文丘里施肥器内部流场PIV试验与数值模拟 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.99M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 文丘里施肥器内部流场 PIV 试验与数值模拟# 王子君，王国栋，徐云成，严海军** （中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083）摘要：文丘里施肥器运行过程中，喉部负压越低，吸肥流量越大，但负压过低会导致空化出现。本文利用 PIV 技术对文丘里施肥器内部流场进行试验研究，并将高速摄影试验和 CFD 数值模拟结果进行了对比。结果表明：文丘里施肥器吸肥流量与内部流场有显著关系，在进口压力分别为 0.3 MPa、0.35 MPa 和 0.4 MPa 条件下，当吸肥流量大于 1.0 m3/h 时，施肥器扩散段会产生明显漩涡和回流现象。当吸肥流量小于 1.0 m3/h 时，没有出现回流现象。空化对文丘里施肥器流场内速度有显著影响，当空化严重时，施肥器扩散段内的空泡发生脱落和溃灭，出现高速度区域。关键词：灌溉技术；文丘里施肥器；PIV；空化中图分类号：S224.21 5 10 15 PIV Analysis and Numerical Simulation of the Internal Flow in a Venturi Injector 20 (College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing WANG Zijun, WANG Guodong, XU Yuncheng, YAN Haijun 100083) 25 30 Abstract: The capability of fertilizer suction of a Venturi injec-tor depends on the vacuum pressure at the throat portion, where cavitation occurs due to the high negative pressure. In this paper, the internal flow in a Venturi injector was observed by using PIV technique and comparing with high speed photography experiment and numerical simulation. The results showed that the increase of suction flow rate would have an impact on the main internal flow. In the experiment, it was found that, under the inlet pressures of 0.3 MPa, 0.35 MPa, and 0.4 MPa, when suction flow rate was greater than 1.0 m3/h, the reflux phenomenon occurred obviously in the rear of the diffusion portion close to the wall; when suction flow rate was less than 1.0 m3/h, the reflux phenomenon was not found in all scenarios. It also showed that, the cavitation had a great impact on velocity field, when the cavitation gradually aggravated, the high velocity field was found in the rear of the diffusion portion influenced by the energy generated in the cavitation collapse. Key words: irrigation technology; Venturi injector; PIV; cavitation 35 0 引言文丘里施肥器以其结构简单、操作方便、无需额外动力等优点而被广泛应用。文丘里施肥器依靠其喉部负压吸肥，进出口压差越大，喉部负压越低，吸肥流量越大。但压差过大，喉部负压过低易发生空化，并伴随水力激振，影响吸肥性能，降低使用寿命。因此，探究文丘里施肥器内部流动对确保施肥器的安全有效运行十分重要。 40 目前关于文丘里施肥器空化特性的研究成果较少，但关于结构相近的文丘里管空化方面的研究较多。Ghassemi 等[1]设计三种不同喉部直径的文丘里管进行试验，指出喉部直径的大小不会影响文丘里管的性能，因此文丘里管内的空化可用于测量流体的流速。Stutz 等[2-3]指基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20120008110047）；国家自然科学基金（51321001）；国家 863 计划项目（2011AA100506）作者简介：王子君（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：节水灌溉技术与装备通信联系人：严海军（1974-），男，教授，主要研究方向：节水灌溉技术与装备. E-mail: yanhj@cau.