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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）：

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