基于特斯拉启发的双向微通道提升滴灌灌水器输沙效率：PyFluent仿真与SHAP结构解析

本文提出一种基于特斯拉阀原理的双向微通道结构，显著提升滴灌灌水器在含沙水流条件下的输沙效率与抗堵塞性能。通过PyFluent构建高分辨率欧拉-拉格朗日（Euler–Lagrange）双相流模型，结合SHAP（Shapley Additive exPlanations）可解释性分析，揭示水力直径与前向流单元数为影响沉积物迁移的关键结构参数。该研究为微流道结构优化与可持续灌溉技术提供了物理机制清晰、可工程应用的建模框架。

　　

Highlight

特斯拉启发的双向微通道通过增强剪切区与涡流强度，使湍流动能（TKE）提升97.18%，显著改善沉积物排出效率。前向与反向流单元的不同配置使PSD与QSDV降低22.73%–53.40%，通道宽度与深度变化通过影响流场重组与局部能耗进一步调节输沙性能。

Model validation（模型验证）

为评估水-沙两相流模型的准确性，我们在PyFluent平台上对四种平板灌水器进行数值模拟，并将模拟出的流量、沉积物沉积与排出比率与实验测量值对比。结果如图3所示：模拟流量略低于实测值，但误差控制在10%以内，表明模型具备可靠的工程精度。图3b–c进一步显示，沉积物行为（如沉积与排出比）的预测与实验高度一致，验证了所建模型在微米尺度复杂固-液两相流中的适用性。

Discussion（讨论）

本研究构建了一个连接结构参数、流动特性与性能响应的多层耦合框架，系统阐释了灌水器流道几何形态如何调控水力效率与抗堵塞性能。相关性与SHAP归因分析指出，水力直径、前向流单元数、通道深度和宽深比（W/D）是影响关键性能指标（如TKE、沉积物排出）的最主要参数。这些参数通过改变局部能量耗散、涡流结构和近壁剪切应力，间接调控颗粒迁移路径与沉积风险。值得注意的是，增加反向流单元虽然提高了湍流强度，但也可能引起额外的水头损失，因此在设计需权衡抗堵塞性能与水力效率。本研究结果可为含沙水源滴灌系统的可持续运行提供理论支持与设计导向。

Conclusion（结论）

本研究开发了一种微尺度欧拉-拉格朗日仿真框架，用于评估高含沙水流条件下滴灌灌水器中的沉积物运移动态与抗堵塞性能。该模型整合了离散相模型（DPM）粒子追踪与回弹边界条件（Rebound boundary conditions），在模拟受限微通道中的沉积行为与流动特性方面表现出较高精度（误差<10%）。结果表明，引入反向流扰动单元可显著增强湍流扰动与壁面剪切作用，从而促进沉积物颗粒的再悬浮与排出。通过SHAP进行的结构贡献度分析进一步表明，水力直径与前向流单元数是影响沉积物迁移的主导因素。该研究为开发适用于高泥沙水体的抗堵塞灌水器提供了可解释、可推广的仿真设计框架。