滴灌灌水器位于滴灌系統(tǒng)的最末級(jí)，其內(nèi)部流道的尺寸通常介于0.5~1.2 mm之間，能夠?qū)⒐艿乐械挠袎核D(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)滴狀水流實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。滴灌灌水器的水力性能決定了灌溉均勻性和灌溉質(zhì)量。已有研究結(jié)果表明，改變灌水器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)可以顯著提升灌水器的水力性能。然而，為了解決灌溉水資源短缺的問題，許多地區(qū)使用高含沙量的水源作為灌溉水源，滴灌灌水器堵塞的問題也隨之而來。因此在提升滴灌灌水器水力性能的同時(shí)，還需對(duì)灌水器流道開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升滴灌灌水器的抗堵塞性能，進(jìn)而提升滴灌系統(tǒng)的使用壽命。

近期，石河子大學(xué)王振華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種分流對(duì)沖式滴灌灌水器和基于水-沙運(yùn)動(dòng)特性的灌水器抗堵優(yōu)化方案。該團(tuán)隊(duì)利用新型一體化打印技術(shù)（nanoArch S140，摩方精密）實(shí)現(xiàn)了滴灌灌水器流道試件的高精度3D打印，并開展了物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。該研究提出的灌水器抗堵優(yōu)化方案在維持灌水器水力性能的前提下，能夠使灌水器的抗堵塞性能提升60%。相關(guān)成果以“Anti-Clogging Performance Optimization for Shunt-Hedging Drip Irrigation Emitters Based on Water-Sand Motion Characteristics"為題發(fā)表在《Water》期刊上。

分流對(duì)沖式流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)及打印試件如圖1（a）所示，流道由8個(gè)“回"字形流道單元組成，每個(gè)流道單元寬2.6 mm，深0.8 mm。通過電子顯微鏡對(duì)試件進(jìn)行測(cè)量，其打印精度達(dá)0.01 mm，滿足試驗(yàn)要求。將灌水器試件置于圖1（b）所示的試驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)定其流量，如圖1（c）所示，對(duì)不同壓力下的流量實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合得到灌水器的流態(tài)指數(shù)為0.479，水力性能優(yōu)良，流量實(shí)測(cè)值與流量模擬值的誤差在1.29~3.21%之間，證明了本文數(shù)值模擬方法、結(jié)果及精度的準(zhǔn)確性。

圖2（a）為通過數(shù)值模擬得到流道中深截面處的速度和壓力分布云圖。模擬結(jié)果表明，每個(gè)流道單元內(nèi)的速度分布一致，定義導(dǎo)流件背部為漩渦區(qū)I，分流件背部為漩渦區(qū)Ⅱ，其余區(qū)域?yàn)橹髁鲄^(qū)Ⅲ，其中水流對(duì)沖區(qū)為區(qū)域Ⅲ*。主流區(qū)Ⅲ的水流流速介于1.21~4.53 m/s之間，漩渦區(qū)I和Ⅱ中的水流流速介于0.11~1.21 m/s之間。0.05、0.10和0.15 mm沙粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度如圖2（b）所示，沙粒在漩渦區(qū)I和Ⅱ中的運(yùn)移速度在0.06~1.10 m/s之間，沙粒容易發(fā)生沉積，相較而言，由直角邊壁包圍形成的漩渦區(qū)I不僅促使沙粒穩(wěn)定沉積，還使沙粒在大漩渦的作用下互相粘結(jié)形成團(tuán)聚體，造成灌水器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)較高。這與渾水試驗(yàn)的結(jié)果一致，如圖2（c）所示，沙粒在漩渦區(qū)Ⅰ中持續(xù)堆積，導(dǎo)致流道堵塞。

進(jìn)一步分析沙粒-流道邊壁-漩渦區(qū)Ⅰ的相互作用關(guān)系，如圖3（a）所示，沙粒與流道邊壁的敏感區(qū)域發(fā)生碰撞會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向突變并進(jìn)入漩渦區(qū)Ⅰ沉積，這是造成流道堵塞的重要原因。通過統(tǒng)計(jì)沙粒與邊壁的碰撞位置，確定出A、B、C三個(gè)壁面容易導(dǎo)致沙粒進(jìn)入漩渦區(qū)沉積的敏感區(qū)域范圍，分別為0≤L_A≤0.58，0≤L_B≤0.64和0≤L_C≤0.90 mm。圖3（b）顯示了不同粒徑沙粒沿流道運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)水流的跟隨性變化。沙粒粒徑越大，速度幅值比η和速度相位差β的數(shù)值越小，跟隨性也就越差，這表明粒徑越大的沙粒與流道邊壁的敏感區(qū)域碰撞后越容易進(jìn)入漩渦區(qū)沉積。

針對(duì)敏感區(qū)域范圍開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使沙粒順暢通過所有流道單元以提升流道的抗堵塞性能。如圖4（a）所示，采用直線幾何的方法對(duì)阻擋沙粒運(yùn)動(dòng)的A面的敏感區(qū)域0≤L_A≤0.58 mm進(jìn)行切除，對(duì)B、C面敏感區(qū)域0≤L_B≤0.64 mm和0≤L_C≤0.90 mm構(gòu)成的直角三角形空間所覆蓋的低速漩渦區(qū)進(jìn)行填充，得到優(yōu)化后的分流對(duì)沖式流道。對(duì)優(yōu)化后的分流對(duì)沖式流道及其灌水器再次開展數(shù)值模擬和清水、渾水物理試驗(yàn)，結(jié)果分別如圖4（b）、（c）、（d）和（e）所示，優(yōu)化后流道的主流區(qū)面積占比提升21%，沙粒的運(yùn)動(dòng)軌跡變得光滑有規(guī)律。清水試驗(yàn)下優(yōu)化后流道的水力性能為0.486，僅下降1.46%；渾水試驗(yàn)下優(yōu)化后流道在第24次灌水后發(fā)生堵塞，抗堵塞性能大幅提升60%。基于沙粒運(yùn)動(dòng)特性明確流道邊壁敏感區(qū)域，進(jìn)而開展的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具備可行性。