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 45 50 55 出扩散角为 8°的文丘里管的空化现象呈周期性变化，而扩散角为 4°的空化只在文丘里管下游区发生。Barre 等[4]使用双光探头测量技术和专业数据处理方法对文丘里结构内部流动进行研究，预估空化的空隙比和速度场，并通过试验和模拟的对比描述了空泡的流动规律。金永奎等[5]通过试验指出，当吸肥浓度超过 10%时，文丘里施肥器的压力比急剧下降，开始在喉部发生空化，产生撞击和振动，施肥器不能工作在这个区间。严海军等[6]通过对 4 种喉管结构的文丘里施肥器进行试验研究得出，文丘里施肥器的最大压差和临界压差与进口压力存在线性正相关关系，进口压力或进出口压差升高，则进口流量随之增大。随着各种技术方法的进步，近年来有很多学者将 PIV、高速摄影、CFD 等新技术应用于文丘里管结构。Yazici 等[7]结合高速摄影和 CFD 软件对二维轴对称文丘里管中的空化流动进行研究，发现空化流动的振动频率范围很广，高动量的空泡会在扩散管中溃灭成低动量的小空泡。Sato 等[8]使用高速摄影观测空化空泡的产生、发展至溃灭的全过程，指出空化类型与空化数相关，空化数较小时，在文丘里管的扩散段内出现大量片状空化。Sayyaadi[9]使用高速摄影和光强度技术，比较分析了文丘里反应器中周期性的空化流动，发现空化数对波动幅度的影响明显大于工作压力，且空化数较小时，大规模的涡结构会周期性地脱落和溃灭。 An 等[10]利用高速摄影和 PIV 技术，分析在不同后台阶高度下文丘里反应器里的空化云状脱落和发展过程，发现了因回射流的影响导致的空泡的周期性脱落现象。尽管文丘里施肥器与文丘里管结构相近，但文丘里施肥器在其喉部增加了一个进口，结 60 构呈非对称性，从而其内部流动及空化过程更为复杂。因此，揭示文丘里施肥器内部流动的机理意义重大。本文主要研究内容包括：（1）利用 PIV 技术探析文丘里施肥器内部流动特性；（2）与高速摄影及 CFD 计算结果进行比较，分析空化对文丘里施肥器内部流动的影响。 1 材料与方法 1.1 文丘里施肥器 65 本文采用有机玻璃材质文丘里施肥器。文丘里施肥器的主体结构由进口直管段、收缩段、喉部区、扩散段、出口直管段和吸肥口组成，其流道内部的收缩段最小直径为 10 mm，扩散段最小直径为 13 mm，吸肥口直径为 12 mm，施肥器总长 277 mm，如图 1 所示。 70 1.2 PIV 试验装置图 1 有机玻璃文丘里施肥器实物图 Fig. 1 The sample of Venturi injector PIV 试验在中国农业大学水利与土木工程学院试验楼内进行。采用串联方式安装文丘里施肥器，试验装置如图 2 所示。管道内水从水箱通过水泵抽出，之后水流分流，一部分水流 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 流入储肥罐（本试验以清水代替肥液），保证吸肥过程中储肥罐的水位稳定，在进口处装有 75 涡轮流量计，记录其水流流量，利用阀门 3 调节和补充水量。另一部分水流流入试验主管道，经文丘里施肥器后再流入水箱内。工作时文丘里施肥器的喉部会产生负压，施肥器从储肥桶吸取肥液。在文丘里施肥器的进出口两端分别装有涡轮流量计和压力表，用于记录进出口流量和进出口压力。在文丘里施肥器的正前方放置 CCD 照相机，与计算机相连接。 80 图 2 试验装置图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental device 本试验选用的示踪粒子为 PIV 专用示踪粒子，规格型号为 MV-H0105，粒径为 1-5 μm。建议用量为 1 食勺/吨水，使用时用专用食勺，将定量的示踪粒子倒入容器中，加水搅拌均匀后倒入测试区域中。粒子在水中一次性使用时间为 24 h。 85 试验时文丘里施肥器的进口压力设置为 0.30、0.35 和 0.40 MPa 三个水平，通过调节出口阀门，设置不同的出口压力。其中，进口压力为 0.30MPa 时对应的出口压力分别为 0.075、 0.125 和 0.175 MPa；进口压力为 0.35 和 0.40 MPa 时对应的出口压力分别为 0.05、0.10、0.15、 0.20 和 0.25 MPa。为了方便观察和比较，设置如图 3 所示的虚线区域，在 PIV 试验中读取该区域内的速度分布，导入 Insight 3G 进行分析。 90 图 3 文丘里施肥器中虚线位置 Fig. 3 Coordinate diagram of Venturi injector 1.3 高速摄影试验设备试验采用高速摄像机为 PHANTOM 公司的 V210 型号，在分辨率为 512 × 384 下最 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 95 大帧频可达 10000 帧/s。配合 2000 W 大功率灯照明，采用与高速摄像仪相配的 PCC 1. 3( phantom camera control application) 软件拍摄视频。 1.4 数值模拟计算方法本文利用 FLUENT 软件对文丘里施肥器内部流动进行数值模拟。根据前人研究[11,12]，采用标准 k-ε 湍流模型和 Schnerr and Sauer 空化模型进行计算的结果与试验结果最接近，故 100 本文采用同样模型进行模拟计算，边界条件设为速度进口和压力出口。 2 结果与讨论 2.1 回流现象分析文丘里施肥器靠其喉部负压吸肥，进出口压差越大，喉部负压越低，吸肥能力越强。但喉部负压过低，会导致空化出现，伴随振荡和噪声，当空化严重时，文丘里施肥器扩散段会 105 产生回流现象。