高含沙水渠道測控一體化板閘測流試驗及其數(shù)值模擬

麥文慧，王紅雨，馬利軍，李星，柴鵬翔

(寧夏大學土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021)

渠道遠程自動測控一體化閘門是實現(xiàn)灌區(qū)信息化管理的關鍵設備，對于實現(xiàn)灌區(qū)精確配水、科學調(diào)度和信息化管理具有重要作用[1].為此，國內(nèi)學者研究開發(fā)了一些現(xiàn)代化閘門測控產(chǎn)品，張從鵬等[2]基于ARM的硬件平臺，設計開發(fā)了閘門終端和控制中心應用軟件，并在不同灌區(qū)的閘門上進行了試驗，結果顯示該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行.史中興等[3]結合移動網(wǎng)絡、智能手機和超聲波等新技術，研發(fā)了灌區(qū)閘門測控一體化設備，并在大型灌區(qū)進行了應用和驗證.相對于國內(nèi)的自動化控制設備，澳大利亞Rubicon公司研發(fā)的全渠道控制設備具有技術先進，使用壽命長等優(yōu)點[4]，已應用于寧夏及周邊地區(qū)，而對于該設備在國內(nèi)其他灌區(qū)的應用情況，也有學者進行了分析.曾國雄[5]通過監(jiān)測試驗和性價比分析，認為Rubicon測控一體化閘門計量精度高，且使用壽命長.宋增芳等[6]分析了疏勒河昌馬南干渠灌區(qū)Rubicon測控一體化閘門的運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于汛期大量泥沙入渠，干擾傳感器正常工作，測得的水位、流量等數(shù)據(jù)精度較差.謝學東等[7]分析了寧夏南山臺揚水灌區(qū)的Rubicon測控一體化閘門的使用情況，認為在高含沙水灌區(qū)，測流系統(tǒng)中的超聲波流量計的適用性、可靠性和穩(wěn)定性等方面都有待于進一步研究與完善.

寧夏南山臺揚水灌區(qū)從黃河引水，含沙量較大，多年來一直采用無喉道量水槽人工觀測計量，通過觀測上下游水位，配以較成熟的一套操作規(guī)程，可以獲得較準確的計算流量.然而，這種傳統(tǒng)測流設備和方法卻難以滿足現(xiàn)代化灌區(qū)自動量水和水量自動控制等目標要求.2015年開始該灌區(qū)受益于節(jié)水配套改造項目的實施，在干渠沿線安裝Rubicon測控一體化槽閘9臺，測控一體化板閘流量計54臺并配備了Rubicon灌溉系統(tǒng)管理軟件.

為定量分析含沙量對Rubicon測控一體化板閘測流精度的影響，文中進行實地調(diào)研，主要通過走訪灌區(qū)基層技術管理人員、查閱無喉道量水槽和測控一體化板閘的實時測流數(shù)據(jù)，了解含沙量變化以及水位傳感器、測流閘門在不同時期的運行情況.以無喉道量水槽測流結果作為對照，分析測控一體化板閘在汛期渠道水含沙量較大和非汛期渠道水含沙量較小時的測流精度，并利用ANSYS Fluent對測控一體化板閘在不同含沙量情況下的水力性能進行研究，結合其測流原理，分析含沙量對測流精度的影響機制，以便為Rubicon測控一體化板閘在多泥沙渠道中的推廣應用提供決策依據(jù).

1 材料與方法

1.1 測控一體化板閘測流方法

測控一體化板閘是Rubicon公司的研發(fā)成果之一，是集流量計和閘門于一體的自動化控水設備，擁有精確計量流量、高精度控制閘門、全太陽能驅動和無線通訊等功能，采用底部過流的方式，如圖1所示.

圖1 測控一體化板閘示意圖

測控一體化板閘使用Sonaray聲波陣列技術進行測流，如圖2所示.通過8個水平面，在計量箱內(nèi)進行流速采樣，每個計量平面采用超聲波交叉?zhèn)鬏攲υ撈矫嫠辛魉賵霾蓸?，然后通過對水平流速分布進行垂直整合，構成三維流速分布.即通過多路徑橫斷面繪制出流速狀態(tài)，記錄計量箱內(nèi)流速分布的3D形態(tài)，監(jiān)測瞬時流量和總流量，提供精確的用水記錄.

圖2 Sonaray聲波陣列技術原理示意圖

1.2 試驗設計

1.2.1 項目區(qū)概況

南山臺揚水灌區(qū)位于中衛(wèi)市黃河南岸，總灌溉面積1.44萬hm2，主要采用無喉道量水槽進行支渠流量監(jiān)測，難以適應現(xiàn)代化灌區(qū)信息化管理的要求.2015年灌區(qū)安裝測控一體化閘門，實現(xiàn)了干、支、斗等各級渠道量水、配水和輸水的自動化監(jiān)測與調(diào)控，構建了從渠道輸配水到田間用水匹配合理，節(jié)水效果顯著的控制與管理系統(tǒng).

