新型微灌用沉沙池水力特性的數(shù)值模擬

鄭思敏，湯驊，安杰

新型微灌用沉沙池水力特性的數(shù)值模擬

鄭思敏，湯驊，安杰

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

利用k-ε兩方程湍流模型，采用Si mple求解方法，借助大型流體力學(xué)軟件Fluent，對微灌用新型梯形沉沙池內(nèi)水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：新型微灌用梯形沉沙池流速值整體較低，數(shù)值變化不大，且整個沉淀室流速值較穩(wěn)定，基本避免了入口處及出口處漩渦的產(chǎn)生，可以有效提高沉沙池的沉降效率，更有利于泥沙的沉降。

新型沉沙池；數(shù)值模擬；水力特性；水流流態(tài)；泥沙沉降

微灌系統(tǒng)通過灌水器（微噴頭或滴頭）調(diào)節(jié)流量，灌水器的流道直徑均很小，當(dāng)使用高含沙量的水源時就會造成灌水器的堵塞，灌水器一旦堵塞。會引起配水不均、系統(tǒng)性能下降，甚至造成整個系統(tǒng)癱瘓，需耗費大量人力和財力排除堵塞或重建系統(tǒng)，因此，灌水器對水質(zhì)的要求很高。為了使灌水器能正常工作，當(dāng)前最有效的工程措施之一就是設(shè)置沉沙池。

傳統(tǒng)的沉沙池設(shè)計是以實驗為基礎(chǔ)的設(shè)計，通過反復(fù)的設(shè)計和實驗，并借助于經(jīng)驗的判斷最終確定實驗方案，設(shè)計周期較長，費用也較高，而且對經(jīng)驗的依賴性也較強。CFD（co mputational fl uid dynamics）技術(shù)，即計算流體力學(xué)技術(shù)，近幾十年來得到了蓬勃的發(fā)展。數(shù)值模擬擁有成本低，周期短，能獲得完整的數(shù)據(jù)，模擬出實際運行過程中所測數(shù)據(jù)的各種狀態(tài)等優(yōu)點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］。近年來，劉煥芳等根據(jù)新疆節(jié)水農(nóng)業(yè)特點，設(shè)計了一種主要用于處理懸移質(zhì)泥沙為主的、服務(wù)于節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的微灌用新型沉沙池，并對這種沉沙池進(jìn)行了研究［2－11］。

本文在物理模型試驗的基礎(chǔ)上，運用Fl uent軟件對新型微灌用梯形沉沙池內(nèi)水流的流態(tài)進(jìn)行了分析研究，驗證了其對沉沙池內(nèi)水流運動規(guī)律模擬的準(zhǔn)確性，為相關(guān)研究人員進(jìn)行后續(xù)沉沙池模型方面的研究提供理論依據(jù)。

1 新型沉沙池數(shù)值模擬模型的建立

1.1 沉沙池流場的控制方程

對沉沙池流場的研究，目的是為了研究泥沙在沉沙池中的垂線分布和沿程淤積情況，并在此基礎(chǔ)上按照工程要求設(shè)計沉沙池的合理尺寸，因此，可將沉沙池水流簡化為立面二維水流進(jìn)行研究［12］。此外，本模型不考慮熱量的交換，是單純流場問題，所以控制方程中不包含能量方程。故控制方程主要包括連續(xù)方程、動量方程和湍流模型方程，如下所示：

1）連續(xù)方程為：

2）動量方程為：

通過求解以下輸運方程得到：

3）k方程為：

4）ε方程為：

以上方程組成了求解沉沙池水流的封閉方程組，其中模型中5個常用參數(shù)取值為cμ＝0.09，cε1＝1.44，cε2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

1.2 網(wǎng)格劃分

本計算模型采用非正交結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，由于沉沙池內(nèi)水流較為平緩，所以整個區(qū)域網(wǎng)格較為均勻，網(wǎng)格間距為0.01 m。

1.3 邊界條件

計算模型的進(jìn)口邊界條件選用速度入口邊界條件；計算模型的出口邊界條件選用自由出流邊界條件，與大氣相通，出口壓力為大氣壓值，水面為自由界面，沒有剪切和滑移速度；計算模型的沉淀室池底與壁面為固壁邊界，定義為無滑移邊界條件，對粘性底層采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來求解近壁區(qū)域的流動。

1.4 計算模型

微灌用新型沉沙池在傳統(tǒng)沉沙池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的措施為在沉沙池與漸變段相連接部位設(shè)置調(diào)流板及在溢流堰上沿水流方向增設(shè)溢流槽。

設(shè)置調(diào)流板可以將渠道流入的具有較大動能和紊動強度的水調(diào)節(jié)成具有較小動能和紊動強度的水，使水流流速減小并且均勻分布；增設(shè)溢流槽可以增加溢流長度，并充分降低溢流堰的堰上水頭，只讓表層含沙量很低的水溢出，大大提高沉沙池的沉沙效率［4］。

