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宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证
2009年5月
农业机械学报
第40卷第5期
迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证*
喻黎明
吴普特
牛文全
范兴科
张
林
(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)
【摘要】针对迷宫流道灌水器结构细微复杂的特点,分别采用计算流体动力学CFD模拟方法和粒子图像测
速仪PIV观测方法。
对固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了模拟研究与试验观测,并对2种方法的研究结果进行了分析。
结果表明:
CFD模拟不同直径、不同密度的固体颗粒运动时,其模拟轨迹线与实际运动线非常接近;当颗粒直径较d、(65弘m)或密度较小(镁粒,1
740kg/n13)时,CFD模拟的颗粒通过的路程与实际运动路程的偏差很
小。
而直径或密度较大的颗粒偏差比较大。
其原因是直径或密度较大的颗粒实际运动时更加靠近主流区;采用CFD模拟颗粒运动速度是可行的,但颗粒实际运动时,保持高速的时间长于CFD模拟。
关键词:
滴灌灌水器颗粒运动迷宫流道计算流体动力学粒子图像测速法中图分类号:
¥275.6
文献标识码:
A
CFDNumeriealSimulationandPIVVerificationaboutthe
Movement
ofSolidParticlesinLabyrinthChannelYuLiming
Wu
Pute
Niu
WenquanFanXingkeZhangLin
(CollegeofWaterResourceandArchitecturalEngineering,No—hwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)
Abstract
Consideringthestructuralintricacyofthedripirrigationemitterwithlabyrinthchannel,this
paper
utilizedthenumericalsimulationmethodbyCFDandobservationmethodbyPIV
to
simulateand
observethemovementregulationofthesolidparticlesin
labyrinthchannel,andanalyzedtheresultsof
thetwomethods.TheresultsshowthatthemovementtrajectoriesofthesolidparticleswithdifferentdiameteranddensitycalculatedbyCFDsoftwareaccordwiththeactualmovementtrajectoriesobservedbyPIVmachine
well.When
thediameteris65弘m
or
thedensityis1740kg/岔,thedifference
ofthe
pathlengthbetweenthenumericalsimulationbyCFDandobservationbyPIVisverylittle,butitisbigwhenthediameter
or
densityisbig
as
theactualmovementofsolidparticlesare
moreclosing
to
the
mainstream.Itisfeasibleto
simulatethevelocityofsolidparticlesbyCFDsoftware,butthetimeofthehighspeedofparticles
can
keeplongerthanthesimulation
one.
Keywords
Dripirrigationemitter,Particles。
Movement,Labyrinthchannel,CFD,PIV
引言
灌水器优良的水力性能和抗堵塞性能是滴灌技术成功应用的最关键因素之一。
迷宫流道灌水器因利用复杂多变的边界使水流呈紊流状态,具有良好的消能能力而被广泛使用[1|。
但也因为复杂多变的
流道以及介于微观和宏观之间的流道尺寸,使得此类灌水器极易堵塞。
尽管在滴灌系统中采用过滤器,但仍会有一些微小颗粒进入灌水器流道,这些颗粒在流道内是否会沉淀造成堵塞成为众多学者关注的焦点之一。
