塞(sai)性(xing)能(neng)。如(ru)圖4（a）所(suo)示，采(cai)用(yong)直(zhi)線幾何的方法(fa)對(dui)阻擋(dang)沙(sha)粒(li)運動的A面(mian)的敏感(gan)區(qu)域0≤L_A≤0.58 mm進(jin)行切(qie)除(chu)，對(dui)B、C面(mian)敏感(gan)區域(yu)0≤L_B≤0.64 mm和0≤L_C≤0.90 mm構(gou)成(cheng)的直角(jiao)三角(jiao)形(xing)空間(jian)所(suo)覆蓋的低(di)速(su)漩(xuan)渦區(qu)進(jin)行填充(chong)，得(de)到優化(hua)後的分流對(dui)沖式流道。對(dui)優(you)化(hua)後的分流對(dui)沖式流道及(ji)其(qi)灌(guan)水(shui)器再次(ci)開展數(shu)值(zhi)模擬和清(qing)水(shui)、渾(hun)水(shui)物(wu)理(li)試驗，結(jie)果(guo)分別(bie)如(ru)圖4（b）、（c）、（d）和(he)（e）所示(shi)，優化(hua)後流道的主(zhu)流區面(mian)積(ji)占(zhan)比(bi)提(ti)升21%，沙(sha)粒(li)的運動軌(gui)跡(ji)變(bian)得光(guang)滑(hua)有(you)規律。清(qing)水(shui)試驗下優化(hua)後流道的水(shui)力性(xing)能(neng)為(wei)0.486，僅下降(jiang)1.46%；渾(hun)水(shui)試驗下優化(hua)後流道在(zai)第24次(ci)灌(guan)水(shui)後(hou)發(fa)生(sheng)堵(du)塞(sai)，抗(kang)堵(du)塞(sai)性(xing)能(neng)大幅提升60%。基(ji)於(yu)沙(sha)粒(li)運動特(te)性(xing)明(ming)確(que)流(liu)道邊(bian)壁(bi)敏感(gan)區(qu)域(yu)，進(jin)而(er)開展的結(jie)構(gou)優(you)化(hua)方案(an)具備(bei)可行性(xing)。