南山臺揚水灌區(qū)利用黃河岸邊的抽水泵站直接從黃河引水灌溉，由于揚水泵站(灌區(qū)水源地)距黃河寧蒙段的下河沿水文測站僅10 km.因此，下河沿水文測站黃河水含沙量資料對南山臺揚水灌區(qū)水源含沙量分析具有重要的參考價值.

根據(jù)下河沿水文站2018年7—10月逐日平均含沙量資料，最大值達到了94.00 kg/m3.2019年，第一次沙峰形成時間為6月27日，含沙量為5.19 kg/m3.第二次泥沙主要為蘭州以上來沙，沙峰形成時間為7月31日9時，沙峰含沙量為7.66 kg/m3[8].考慮從黃河引水到灌區(qū)會經(jīng)過泵站沉沙池的沉淀作用，綜合2018年和2019年含沙量數(shù)據(jù)，在模擬計算時灌區(qū)渠道水最大含沙量取15.00 kg/m3.

根據(jù)黃河多年泥沙資料[9]，粒徑小于0.05 mm的泥沙占比超過70%，且南山臺揚水灌區(qū)引水方式?jīng)]有發(fā)生較大的實質(zhì)性改變，參考1985年干渠淤沙和水源含沙粒徑統(tǒng)計情況[10]，水源中71.8%的懸沙粒徑小于0.05 mm，而干渠淤沙中只有1.5%，因此可以認為，粒徑小于0.05 mm的懸沙基本都通過閘門進入了支渠，故在模擬計算時沙粒粒徑取0.05 mm.

1.2.2 試驗方案

為了驗證測控一體化板閘在高含沙水渠道中的測流精度，利用比較成熟的無喉道量水槽作為對照，對比分析測控一體化板閘分別在汛期和非汛期的測流結果.文中在南山臺揚水灌區(qū)選取了18條無喉道量水槽完好且測流條件較好的支渠，2018年3—11月整個灌溉期，每逢灌水日觀測無喉道量水槽上下游水位，選取對應的數(shù)學模型計算得到無喉道量水槽測流值，并記錄同一時間測控一體化板閘的測流值.

圖3為無喉道量水槽和測控一體化板閘的布置圖，測控一體化板閘距無喉道量水槽30 m，因此，不會影響到無喉道量水槽的測流結果.

圖3 測流平面布置圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

將測控一體化板閘和無喉道量水槽測流數(shù)據(jù)進行對比，以無喉道量水槽測流結果為基準，分析研究含沙量對測控一體化閘門測流精度的影響.采用回歸系數(shù)b，決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE擬合度檢驗指標對2種測流方法分別在汛期(6—10月)和非汛期(11月—次年5月)的測流結果進行對比判斷，回歸系數(shù)b越接近于1.0，說明二者的測流值越接近；決定系數(shù)R2越接近于1.0，說明二者測流結果的有效性越高；均方根誤差RMSE越小，說明2種方法的測流結果更加準確.回歸系數(shù)b計算式為

(1)

決定系數(shù)R2計算式為

(2)

均方根誤差RMSE計算式為

(3)

1.4 數(shù)值模擬模型

1.4.1 模型選擇

ANSYS Fluent軟件中描述多相流的方法有歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法，其中歐拉-歐拉法是目前水沙運動數(shù)值模擬中應用最廣泛的多相流模型，包括體積模型(VOF)、混合模型(Mixture Model)及歐拉模型(Eulerian Model)，歐拉模型是多相流模型中較為嚴格、復雜的模型，完整地考慮了相間耦合、相間滑移及紊流擴散，也參照單相流中對脈動項的模擬方法對顆粒紊流脈動進行模擬[11].

灌溉水經(jīng)沉沙池過濾后，沙粒體積占灌溉水的比率遠小于10%，因此沙粒在明渠中的運動屬于稀相流，選取Eulerian多相流模型可以更真實地模擬含沙水流經(jīng)測控一體化板閘時的水力性能.由于測控一體化板閘閘孔出流屬于湍流，采用湍流RNGk-ε模型使方程閉合.利用Fluent軟件的分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器對各控制方程進行求解，并采用SIMPLE算法對速度和壓力的耦合進行處理，各參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風格式[12].

1.4.2 物理模型和邊界條件設定

閘門尺寸為0.6 m×0.6 m，設置在深0.6 m，寬0.6 m，渠底比降為1∶1 000的矩形支渠中，計量箱長971 mm.由于支渠水流方向與干渠垂直，因此閘前水流速度接近于0，同時在計量箱前設置5 m長的緩沖段，確保水流能夠緩慢進入計量箱內(nèi).坐標原點取在渠道進口斷面渠底中心點處，沿渠道順水流方向為x軸正方向，y軸沿渠寬方向與x軸相交于坐標原點，沿渠底到渠頂為z軸正方向，利用ANSYS ICEM建立測控一體化板閘在矩形渠道中的三維模型.六面體網(wǎng)格單元具有排列整齊，易于收斂的優(yōu)點，故采用六面體網(wǎng)格單元對計算區(qū)域進行分析.采用8 cm×8 cm×8 cm的單元對渠道上下游段劃分網(wǎng)格，閘前計量箱和閘后水流水力條件復雜且為重點觀察對象，因此計量箱和閘后1.5 m處采取加密網(wǎng)格處理[13]，單元格尺寸為4 cm×4 cm×4 cm.