近年来,魏正英、WeiQingsong、李云开等[2--4J采用计算流体动力学(computational
fluid
收稿日期:
2008—08—05修回日期:
2008—12—18
*国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2006AAl00214)
作者简介:
喻黎明。
博士生,主要从事节水灌溉理论与设备研究,E.mail..1imin916900@yahoo.ca通讯作者:
牛文全,副研究员,主要从事节水灌溉理论与设备研究,E—mail:
nwq@vip.sina.corn
农业机械学报
2009焦
dynamics,简称CFD)对不同结构形式流道的流量、水流速度、压力分布等进行数值模拟,在一定程度上了解了单相水流在流道内的运动特性,通过分析水流运动来分析固体颗粒的运动状态;ZhangJun、王文娥等Is-6j采用CFD模拟流道内颗粒浓度的分布以及颗粒运动轨迹,从理论上分析了颗粒的分布和运动规律。
LiGuangyong、穆乃君等[7--8]对制造产品采用ISo标准IsIⅣTC23/SCl8/wG5N4短周期堵塞测试程序测试了不同直径颗粒在流道内的通过能力。
虽然上述学者通过理论分析推导和推测颗粒运动的轨迹及速度,或者通过试验测试固体颗粒在迷宫流道中最终通过的结果,但CFD模拟的规律是否准确以及固体颗粒在流道中的运动轨迹、路程和运动速度尚不清楚。
因此,本文通过粒子图像测速法(particle
image
velocimetry,简称PIV)观测不同
直径和不同密度的固体颗粒在流道中的轨迹线、路程和速度来检验CFD模拟相应颗粒在流道内运动规律的准确性,并分析CFD模拟颗粒运动时可能存在的问题,以便更好地使用CFD软件并提高灌水器流道设计的准确性。
l材料与方法
1.1物理模型及网格划分
灌水器流道形状及参数如图1所示,流道深度为1.41mm。
进出口平直流道略微加长,以便于流体的充分发展。
图1齿形流道结构及参数
Fig.1
Formandstructuralparametersofdentalchannel
按照CFD计算过程,在建立物理模型的基础上进行网格划分,由于流道边界变化较大,因此采用混合多面体进行网格划分,并进行局部加密,网格单元长度为0.1mm左右,共计约10X104个单元。
1.2数学模型
由于流道内的水流可视为不可压缩的流体,常温下定常流动,考虑重力作用,应用连续性方程和Navier-Stokes方程等[9],灌水器流量大致在2.02~
5.43L/h之间,流体运动平均速度砂在0.42~1.14
m/s之间,流道水力半径R为1.128×10~m,
运动粘滞系数v为10_6m2/s,雷诺数RP在478~
1
284之间。
Nishimura等[10--¨】对类似的相位差为O。
的正弦波纹流道进行了数值模拟和试验研究,结果发现这种正弦型流道的层流、紊流转变发生在雷
诺数Re为200~350时,远小于常规平直流道的临界雷诺数。
李云开等[123对3种重力滴灌灌水器内部流道流体的研究表明,RP在73~930之间时,流道内流态转换的临界雷诺数比常规尺度流道的值要小。
Re≤321;在对6种迷宫式流道灌水器内部流体流动(RP为105~930)研究表明,流态转换的临界雷诺数低于255t”]。
ZhangJun等[14]通过对弧形流道的研究,对比使用层流模型、紊流模型模拟出的流量和试验测试的流量,发现使用紊流模型得到的流量更加接近测试结果。
因此,本文的灌水器流道水力计算都采用标准k—e紊流模型,其计算公式见文献[9]。
参照ISO标准灌水器短期抗堵塞试验方案中规定的颗粒浓度标准,对于固体颗粒在流道的运动属于稀相流,可以采用Eulerian—Lagrangian两相流模型中的随机轨道模型来进行模拟。
在计算颗粒运动方程时,颗粒主要受力是重力、曳力,还有附加的压强梯度力、Magnus力、Saffman力、质量力等,但这些与前者相比数量级较小故不考虑。
单个颗粒的运动方程直接由牛顿第二定律得出[15]
du口
m户1尹=mt,g+Fd
(1)
3比,c』Re.
凡=赢i产(“f—Up)(2)
一d。
孤T(“一J‘z,
优户:
丝6
(3)
式中
m。
——颗粒质量甜。
——颗粒速度凡——流体对颗粒的曳力
u厂一流体速度
“——颗粒密度d。
——颗粒直径
%——曳力系数
RP。
——颗粒的雷诺数
g——重力加速度
1.3边界条件及数值计算方法
在计算齿形流道水力性能时,分8个压力水头处理,分别是1、2、3、4、5、6、7、8m;在进行CFD模拟与PIV试验对照时,所有的压力都采用4m水头。
出水口为自由出流。
