大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應(yīng)用

李東平

(中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，濟(jì)南 250014)

0 引 言

由于我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)的水資源分布呈現(xiàn)出極大的不均勻性，因此農(nóng)業(yè)用水的輸送就成為了亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)對(duì)于水資源貧乏區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水主要采用管道輸送的方式，即將水資源泛濫流域的水通過(guò)長(zhǎng)距離管道輸送到水資源短缺的流域，這樣不僅可以減少被輸送區(qū)域泛濫的水資源，另一方面還可以解決輸送區(qū)域的缺水問(wèn)題。在水利灌溉管網(wǎng)中，由于重力加速度的影響，管壁內(nèi)部的水流通常具有一定的沖擊力，會(huì)對(duì)管壁造成壓力。因此，管網(wǎng)內(nèi)部經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)阻力損失，尤其是彎頭部位。由于阻力特性的影響，該區(qū)域受到的水流阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他管壁處，也是管道內(nèi)部最易損壞的區(qū)域。為減少管壁壓力，本文設(shè)計(jì)大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應(yīng)用方法。

文獻(xiàn)[1]以長(zhǎng)距離的輸水管道壓力出發(fā)，在跨流域調(diào)水工程中提出了管網(wǎng)的綜合設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)了我國(guó)的水利工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]通過(guò)Flowmaster仿真軟件，模擬了輸水管道在分叉型案例中的數(shù)值關(guān)系，分析輸水管壁的孔隙大小、分叉角度、管壁泄流特性等參數(shù)，將閥門末端的壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為衰減速度不一致的分叉泄流重力，促成了壓力幅值關(guān)系式的完善。文獻(xiàn)[3]結(jié)合三維圖形技術(shù)，避免了壓力信號(hào)對(duì)外界造成的影響，并將管道壓力轉(zhuǎn)化為衰減波，完成了圖形圖案的信號(hào)轉(zhuǎn)化。本文基于以上文獻(xiàn)，綜合分析PVC-M管的管壁厚度以及彎頭角度對(duì)管壁沖擊力的影響，并提出可以減緩管壁壓力的管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。

1 大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應(yīng)用研究

1.1 建立大口徑給水用PVC-M管道水力方程

聚氯乙烯(PVC)材料是我國(guó)使用最為廣泛的一種塑料材料，該塑料制品制作成的管材在建筑、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域均有十分廣泛的用途[4]。在計(jì)算PVC管道內(nèi)的水力損失時(shí)，可以將沿水頭方向的損失系數(shù)作為水利分區(qū)的求解公式：

(1)

式中：Gf為液體在管道內(nèi)從一個(gè)方向流向另一個(gè)方向的動(dòng)能；Qf為長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)內(nèi)，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)能量；gw1-i為測(cè)壓管水頭自第1個(gè)節(jié)點(diǎn)向第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)距離輸水線；ΔPi為水流動(dòng)能的功率差；Δt為水流在管道內(nèi)流動(dòng)的總時(shí)間；vi和vf分別為彎頭兩側(cè)的水流流速；Di和Df則分別為彎頭兩側(cè)水壓；zi為節(jié)點(diǎn)管線瞬變流初值；di為單管輸水流量[5]。

此時(shí)可以依據(jù)差值矩形網(wǎng)格(圖1)，計(jì)算未知量的基本邊界條件。

圖1 差值矩形網(wǎng)格

圖1中，在求解未知量的近似值時(shí)，將初始時(shí)刻O作為均值的邊界點(diǎn)，將B點(diǎn)作為管路的瞬變流端點(diǎn)的一端，將A點(diǎn)作為瞬變流端點(diǎn)的另一端，以C為端點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)的頂點(diǎn)[6-7]。將管路中的閥門作為內(nèi)邊界，可以得到閥門孔口流動(dòng)示意圖，見圖2。

圖2 閥門孔口流動(dòng)示意圖

圖2中，左側(cè)的A區(qū)域表示閥門前方的管線孔口，右側(cè)的B區(qū)域表示閥門后方的管線孔口，上方的C1和C2區(qū)域表示閥門中心的孔口。此時(shí)孔口內(nèi)正向流動(dòng)的水資源流量模型為：

(2)

式中：YC1和YC2分別為接近閥門前端與閥門后端的水頭流速；Fc和Fk為閥門中心孔口位置的邊界參數(shù)；WC1和WC2分別為管道上游與下游在節(jié)點(diǎn)處的流量；λf為水與管道的摩擦系數(shù)；F0為水災(zāi)管道內(nèi)的碰撞邊界條件；ΔY0為管道閥門前端與后端水頭流速的差值[8-9]。