通过试验发现，在进口压力分别为 0.30、0.35 和 0.40 MPa 条件下，当进出口压差较小，吸肥流量小于 1.0 m3/h 时，没有出现漩涡或回流现象；当吸肥流量大于 1m3/h 时，施肥器扩散段会产生显著漩涡和回流现象。 110 进口压力为 0.35 MPa，出口压力分别为 0.20 和 0.25 MPa 时的文丘里施肥器扩散段高速摄影图和 PIV 流线图如图 4 所示。当出口压力为 0.25 MPa 时，吸肥流量为 0.22 m3/h，连续的空泡从喉部射流边界层产生，沿施肥器轴线方向呈细白线状后移。此时流速比较稳定，没有发现回流现象。当出口压力为 0.20 MPa 时，吸肥流量为 0.95 m3/h，自喉部产生密集、规律的空泡，随水流后移并迅速溃灭。此时流速仍然比较稳定，且分布比较均匀，没有发现回流现象。在这两种工况下，施肥器进出口压差较小，只有少量的空泡自喉部产生，且迅速溃灭，在扩散段后半段没有发现空泡和回流现象。此时空化对文丘里施肥器内部流动的影响不 115 显著。图 4 进口压力为 0.35MPa，出口压力分别为 0.20 和 0.25MPa 时的文丘里施肥器扩散段高速摄影图和 PIV 流线图 Fig. 4 High speed photo and PIV streamline in the rear of the diffusion portion at inlet pressure of 0.35MPa, and 120 outlet pressure of 0.20 and 0.25 MPa respectively 进口压力为 0.35 MPa，出口压力分别为 0.05、0.10 和 0.15 MPa 时的文丘里施肥器扩散段高速摄影图和 PIV 流线图如图 5 所示。当出口压力为 0.15 MPa 时，吸肥流量为 1.33 m3/h，空泡产生的密度和范围明显增大，并逐渐转化为云状空泡。此时吸肥口流速已经对工作水造成冲击，空泡群向上聚集，并开始进入扩散段溃灭。在这个过程中，因空泡溃灭产生能量， 125 导致流速上升，在扩散段区域发现回流现象。当出口压力为 0.10 MPa 时，吸肥流量为 1.54 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn m3/h，空泡充满整个喉部，此时吸肥口流速较大，使空泡群贴紧上壁，并最终在扩散段振荡和溃灭。当出口压力为 0.05 MPa 时，吸肥流量为 1.66 m3/h，负压区域已经延伸到扩散段，空泡充满整个喉部和扩散段，并开始成团聚集，在扩散段周期性脱落，脱落后的空泡受周围压力脉动影响，在扩散段后半段再次生长和溃灭，出现“二次生长”现象，空泡不对称溃灭 130 后在扩散段后半段产生旋涡，引起空泡脱落。在这个过程中，因空泡在扩散段溃灭产生大量能量，发现明显的回流现象。图 5 进口压力为 0.35 MPa，出口压力分别为 0.05、0.1 和 0.15 MPa 时的文丘里施肥器扩散段高速摄影图和 PIV 流线图 135 Fig.5 High speed photo and PIV streamline in the rear of the diffusion portion at inlet pressure of 0.35 MPa, and outlet pressure of 0.05, 0.10 and 0.15 MPa respectively 2.2 数值模拟分析如图 6 所示为进口压力为 0.35 MPa、出口压力为 0.05 MPa 时文丘里施肥器内部流场的模拟结果。从气相体积分数图可以看出，空泡自施肥器喉部产生，在扩散段后移和溃灭，呈 140 贴紧管壁分布。扩散段前半段的气相体积分数较大，接近于 1，而渐缩段、喉部以及扩散段后半段气相体积分数为 0。分析原因，当工作水通过渐缩段到喉部时，因为过流面积变小，产生负压，流速上升，导致空泡后移至扩散段发展；当工作水通过扩散段后，压力逐渐增加，空泡逐渐溃灭。从湍动能图可以看出，湍动能随空化的产生和发展，逐渐变大，直到扩散段空泡溃灭，湍动能达到最大值。此时扩散段内流速不稳定，从流线图可以看出，在扩散段后 145 半段发现明显漩涡和回流现象。 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6 进口压力为 0.35 MPa、出口压力为 0.05 MPa 时文丘里施肥器内部流动模拟 Fig. 6 Simulation result of internal flow of Venturi injector at inlet pressure of 0.35 MPa, and outlet pressure of 0.05 MPa 150 2.3 速度域分析通过 PIV 试验结果分析可知，空化对文丘里施肥器内部流场速度有很大影响。如图 7 所示为进口压力为 0.35 MPa 和 0.40 MPa、出口压力分别为 0.05、0.15 和 0.25 MPa 时文丘里施肥器内流场速度分布图。以进口压力为 0.40 MPa 为例，当出口压力为 0.25 MPa 时，文丘里施肥器整个流场内速度均较小，高速度区域集中在喉部。分析原因，当工作水通过渐缩段 155 至喉部时，过流面积突然变小，导致喉部速度增大。此时空化不严重，对流场内速度影响很小。当出口压力降至 0.15 MPa 时，整个流场内速度增大，高速度区域从喉部逐渐向后移，且在扩散段末端发现新的高速度区域出现。分析原因，集中在喉部的高速度区域是因为此时进出口压差较大，吸肥流量变大，从而对工作水冲击，导致速度增大；集中在扩散段后半段的高速度区域是因为空泡在扩散段脱落和溃灭，产生能量，从而导致该区域内速度增大。当 160 出口压力降至 0.05 MPa 时，整个流场内速度进一步增大，集中在喉部的高速度区域移至扩散段前端，集中在扩散段末端的高速度区域向两边扩散。