采用Fluent软件默认的标准壁面函数法对流道壁面进行处理。
数值计算采用有限体积法离散控制方程,对流项等各参数的离散都采用二阶迎风格式。
速度和压力的耦合采用SIMPLE算法求解,收敛精度为10-4。
1.4
PIV流场测试台及观测使用固体颗粒材料为准确测量迷宫流道内固体颗粒的运动情况,
针对使用PIV测量流场时采用脉冲激光器作为光源、使用CCD抓取图像时存在的不足【16 ̄19l,本试验PIV流场测试台由连续光源、高速摄像仪和
第5期
喻黎明等:
迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证
47
VS—M0910型放大镜组成,如图2所示。
此高速摄像仪每1s最多能拍下200000帧画面,能清晰地看到粒子在微小的迷宫流道内的运动规律,同时此设备附带的软件Movias
ProViewer
1.63可根据单位
时间内粒子运动的距离计算其运动速度。
迷宫流道试验件是在有机玻璃上数控雕刻出的,并在其上覆盖透光性好的有机玻璃板将流道密封,使试验件与实际情况相似。
在国际标准中,堵塞试验一般采用的固体颗粒是氧化铝[20|,但实际导致灌水器堵塞的是天然河砂等固体物质,故在本次试验中采用河砂(密度为2
500
kg/m3)、镁粉(密度为1
740
kg/m3)和
铝粉(密度为2
870
kg/m3)进行试验,为了能使粒子
随水流运动,同时在PIV中也能看到,所以分别采用100目和120目筛网挑选出粒径125~150pm的颗粒,采用150目和180目的筛网挑选出粒径90~100肛m的颗粒,采用270目和220目的筛网挑选出粒径58~65pm的颗粒。
当进行CFD数值模拟时,采用颗粒直径的上限,分别为150、100和65
pm。
图2流场PIV测试台结构简图
Fig.2
SchematicdiagramofPIVexperimentplatform
1.连续光源2.迷宫流道3.放大镜4.高速摄像仪
1.5
PIV观测模型与CFD模拟模型水力性能对比根据图1中的几何模型将灌水器流道制作成有
机玻璃流道,在不同压力下测量的流量和CFD模拟的流量如表1所示。
其中,CFD模拟模型所对应的流量系数、流态指数为1.9964、0.484
5;PIV观测
模型的相应值为2.016
1、0.4761。
CFD模拟的流量值比PIV观测模型实测出的
・
表1
CFD模拟和有机玻璃流道测试的流量
Tab.1
Dischargeoftestingvalueofactual
modelandC'FDsimulation
L/h
流量值略大,但对应的流量系数小而流态指数大,两者在流量系数上的差距为1%,在流态指数上的差距为2%,差距都非常小,所以两者所使用的模型基本相同,能在此两种模型内比较粒子的运动规律。
2结果与分析
2.1
CFD模拟和PIV观测的颗粒轨迹线对比分析图3是CFD模拟和PIV观测不同粒径(65、100
和150“m)的砂粒在第4、5个流道单元内的运动轨迹线(图中上为CFD模拟,下为PIV观测)。
当砂粒粒径为65“m时,砂粒基本随主流区的水流运动,CFD模拟和PIV观测的轨迹线非常接近;当粒径为i00扯m时,CFD模拟中砂粒在整个流道上有2次脱离了主流区进入漩涡,其运动轨迹较紊乱,PIV观测的第4、5流道单元中砂粒运动相对齿尖上下的振幅变大,其运动轨迹比65“m的轨迹紊乱;当粒径为
t50
pm时。
CFD模拟中砂粒9次进入了漩涡区,其
运动轨迹已相当紊乱,PIV观测中砂粒经过第5个
图3粒径65、100和150,am砂粒的CFD模拟和PIV观测运动轨迹
Fig.3
TrajectoryofCFDsimulationandPIVobservationabout65,100and150pmsandpanicles
(a)65pm(b)100pm(c)150pm
农业机械学报
2009矩
流道单元时,也进入旋涡区。
因此,CFD模拟和PIV观测的不同粒径砂粒运动轨迹线具有一定相似性。
图4是CFD模拟和PIV观测粒径为100弘m的镁、砂和铝粒在第4、5个流道单元内的运动轨迹线。
从CFD模拟和PIV观测可以看出,镁粒运动的随流性比较好,基本上从水流运动的高速区经过;砂粒的运动轨迹相对镁粒略有些偏离,但还是基本在水
流高速区运动,CFD模拟中,砂粒有2次进入了漩涡区,运动比较紊乱,PIV观测的砂粒运动相对齿尖上下的振幅变大,其运动轨迹比镁粒的轨迹紊乱;铝粒的运动轨迹比较紊乱,CFD模拟中,整个流道上铝粒3次进入旋涡区,而PIV观测到铝粒在第4、5个流道单元都进入了漩涡。
因此,CFD模拟和PIv观测中相同直径不同密度颗粒的运动轨迹是比较接近的。
图4粒径100gxn镁、砂和铝颗粒的CFD模拟和PIV观测运动轨迹