1.4.1 調(diào)流板布置形式

調(diào)流板的布置形式如圖1所示。

圖1 調(diào)流板布置示意圖Fig.1 The arrangement schematic plot of the adjusted distribution of flow field

1.4.2 微灌用梯形斷面沉沙池

微灌用梯形斷面沉沙池物理模型由進(jìn)水段、沉淀室段和集水區(qū)三部分組成，調(diào)流墻設(shè)置在工作段首部0.4 m處。

沉沙池模型剖面圖如圖2所示，梯形沉沙池二維簡化模型如圖3所示。

圖2 梯形沉沙池模型剖面示意圖Fig.2 The profile schematic plot of the trapezoid sand basin model

圖3 梯形沉沙池二維簡化模型示意圖Fig.3 The simplify t wo dimension schematic plot of the trapezoidsand basin model

2 計算結(jié)果與分析

2.1 Simple算法

本模型采用Si mple算法求解新型沉沙池的水力特性。

Si mple算法是一種主要求解不可壓流場的數(shù)值方法，也可用于求解可壓流動。該算法核心是采用“猜測—修正”的過程，其基本思想是：對于給定的壓力場（可以是假定值或者上一次迭代計算所得到的結(jié)果），求解離散形式的動量方程，從而得出速度場。

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 殘差控制圖

殘差是一個判斷結(jié)果收斂的重要標(biāo)準(zhǔn)，其值越小表示計算的精度要求越高，迭代次數(shù)越多，流場越平穩(wěn)，模擬的流場流態(tài)就越接近真實的流態(tài)，但是迭代次數(shù)達(dá)到某一較大值之后，迭代次數(shù)的改變對模擬結(jié)果沒有太大影響。

本文采用湍流模型對新型沉沙池內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行模擬，入水口流速為0.1／s，入池流量Q＝9.45 L／s，殘差控制在10－3數(shù)量級，迭代次數(shù)為550次，殘差曲線如圖4所示。

圖4中，continuity曲線是質(zhì)量守恒方程的反映，即連續(xù)性殘差；x-vel ocity曲線與y-vel ocity曲線分別為x與y方向速度的殘差曲線；k曲線與epsil on曲線為k-epsil on雙方程模型（k-ε兩方程湍流模型）的殘差曲線。

由圖4可見：梯形沉沙池的殘差曲線在0～100次之間有一定幅度的波動，隨后殘差曲線沒有大幅度的波動，表明流場迭代趨于平穩(wěn)，此時模擬流場中的水流運動更能接近實際水流流動特性。

圖4 梯形沉沙池550次迭代后殘差曲線圖Fig.4 The residual value after 550 iterations curve chart of schematic plot of the trapezoid sand basin

2.2.2 水流流態(tài)

梯形沉沙池速度等值線如圖5所示。

由圖5可以看出：水流進(jìn)入沉沙池后，如果紊動劇烈，那么泥沙在池內(nèi)運移的距離大，不利于泥沙的沉降。在沉沙池首部設(shè)置調(diào)流墻后，可以對水流流態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使流速分布更加均勻，更有利于泥沙的沉降。在整個沉降區(qū)域內(nèi)，入口處速度值達(dá)到7.69 c m／s，在經(jīng)過調(diào)流板調(diào)節(jié)后，沉淀室內(nèi)的流速值整體降至約2.56 c m／s，整體流速值較穩(wěn)定，沒有較大的波動，對泥沙的沉降很有利。

圖5 梯形沉沙池速度等值線圖Fig.5 The velocity isoline graph of the trapezoid sand basin

梯形沉沙池內(nèi)速度矢量分布圖如圖6所示。

由圖6可以看出：梯形沉沙池內(nèi)速度分布較均勻，整體速度值較低，特別是在接近出口處的一段距離速度值達(dá)到最低值，在池底部靠近池壁的地方速度方向基本與池壁保持平行，在出口處避免了回流區(qū)的出現(xiàn)，有效提高了泥沙的沉降效率。

圖6 梯形沉沙池速度矢量分布圖Fig.6 The velocity vector quantity scattergram of the trapezoid sand basin

2.2.3 流函數(shù)等值線圖

新型沉沙池內(nèi)流函數(shù)等值線圖如圖7所示。

由圖7可以看出：在梯形沉沙池入口處的漩渦明顯小于矩形沉沙池，相對能量減小，對周圍水流的影響也減弱，而在出口處的右下方，基本避免了漩渦的產(chǎn)生，使出池水流流速平穩(wěn)，可以有效提高泥沙的沉降效率。沉沙池中部的流速分布比較均勻，流態(tài)為層流，較穩(wěn)定，有利于泥沙的沉降。

圖7 梯形沉沙池流函數(shù)等值線圖Fig.7 The stream function isoline graph of the trapezoid sand basin

