基于FLUENT的山丘區(qū)規(guī)?；喔裙芫W(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

趙彥琳，張宇峰

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

我國(guó)約有2/3是山區(qū)，遍及西南、西北、東北及華東、華中、華南等地。山丘區(qū)灌溉具有沿線地形變化大，用水點(diǎn)多且分散，管網(wǎng)高差變化大，管網(wǎng)壓力和出口流量分布不均勻等特點(diǎn)。山丘區(qū)節(jié)水灌溉起步較晚，灌溉系統(tǒng)規(guī)劃不合理，設(shè)計(jì)難度大成為山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。規(guī)?；喔裙芫W(wǎng)系統(tǒng)的研究，其優(yōu)化設(shè)計(jì)所要解決的問(wèn)題主要是在保證所需的壓力和流量均衡的前提下，如何選擇輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)中各組成部分的規(guī)格和尺寸，以獲得最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。蘇保國(guó)[2]結(jié)合紅旗渠灌區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)研究成果，提出了自壓管灌系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速，充分利用水源水頭和坡降產(chǎn)生的水頭提出了自壓管灌樹(shù)狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，但所需干管直徑較大，對(duì)出水口耐久性要求較高。張峰等[3]針對(duì)丘陵山區(qū)重力式供水管網(wǎng)運(yùn)行可靠性差的問(wèn)題，進(jìn)行了增設(shè)減壓儲(chǔ)水裝置的優(yōu)化對(duì)比分析，表明減壓裝置在山丘區(qū)具有較好強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性；在研究規(guī)?；喔裙芫W(wǎng)的數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均作了眾多有益的探索[4-7]。關(guān)于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，大多以平原地區(qū)的工程實(shí)例為主，針對(duì)于山丘區(qū)工程設(shè)計(jì)的研究工作較少。已有的管網(wǎng)優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)計(jì)算工作量很大，且優(yōu)化方案缺少相應(yīng)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。本文利用FLUENT流體力學(xué)軟件[8-10]設(shè)定灌溉系統(tǒng)的工況參數(shù)，對(duì)山丘區(qū)灌溉系統(tǒng)的加壓模式、總體布局和輪灌區(qū)的劃分進(jìn)行模擬運(yùn)算，對(duì)比分析數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)計(jì)算的出水口狀態(tài)，確定模擬軟件用于山丘區(qū)管網(wǎng)研究有效可行，為進(jìn)一步山丘區(qū)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供新的思路。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 紊流模型

曹彪等[11]運(yùn)用RNGk-ε紊流模型，對(duì)不同流速條件下管道中流體的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了灌溉管網(wǎng)中變徑段獨(dú)特的水流特性及能量耗散機(jī)理。據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)[12-14]，本文亦采用RNGk-ε紊流模型，對(duì)安良水庫(kù)灌區(qū)管網(wǎng)運(yùn)行條件下進(jìn)行壓力流量特性模擬研究。采用N-S方程建立灌溉管網(wǎng)水流的紊流模型，其控制方程如下。

(1) 連續(xù)性方程：

(1)

(2) 動(dòng)量方程

(2)

(3)k方程

(3)

(4)ε方程

(4)

(5)α方程

(5)

式中：t為時(shí)間變量，s；ui為速度分量，m/s；xi為坐標(biāo)分量；ρ為密度，kg/m3；μ為分子黏性系數(shù)；p為壓力，kPa；ut為紊流黏性系數(shù)；G為紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，可由下式計(jì)算：

(6)

(7)

式中：Cμ，σk，σε，C1，C2均為紊流常數(shù)。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件選擇

管網(wǎng)簡(jiǎn)化模型由CAD創(chuàng)建，并導(dǎo)入Gambit中劃分網(wǎng)格。由于管道較長(zhǎng)，管段網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.1 m(見(jiàn)圖1)，節(jié)點(diǎn)和出口處局部加密，長(zhǎng)度為0.005 m(見(jiàn)圖2)，不同輪灌組的網(wǎng)格數(shù)均在20萬(wàn)左右。入口設(shè)為速度入口，分別為各輪灌組干管入口的設(shè)計(jì)流速。把由地勢(shì)高差引起的壓力水頭，等效疊加到入口壓力水頭的設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)通過(guò)建立二維模型對(duì)山丘區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬；同時(shí)設(shè)定湍流強(qiáng)度為0.03，水力直徑為0.355 m；所有出口均設(shè)為自由出流；湍流模型選用k-ε模型，穩(wěn)態(tài)過(guò)程；考慮到建立的管網(wǎng)模型較為細(xì)長(zhǎng)，采用雙精度解算器；選擇非耦合式隱式算法進(jìn)行求解。