Fig.4
TrajectoryofCFDsimulationandPIVobservationabout100pmMg,sandandAIparticles
(a)镁粒(b)砂粒(c)铝粒
2.2
CFD模拟和PIV观测的颗粒路程对比分析表2是CFD模拟和PIV观测不同粒径的砂粒
通过相同流道的路程。
当砂粒直径较小时,砂粒在流道内经过的路程短,随粒径的增加路程变长,当粒径从65肛m增加到150肛m时,CFD模拟的路程增加了0.82倍,PIV观测的路程增加了O.48倍(整个流道的PIV路程是以第4、5个流道单元的单位路程与单元数相乘,再加上两端增加的平直流道长度;流道长度为29.4ram),这既说明了随颗粒直径的增加,颗粒运动变得紊乱,从而验证了轨迹线对比分析时颗粒直径变化引起轨迹线变化的规律,也能说明PIV观测的结果比较接近CFD模拟的结果。
从表2中可知,PIV观测的不同粒径颗粒的路程都比对应CFD模拟的路程要短,粒径为65肛m时,CFD模拟和PIV观测的偏差非常小,只有2.43%,而粒径大时偏差也大,造成这种现象的原因是直径较大的颗粒在实际运动中并没有CFD模拟时的振幅大,实际运动时更加靠近主流区。
表2不同直径砂粒在CFD和PIV中的路程
Tab.2
PathlengthofsandwithdifferentdiameterinCFDsimulationand
PIV
observation
mm
表3是CFD模拟和PIV观测粒径为100弘m的镁、砂和铝粒通过相同流道的路程。
当颗粒密度较小时,颗粒在流道内经过的路程短,随密度的增大路程变长。
CFD模拟出的铝粒的路程是镁粒的1.52倍,而PIV观测出的铝粒的路程是镁粒的1.39倍,这既说明了随颗粒密度的增加,颗粒运动变得紊乱,从而验证了轨迹线对比分析时颗粒密度变化引起轨迹线变化的规律,也说明PIv观测的结果比较接近CFD模拟的结果。
从表中还可以看出,PIV观测到的不同物质的路程都比对应的CFD模拟的路程要短,镁的密度最小,其CFD模拟和PIV观测的偏差非常小,仅1.46%,而密度较大的砂和铝的偏差都比较大。
其原因是密度较大的颗粒在实际运动时并没有如CFD模拟的振幅大,实际运动时更加靠近主流区。
表3粒径l∞岬镁、砂和铝颗粒在aⅢ和Hv中的路程
Tab.3
Pathlength
of100pmMg,sand
and
AIparticles
inCFDsimulationandPIVobservation
mm
2.3
CFD模拟和PIV观测的水流和颗粒速度对比分析
图5是CFD模拟的第4个流道单元深度为流
第5期喻黎明等:
迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证
49
道深一半处的纵剖面水流速度分布图,其速度大小与齿尖成上下左右对称分布,齿尖的左上和右下各有2个旋涡区,最小速度为0.19m/s和0.24m/s。
略高于壁面处0.17m/s的速度,最大速度略有不同,左上漩涡最大速度是0.68m/s。
右下漩涡最大速度是0.59m/s。
在齿尖处最高速度为2.48m/s,靠近齿尖附近形成高速核心区。
核心区以1.71m/s的最小速度连贯起来;从1.71m/s到漩涡最大速度
(0.68m/s或0.59m/s)形成主流区,因此在整个流
道上流场由高速核心区、主流区和若干个漩涡组成。
图5第4个单元的水流速度
Fig.5
Watervelocity
inthefollrthflow
unit
1,3.漩涡低速区2.漩涡高速区4.齿尖高速区
图6是CFD模拟和PIV观测不同直径的砂粒在相同流道单元上(第4、5个单元)的运动速度曲线图。
砂粒在主流区和漩涡中运动,因水流的速度变化较大而导致随流的砂粒运动速度明显变化,当砂粒撞击到壁面时,速度可能变得很小,当砂粒穿过高速区时,砂粒又能获得较高的速度。
从CFD模拟速
(1.0nl/s左右)有2次,由图5可知颗粒基本在接近
核心高速区的流速范围内运动;粒径100pm的砂粒达到最小速度(0.5m/s左右)有3次,由图5可知颗粒基本在主流区运动,有时会到漩涡外围作较高速度运动;粒径150“m的砂粒达到最小速度(0.2m/s左右)有2次,由图5可知颗粒既在主流区运动也进入了漩涡,不过从速度线上分析,颗粒很快就离开了漩涡区。
从PIV观测的速度可以看出它们具有相似的极值变化,结合轨迹图可知,颗粒直径大时,可观测到颗粒进入了漩涡区,从速度图上亦能反映。
在相同的流道单元内。
CFD模拟的速度达到最小速度极值共计7次(包含不同粒径的极值),而PIV观测的速度达到最小速度极值同样共计7次(包含不同粒径的极值),但PIV观测的速度能在颗粒运动的较长距离内维持在高速区,而CFD模拟的速度变化快,维持时间短,其原因是实际颗粒运动时更加靠近水流的主流区。