2.2.4 與實測結(jié)果相比較

河水一般由渠道經(jīng)漸變段流入沉沙池，渠道的截面寬度要比沉沙池的截面寬度小許多，若不采取工程措施，水由渠道直接進(jìn)入沉沙池后，容易在沉沙池中間形成主流，兩側(cè)形成回流，造成水流流速分布不均勻，并且紊動比較大，不利于泥沙的沉淀［3］。新型沉沙池在工作段的首部設(shè)置調(diào)流板，使水流流速分布更均勻。

圖8為物理模型試驗實測流量為9.45 L／s時梯形沉沙池沿程速度分布圖。

圖8 流量為9.45 L／s時沿程流速分布圖ig.8 The way velocity scattergram when the flow is 9.45 l／s

圖8 中3條曲線為距模型一側(cè)邊壁的距離為30、60、90 c m時沿程速度分布曲線，X軸為距調(diào)流板的距離，假設(shè)向水流方向為正方向，則逆流方向為負(fù)，Y軸為水流流速。

由圖8可以看出：初進(jìn)沉沙池時中部水流流速為最大值10.87 c m／s，距左側(cè)30 c m時流速為10.31 c m／s，60 c m時流速為8.15 c m／s，在經(jīng)過調(diào)流板的調(diào)節(jié)作用后，速度均減慢，至池末速度最小值達(dá)到2.93 c m／s，且隨著與調(diào)流板的距離增加，流速分布都較為平穩(wěn)，只有邊壁處流速出現(xiàn)波動值。

圖5、圖6的模擬結(jié)果顯示：梯形沉沙池整個沉降區(qū)域內(nèi)速度值較低，入口處速度值達(dá)到7.69 c m／s，沉淀室內(nèi)的流速值基本達(dá)到2.56 c m／s，且數(shù)值變化不大，整體流速較穩(wěn)定，與實測結(jié)果基本一致。

綜上所述，梯形沉沙池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定，速度值分布均勻，可以有效提高沉沙池的沉降效率，有利于泥沙的沉降。

3 結(jié)論

微灌用新型沉沙池在傳統(tǒng)沉沙池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在沉沙池首部增設(shè)調(diào)流板來對入池水流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及在沉沙池溢流堰部位加設(shè)溢流槽來降低出池水頭，最終達(dá)到降低出池含沙量的目的。

本文以新型微灌用梯形沉沙池為計算模型，利用k-ε兩方程湍流模型，采用Si mple求解方法，借助大型流體力學(xué)軟件FLUENT，對新型微灌用梯形沉沙池內(nèi)的水力特性進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

1）研究結(jié)果表明，新型微灌用梯形沉沙池流速值整體較低，數(shù)值變化不大，且整個沉淀室流速值較穩(wěn)定，基本避免了入口處及出口處漩渦的產(chǎn)生，可以有效提高沉沙池的沉降效率，有利于泥沙的沉降。

2）實測結(jié)果表明，梯形沉沙池水流初進(jìn)沉沙池時速度較大，在經(jīng)過調(diào)流板調(diào)節(jié)作用后，速度分布較為平穩(wěn)，只有邊壁處出現(xiàn)波動值，模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。

3）采用湍流模型對沉淀室內(nèi)水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，在進(jìn)行物理試驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上用數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗證，可以更精確、更有效地得到結(jié)論，有助于沉沙池設(shè)計的準(zhǔn)確性和合理性，數(shù)值模擬方法能夠作為試驗的補充方法對工程實際應(yīng)用提供依據(jù)。

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The Numerical Si mulation of Hydraulic Characteristics of a New Type Grit Chamber Used f or Micro-irrigation

ZHENG Si min，TANG Hua，AN Jie
（College of Water ＆ Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

The k-εtur bulence model and Si mple solution method with the lar ge-scale hydro mechanics soft ware-Fluent are applied to si mulate the hydraulic characteristics of a new type trapezoid sand basin in micro-irrigation，and analysis on the si mulation result are perfor med.The results show that the overall flow velocity value of the new type trapezoid sand basin is relatively low and its value also showed less variation，and the flow velocity value in whole settling chamber is relatively stable and the vortex can be avoided in the entrance and exit，which can also i mprove t he settling efficiency of the sand basin and more conducive to sedi ment settlement.

new type sand basin；nu merical si mulation；hydraulic characteristics；flow patter n；sedi ment settlement

TV673.1

A

1007-7383（2011）04-0490-05

2010-00-00

國家自然科學(xué)基金項目（50869008）

鄭思敏（1986-），女，碩士研究生，專業(yè)研究方向為工程水力學(xué)；e-mail：zhengsi min321＠163.com。通訊作者：湯驊（1968-），男，副教授，從事工程水力學(xué)研究；e-mail：thlx＠shzu.edu.cn。