圖1 管段網(wǎng)格劃分示意圖

圖2節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格加密示意圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

漢陰縣安良水庫(kù)灌區(qū)地貌主要分為河谷階地、丘陵及中高山三大類(lèi)型，地面高程在海拔292 m～500 m之間，從安良水庫(kù)放水涵洞至項(xiàng)目區(qū)的落差為69.96 m，為典型山丘區(qū)灌溉管網(wǎng)。耕地面積954.53 hm2，其中水田528.67 hm2，土層深厚，基本農(nóng)田多，是安康市重要的糧油主產(chǎn)區(qū)。土壤性質(zhì)以中壤土為主，土壤密度為1.5 g/cm3，主要種植作物為玉米和油菜。結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植作物、地形特點(diǎn)、水源水質(zhì)條件、投資等因素，本工程采用管道輸水灌溉方式。

2.2 輸配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)

依據(jù)規(guī)范[15]，綜合考慮項(xiàng)目區(qū)的作物組成、灌水方法和經(jīng)濟(jì)效益等因素，進(jìn)行管網(wǎng)布設(shè)(見(jiàn)圖3(a))，為了建模方便，在管網(wǎng)平面布置圖的基礎(chǔ)上，做相應(yīng)的線性簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖3(b))。結(jié)合灌溉流量分配原則，并使得同一輪灌組內(nèi)的管道高程盡量接近，劃分為5個(gè)輪灌組。其中干管的水力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 管網(wǎng)平面布置及簡(jiǎn)化模型

3 FLUENT數(shù)值模擬及對(duì)比分析

3.1 調(diào)壓池布設(shè)

丘陵山區(qū)灌溉管網(wǎng)上布設(shè)調(diào)壓池裝置，可有效地可削減管道內(nèi)的工作水頭，又可儲(chǔ)水調(diào)節(jié)管網(wǎng)流量，從而減小所選供水管道的工作壓力和管徑以降低工程投資，提高供水保證率和節(jié)省供水成本。減壓儲(chǔ)水調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分裝置的結(jié)構(gòu)、地理位置的選擇、容積大小的設(shè)計(jì)以及裝置數(shù)量的確定。調(diào)壓池布置高程按下式計(jì)算：

Hc=h+∑h1+∑h2+H0-h0

(8)

式中：Hc為設(shè)置調(diào)壓池處的設(shè)計(jì)地面高程，m；h為管網(wǎng)下游控制點(diǎn)要求的最小服務(wù)水頭，m；∑h1為調(diào)壓池至控制點(diǎn)各級(jí)管道的沿程水頭損失，m；h0為調(diào)壓池最低水位到安裝位置地面的高度，m；∑h2為調(diào)壓池至控制點(diǎn)各級(jí)管道的局部水頭損失，m；H0為控制點(diǎn)的地面高程，m。

3.2 輸水管壓力模擬分析

輸配水管網(wǎng)最大高差為69.96 m，節(jié)點(diǎn)1水壓標(biāo)高361.4 m，原項(xiàng)目區(qū)并未布置調(diào)壓池。給水栓處的出流水頭設(shè)計(jì)值一般為0.3 m～1.2 m[15]，每隔50 m設(shè)給水栓，則支管出水口壓力水頭應(yīng)在10 m～20 m之間。輪灌組4所在區(qū)域高程介于329.91 m～335.53 m之間，高差較小，減去水頭損失，出口壓力介于16.91 m～17.52 m之間，滿足要求。但其它輪灌組高差較大，出水壓力均高于30 m水頭，于實(shí)際應(yīng)用不利。由式(8)計(jì)算結(jié)果，擬在節(jié)點(diǎn)1高程341 m的位置處和節(jié)點(diǎn)8高程328 m的節(jié)點(diǎn)處布設(shè)調(diào)壓池，進(jìn)而消減山丘地形大高差引起的管道壓力。典型節(jié)點(diǎn)調(diào)壓前后壓力模擬圖見(jiàn)圖4。并對(duì)原項(xiàng)目區(qū)(無(wú)調(diào)壓池)(見(jiàn)圖5)和擬建兩處調(diào)壓池(見(jiàn)圖6)兩種情況分別對(duì)干管節(jié)點(diǎn)工作壓力進(jìn)行模擬對(duì)比分析。