因而能获得较长时间的高速,同时也由于PIV观测点的数量少,观测点之间只能通过
直线连接。
不能完全真实反映各观测点之间的速度,
而CFD模拟出轨迹线上任何一个位置的速度,因而速度变化快。
图7是CFD模拟和PIV观测粒径100“m的镁、砂和铝颗粒在同一流道单元上(第4、5个单元)的运动速度图。
从CFD模拟可知,镁、砂和铝颗粒的最小速度都接近0.5m/s,最高速度也都超过
2.0
m/s。
铝粒的密度最大,4次接近最小速度,砂粒
的密度居中,4次接近最小速度,镁粒的密度最小,
路f//m路程/m路程/m(d)
(e)
(f)
图6粒径65、100和150pm砂粒的CFD模拟和PIV观测运动速度曲线
Fig.6
MovementvelocityofCFDsimulationandPIVobservationabout65,100and150肛msandparticles
(a)CFD模拟,65pm(b)PIV观测,65San(c)CFD模拟,100van(d)PIV观测,100v.m(e)CFD模似。
150tan(f)PIV观测。
150
pm
农业机械学报2009拒主流区运动,有时会参与到漩涡外围作较高速度运动;与PIV观测的速度具有相似的极值变化,镁、砂和铝粒的速度线图形都很接近,达到极值速度的次数也非常接近(共计10次)。
但PIV观测的速度能2.52・52・O在颗粒运动的较长距离内维持在高速区,而CFD模拟的速度变化快,维持时间短,其原因是实际颗粒运动时更加靠近水流的主流区,因而能获得较长时间的高速。
2520下T2.0_?
量1.5划嘲1.0O.50童1・5量蜊瑙l5l0O50餐Lo0.5O0.0120.0130.0120.0130.0140.0150.0160.0140.0150.0160.017路程/m(a)路程/m(b)T下?
}星魁瑙星刨嘲0.0120.0130.0140.0150.0160.0170.018路程/m(d)路程/“(e)善2.0~路程,m(f)‰世一¨W一hw||八赢路程/m(c)图7粒径100btm镁、砂和铝颗粒的CFD模拟和PIV观测运动速度曲线Fig.7MovementvelocityofCFDsimulationandPIVobservationabout100“mMg,sandandA1particles(a)CFD模拟,镁粒(b)PIV观测.镁粒(c)CFD模拟,砂粒(d)PIV观测,砂粒(e)CFD模拟。
铝粒(f)PIV观测,铝粒3结论(1)CFD模拟和PIV观测不同直径和不同密度的颗粒运动轨迹线非常接近,当颗粒直径较小(65弘m)或密度较小(镁粒,1740实际运动时并没有如CFD模拟时的振幅大,实际颗粒运动时更加靠近主流区。
(3)CFD模拟和PIV观测不同直径和不同密度颗粒运动速度的极值非常相似。
因而采用CFD模拟颗粒运动速度是可行的,但根据PIV观测,颗粒运动时更加靠近水流的主流区因而能获得较长时间的高速,同时也由于PIV观测点的数量少,观测点之间只能通过直线连接,不能完全真实反映各观测点之间的速度,而CFD模拟出任何一个位置的速度,因而速度变化快。
(4)使用PIV只能观测几个流道单元,而CFD却能对整个流道进行模拟,采用验证的CFD模拟结果去分析整个流道的情况,将有利于灌水器流道内颗粒运动分析和抗堵性分析。
kg/m3)时,颗粒基本在水流的主流流速区运动,颗粒较大或者密度较大时,采用PIV能观测到CFD模拟时出现的颗粒进入涡旋区,并最终逃离涡旋区的现象,因而采用CFD模拟颗粒运动轨迹是可行的。
(2)分析CFD模拟和PIV观测不同直径和不同密度的颗粒经过流道的路程可知,当颗粒直径较dx(65/_tm)或密度较小(镁粒,1740kg/m3)时,CFD模拟和PIV观测路程的偏差很小,当直径或密度较大时,偏差比较大,其原因是大直径或高密度的颗粒参考文献1WeiQingsong,ShiYusheng,DongWenehu.Advancedmethodstodevelopdripemitterswithnewchanneltypes[J].AppliedEngineeringinAgriculture,2006,22(2):
243~249.2魏正英,唐一平,赵万华,等.滴灌灌水器迷宫流道结构与水力性能实验研究[J].农业机械学报,2005,36(12):
51~55.WeiZhengying,TangYipiilg,ZhaoofdripirrigationWanhua,eta1.Structureandhydrauli
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