基于以上方法，可以建立一個(gè)大口徑給水用PVC-M管道水力方程。

1.2 計(jì)算農(nóng)田水利灌溉流量

現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，在保證產(chǎn)量的前提下，離不開水利灌溉。而在水利灌溉過(guò)程中，就一定會(huì)使用塑膠管道作為水資源的運(yùn)輸通路。在保證省時(shí)、節(jié)水、節(jié)能的基礎(chǔ)上，大口徑給水管在農(nóng)田水利灌溉中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。使用大口徑給水管道灌溉農(nóng)田，需要提前計(jì)算好農(nóng)田水利的灌溉總量，以制定因地制宜的灌水方案，既能夠保證農(nóng)田水利灌溉的有效性，還可以在一定程度上保護(hù)大口徑管道，延長(zhǎng)其使用壽命[10-11]。灌溉前，需要提前確定好當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、土壤環(huán)境、農(nóng)業(yè)技術(shù)以及作物種類，再以此計(jì)算本年度需要在農(nóng)田中灌溉的水量多少以及最佳的流量單位，制定好灌水方案，包括灌水次數(shù)、管道流量、灌水定額等。見表1。

表1 農(nóng)田水利灌水參數(shù)

根據(jù)表1中的農(nóng)田水利灌水參數(shù)，可以得到灌水次數(shù)、管道流量、灌水定額的計(jì)算公式：

(3)

式中：Wg為灌水定額；fg為一年內(nèi)的灌水次數(shù)；Qg為管道流量；Hp為干層土壤與濕潤(rùn)土壤的容重比；αmax和αmin分別為當(dāng)?shù)赝寥篮畬拥纳舷夼c下限；Et為該農(nóng)作物種類在一段時(shí)間內(nèi)所需要的灌溉水量；kn和Nd分別為該管道控制范圍內(nèi)的灌溉水口數(shù)量與整個(gè)系統(tǒng)的灌溉水口數(shù)量；Q0為系統(tǒng)的總水流量[12]。

通過(guò)式(3)，可以直接得到農(nóng)田水利灌溉流量以及大口徑給水管所承受的壓力。

1.3 設(shè)計(jì)大口徑給水管網(wǎng)布設(shè)方法

設(shè)計(jì)大口徑的給水管網(wǎng)絡(luò)，需要選擇與布置相符的管徑與材料。本文使用的是給水用抗沖改性PVC-M管，具備優(yōu)秀的負(fù)載能力與抗開裂能力，同時(shí)還有強(qiáng)大的抗沖擊性與堅(jiān)韌性。這些性能體現(xiàn)在灌溉水管上，可以延長(zhǎng)給水管的使用壽命，保證農(nóng)田水利工程不需要經(jīng)常更換管路以及開挖施工，極大地提高了PVC-M管的經(jīng)濟(jì)效益[13-14]。在給水管網(wǎng)內(nèi)部，彎頭連接處是最易受損的部位，為更好地保護(hù)大口徑給水管的安全性能，設(shè)計(jì)圖3所示的技術(shù)路線。

圖3 數(shù)值模擬方法

圖3中，將彎頭連接分為90°彎頭與45°彎頭兩種，除此以外還有135°彎頭、60°彎頭、25°彎頭等少數(shù)角度，本文不作論述。建立不同角度管壁的水力沖擊模型，并相應(yīng)地設(shè)定邊界條件。分別在該模型下計(jì)算局部阻力系數(shù)、水流能量損耗、管徑比與阻力系數(shù)之比、彎頭處能量損失等，然后通過(guò)以上公式總結(jié)阻力規(guī)律，得到最終的數(shù)值模擬解析值[15]?；谠摲椒ǎ梢曰谌我鈼l件得到大口徑給水管網(wǎng)的布設(shè)方法。

2 實(shí)例分析

2.1 工程實(shí)例方案

引大濟(jì)湟工程主要是從大通河中將水資源引入湟水之中，是十分典型的跨流域水資源調(diào)用工程，目的是將水資源較為豐富區(qū)域的水流通過(guò)管道傳輸?shù)剿Y源較為貧瘠的區(qū)域。該工程主要包括“一總、兩庫(kù)、三干渠”，年調(diào)水量可以達(dá)到 7.5×108m3，工程完成后，可以在黃河流域完成超過(guò)6.667×104hm2田地的灌溉。在該工程中，水資源的運(yùn)輸主要通過(guò)大口徑的給排水管道。本文使用大口徑給水用抗沖改性PVC-M管作為水資源流動(dòng)的載體，通過(guò)計(jì)算管網(wǎng)水力的安全與經(jīng)濟(jì)，盡量減少水資源在管道內(nèi)的能量損耗以及連接處的沖擊力。尤其是在管道的彎頭處，由于調(diào)動(dòng)水資源的管道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些分支或轉(zhuǎn)彎，以改變水流方向，因此大口徑給水用抗沖改性PVC-M管中的彎頭是必不可少的，此處也是該管道中最易受到力學(xué)沖擊的地方。

在該工程實(shí)例中主要存在兩種轉(zhuǎn)彎趨勢(shì)，分別為90°角和45°角。為測(cè)試兩種轉(zhuǎn)彎處的彎頭受力結(jié)果，布置圖4所示的彎頭試驗(yàn)方案，分別對(duì)90°彎頭與45°彎頭進(jìn)行受力效果的分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置