圖4典型節(jié)點(diǎn)調(diào)壓前后壓力模擬圖

原工程設(shè)計(jì)無(wú)調(diào)壓池，各輪灌組入口壓力水頭取設(shè)計(jì)值40 m，干管各節(jié)點(diǎn)壓力模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合良好，由于地勢(shì)起伏較大，節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7輸水區(qū)間平均高程330 m，為本設(shè)計(jì)實(shí)例管網(wǎng)灌溉的最高區(qū)域，輸水壓力水頭均低于20 m，其余管段壓力水頭均高于30 m(見(jiàn)圖5)；有調(diào)壓池的情況，模擬結(jié)果仍然擬合良好，且由于調(diào)壓池的布置，在節(jié)點(diǎn)5～7以外的位置處，降低了由于地形較低引起的高水頭，消除了由于地形變化而引起的壓力突變，壓力水頭基本都降低至20 m以下，且隨著輸水距離的增加，水頭有明顯遞減趨勢(shì)，和水頭損失的數(shù)值大小基本相符，說(shuō)明調(diào)壓池的布設(shè)，對(duì)山丘區(qū)落差較大的輪灌組管道壓力具有有效的調(diào)節(jié)和均衡作用(見(jiàn)圖6)。

3.3 流量模擬對(duì)比分析

所建立的5個(gè)輪灌組模型中(見(jiàn)圖7)，包括了工程中常見(jiàn)的管道L型、T字型、十字型等布設(shè)型式，對(duì)各輪灌組單獨(dú)進(jìn)行流量模擬，均能收斂。輪灌組1～5模擬流量值和設(shè)計(jì)流量值的相對(duì)誤差最大值分別為7.25%、3.23%、7.43%、10.77%和5.91%(見(jiàn)表2)，總體吻合度較高。經(jīng)分析，模擬誤差的大小，與該輪灌組的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和總管長(zhǎng)有關(guān)，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)量是主要因素。輪灌組1、2布置形式相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)有2個(gè)，模擬精度也較高，且輪灌組2總長(zhǎng)度小于輪灌組1，所以輪灌組2的模擬精度更高；輪灌組3、4節(jié)點(diǎn)都有4個(gè)多且總管長(zhǎng)較長(zhǎng)，模擬誤差會(huì)相應(yīng)增大，符合一般規(guī)律。

圖5 無(wú)調(diào)壓池干管工作壓力模擬值

圖6有調(diào)壓池干管工作壓力模擬值

4 結(jié) 論

(1) 用CAD創(chuàng)建山丘區(qū)管網(wǎng)的簡(jiǎn)化模型，導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用雙精度解算器進(jìn)行求解，把由地勢(shì)高差引起的壓力水頭，等效疊加到入口壓力水頭的設(shè)計(jì)值，比較有效地解決了用二維模型模擬山丘區(qū)細(xì)長(zhǎng)管網(wǎng)的問(wèn)題。

(2) 管網(wǎng)工程實(shí)例的模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算的壓力和流量值有較好的吻合度，模擬流量值和設(shè)計(jì)流量值的相對(duì)誤差最大值分別為7.25%、3.23%、7.43%、10.77%和5.91%。模擬精度與該輪灌組的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和總管長(zhǎng)有關(guān)，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)量是主要因素。

圖7 各輪灌組模型示意圖

(3) 調(diào)壓池可以有效地解決山丘區(qū)壓力較高和分布不均勻的問(wèn)題。對(duì)原項(xiàng)目設(shè)計(jì)(無(wú)調(diào)壓池)和有調(diào)壓池的情況進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，模擬值和設(shè)計(jì)值吻合良好。

(4) FLUENT軟件可以較準(zhǔn)確地模擬山丘區(qū)灌溉管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)，數(shù)值模擬作為管網(wǎng)優(yōu)化研究的工具，能大大提高管網(wǎng)流態(tài)計(jì)算的效率，可以通過(guò)建?？焖儆?jì)算并驗(yàn)證管網(wǎng)優(yōu)化方案的合理性，并便于結(jié)合模擬結(jié)果進(jìn)行模型的調(diào)整和重新計(jì)算，可以為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供新的思路。