此时空化非常严重，吸肥流量达到最大值，空泡在扩散段振荡、脱落至溃灭，产生大量能量，从而导致速度增大和区域扩大。从图可以看出，当进口压力为 0.35 MPa 时发现同样规律。 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 7 进口压力为 0.35 MPa 和 0.40 MPa、出口压力分别为 0.05、0.15 和 0.25 MPa 时文丘里施肥器内流场速 165 Fig. 7 Velocity field distribution to X axis at inlet pressure of 0.35 and 0.40 MPa, and outlet pressure of 0.05, 度分布图 0.15, 0.25 MPa respectively - 7 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3 结论 170 本文利用 PIV 技术对文丘里施肥器内部流场进行试验研究，并将高速摄影和 CFD 数值模拟结果进行对比，得到如下结论：（1）文丘里施肥器进出口压差越大，吸肥流量越大，但会产生空化现象，空化及吸肥口流速对施肥器内部流场有显著影响。在进口压力分别为 0.30、0.35 和 0.40 MPa 条件下，当进出口压差较小，吸肥流量小于 1.0 m3/h 时，没有发现漩涡或回流现象；当吸肥流量大于 1.0 m3/h 时，施肥器扩散段会产生明显漩涡和回流现象。（2）空化产生的空泡在施肥器扩散段脱落和溃灭，产生大量能量，导致流场内流动不稳定，形成高湍动能区域。（3）空化对文丘里施肥器内部流场速度有显著影响，当空化严重时，施肥器喉部和扩散段末端会出现高速度区域。 [参考文献] (References) [1] Ghassemi H, Fasih H F. Application of small size cavitating venturi as flow controller and flow meter[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2011, 22(5): 406-412. [2] Stutz B, Reboud J L. Experiments on unsteady cavitation[J]. Experiments in Fluids, 1997, 22 (3): 191-198. [3] Stutz B, Reboud J L. Two-phase flow structure of sheet cavitation[J]. Physics of Fluids. 1997, 9(12): 3678-3686. [4] Barre S, Rolland J, Boitel G, Goncalves E, Patella R F. Experiments and modelling of cavi-tating flows in venturi: attached sheet cavitation[J]. European Journal of Mechanics - B/Fluids, 2009, 28(3): 444-464. [5] 金永奎，夏春华，方部玲. 文丘里施肥器系列的研制[J]. 中国农村水利水电. 2006, (5): 14-16. [6] 严海军, 初晓一, 王敏,等. 微灌系统文丘里施肥器吸肥性能试验[J]. 排灌机械工程学报, 2010, 28(3): 251-255. [7] Yazici B, Tuncer I H, Ak M A. Numerical & experimental investigation of flow through a cavitating Venturi[C]// Recent Advances in Space Technologies, 2007. RAST '07. 3rd International Conference on. IEEE, 2007: 236-241. [8] Sato K, Hachino K, Saito Y. Inception and dynamics of traveling-bubble-type cavitation in a venturi[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part B. 2004, 70(689): 69-76. [9] Sayyaadi H. Instability of the cavitating flow in a venturi reactor[J]. Fluid Dynamics Research, 2010, 42(5):3066-3076. [10] An H, Plesniak M W. Cavitation structures in a Venturi flow with various backward facing steps[J]. Journal of Fluids Engineering, 2008, 130(7):750-755. [11] 严海军，初晓一. 喉管直径对文丘里施肥器性能影响的数值模拟[J]. 排灌机械工程学报. 2011, 29(4): 359-363. [12] 严海军，陈燕，初晓一，等. 文丘里施肥器结构参数优化对吸肥性能的影响[J]. 排灌机械工程学报. 2013, 31(2): 162-166. 175 180 185 190 195 200 - 8 -

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