在實(shí)驗(yàn)布置圖中，有兩個(gè)水資源的存儲(chǔ)池，其一為恒壓水池，位于試驗(yàn)場(chǎng)地的上游，通過(guò)保持水池壓力的恒定，令水流以相同的壓力不間斷地流向止水閥方向。經(jīng)過(guò)電磁流量計(jì)后，兩側(cè)此時(shí)水流速度及其他參數(shù)，分別通過(guò)90°彎頭與45°彎頭。然后通過(guò)一段回流的管道流向蓄水庫(kù)，在此管道上有一個(gè)水流數(shù)據(jù)采集裝置。水庫(kù)位于試驗(yàn)場(chǎng)地的下游，其中的水資源通過(guò)水泵回流給初始的積水池，令積水池內(nèi)的水保持對(duì)下游壓力的恒定性。

2.2 數(shù)值模擬與模型計(jì)算

為減小上下游邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響，不僅需要在彎頭與電磁流量計(jì)前方放置一個(gè)止水閥，還需要采用GAMBIT軟件，通過(guò)數(shù)值分析的方式，劃分兩種彎頭模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。在四面體網(wǎng)格元素內(nèi)，使用Tgrid作為流體流向的壓力格式。通過(guò)網(wǎng)格的數(shù)值模擬，可以得到流體在彎頭階段的壓力損失位置，因此需要在彎頭附近加密模型數(shù)據(jù)，以保證其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于在引大濟(jì)湟工程中使用大口徑給水用抗沖改性PVC-M管道，因此水流管道的口徑最小為110 mm，為對(duì)比不同口徑對(duì)流體流動(dòng)參數(shù)的影響，將管道的口徑設(shè)置為110、130、150和190 mm。其中，DN110彎頭模型所生成的網(wǎng)格數(shù)量為42.3萬(wàn)，DN130彎頭模型生成的數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)量約為49.6萬(wàn)，DN150和DN190彎頭模型所生成的數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)量分別為56.5萬(wàn)和71.2萬(wàn)。讀入網(wǎng)格文件，并計(jì)算其FLUENT解析式，選擇壓力求解器作為隱式算法的三維模型。若絕對(duì)速度不支持近壁區(qū)壁面的平均水流速度，則管道壁面可以設(shè)置為自由出流的模式，即outflow。若絕對(duì)速度支持近壁區(qū)壁面的平均水流速度，則管道壁面需要設(shè)置為定向出流模式，即wal1。

在特定的管道內(nèi)，阻力系數(shù)一般與水的流動(dòng)形態(tài)有關(guān)，分別測(cè)試彎頭上下游管道內(nèi)的幾個(gè)斷面，并分別稱之為上游斷面、中間斷面、下游斷面，見圖3中傳感器測(cè)量的3個(gè)節(jié)點(diǎn)所示。其中各測(cè)點(diǎn)的壓力精度均采用0.1%的硅壓阻壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)前需要首先標(biāo)定壓力傳感器的度數(shù)，在保證數(shù)據(jù)采集精度的前提下，穩(wěn)定電源電壓。在計(jì)算流體阻力時(shí)，需要首先計(jì)算局部阻力系數(shù)，并將阻力系數(shù)與流體模型相連接，得到雷諾數(shù)的參數(shù)特性。計(jì)算每個(gè)斷面的能量損失，方程為：

(4)

通過(guò)以上公式與模型，模擬不同彎頭下雷諾數(shù)與局部阻力系數(shù)的關(guān)系，并得到在90°彎頭與45°彎頭下的最佳管徑。

2.3 局部阻力系數(shù)數(shù)值模擬

水溫越高，水分子運(yùn)動(dòng)速度越快，對(duì)管壁的沖擊力就越大。因此，選擇20℃作為本次實(shí)驗(yàn)的溫度，計(jì)算4種管壁直徑下局部阻力系數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

圖5 不同管徑彎頭下局部阻力系數(shù)

在90°彎頭的數(shù)值模擬中，所有口徑下局部阻力系數(shù)均以相同的趨勢(shì)變化。隨著雷諾數(shù)的增加，局部阻力系數(shù)逐漸趨向于平緩，且各管徑之間的最終數(shù)值差距較小。局部阻力系數(shù)越大，證明該斷面處能量損失越少，即管壁壓力較小，且90°彎頭在同等管徑下所得局部阻力系數(shù)明顯大于45°彎頭。因此可知，水管中的水在DN110的管壁中運(yùn)動(dòng)造成的能量損失大于DN190管壁。可見在農(nóng)田水力灌溉過(guò)程中，可以盡量選擇口徑較大的水管，并在安設(shè)農(nóng)田水利灌溉管網(wǎng)時(shí)，盡量布設(shè)直角彎，使用90°彎頭。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應(yīng)用方法，分析了不同口徑以及不同彎頭角度的管壁對(duì)水流沖擊作用的抵抗能力，依據(jù)水力方程以及農(nóng)田灌溉公式，得到了針對(duì)大口徑給水管網(wǎng)布設(shè)的數(shù)值模擬方法。在實(shí)驗(yàn)中，綜合對(duì)比不同管壁直徑以及彎頭角度下管徑中受到的應(yīng)力，分析最佳布設(shè)角度。通過(guò)本文方法，能夠大幅度增加大口徑給水管的使用年限，增大其壽命，減少施工成本。