根據(jù)測控一體化板閘的實際運行情況，水流入口設為速度入口邊界條件，沙粒與水流給定相同的流速，上部的氣體入口設為壓力入口，計算前渠道充滿氣體.出口部分給壓力出口邊界條件，渠道的整個底板以及邊墻為固壁邊界，給定無滑移邊界條件，黏性底層采用壁函數(shù)處理，考慮重力作用.

顆粒設為沙粒，密度為2 650 kg/m3.根據(jù)含沙量資料，取顆粒直徑為0.05 mm，含沙量取0，5，10，15 kg/m3共4個水平，收斂精度為 10-4.

2 結果與分析

2.1 流量對比分析

選6條有代表性的支渠進行流量對比分析，如圖4所示.

圖4 測流結果對比

由圖4可以看出，景A-1支渠、彩A-2支渠、達A-1支渠、豐A-2支渠、敬A-1支渠在整個灌溉期中，測控一體化板閘的測流值相對于無喉道量水槽的測流值均偏大，且汛期相對誤差大于非汛期；只有城A-2支渠非汛期的測控一體化板閘測流值小于無喉道量水槽測流值，而汛期的測控一體化板閘測流值仍大于無喉道量水槽測流值.可能是因為汛期灌溉水含沙量較大，影響了測控一體化板閘的測量精度，使其測流結果偏大.

2.2 汛期與非汛期測流結果對比分析

圖5對汛期和非汛期的測流結果進行了對比分析.由圖可知，非汛期的回歸系數(shù)均在0.82～1.24，決定系數(shù)在0.666～0.995，均方根誤差均在0～0.043，汛期的回歸系數(shù)在0.81～1.25，決定系數(shù)均在0.621～0.995，均方根誤差均在0～0.045.相對于汛期，非汛期的回歸系數(shù)和決定系數(shù)更接近于1，均方根誤差更接近于0，表明汛期含沙量較大時，測控一體化板閘測流結果較差，含沙量對其測流精度有一定影響.

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 模型驗證

測控一體化板閘流量計是通過Sonaray聲波陣列技術進行流量監(jiān)測，但其結構形式與傳統(tǒng)平板閘門相同，故出流的水流狀態(tài)相同.文中利用ANSYS Fluent對閘孔開度為0.1，0.2 m時，不同閘前水位所對應清水的出流量進行模擬，將模擬結果與前人對傳統(tǒng)閘門的研究成果以及測控一體化板閘實測結果進行對比來驗證模型的可靠性.

儒可夫斯基應用理論分析方法對閘后收縮斷面進行了分析，得出在無側收縮的條件下平板閘門的垂直收縮系數(shù)ε2與閘孔相對開度e/Ho的關系[14].

利用所建模型模擬平板閘門過流的水面線，得到收縮斷面水深并計算出垂直收縮系數(shù)，并通過查表得到對應閘孔開度的理論垂直收縮系數(shù)，將模擬值ε2s與理論值ε2c進行對比分析，結果見表1,表中e為閘孔開度，Ho為閘前水位，Hc為收縮水深.從表中可以看出，垂直收縮系數(shù)模擬值ε2s與理論值ε2c差別較小，最大誤差δ為7.23%.

閘孔出流的流量可按閘孔出流公式(4)計算，流量系數(shù)按南京水利科學研究院的經(jīng)驗公式(5)計算[14]為

(4)

(5)

式中：σs為淹沒系數(shù)，自由流時淹沒系數(shù)取1；μ為流量系數(shù)；B為閘門寬度,m.

表1 垂直收縮系數(shù)模擬值和查表值對比

在南山臺揚水灌區(qū)調(diào)研時收集到該灌區(qū)冬灌期間比較完整的Rubicon測控一體化板閘測流記錄數(shù)據(jù)，包括測流設備自動記錄自由出流狀態(tài)時測控一體化板閘上游水位、閘孔開度及其對應的閘孔過流量測量值.冬灌期間渠道水泥沙含量相對較低，對Rubicon測控一體化板閘測流精度的影響相對較小，其實測結果較為精確.文中選取了灌區(qū)水流條件較好的一條支渠，模擬相同條件下的閘孔出流量，并與測控一體化板閘的測流值、南京水利科學研究院經(jīng)驗公式(4)和式(5)計算值分別進行對比，如表2所示,表中Qc為計算流量，Qm為實測流量，Qs為模擬流量.

由表2可知，冬灌期間含沙量較少時，測控一體化板閘實際測流值與模擬值、經(jīng)驗公式計算值較為接近.

表2 測控一體化板閘模擬流量與實測流量對比

2.3.2 水力性能分析

為研究含沙水流經(jīng)測控一體化板閘時的水力性能，利用所建立的模型分別模擬閘前水位和閘孔開度一定時，不同含沙量所對應的計量箱內(nèi)水流結構、閘后收縮斷面流速分布以及閘孔出流情況.

1) 含沙量對計量箱內(nèi)流動結構的影響.

超聲波流量計直接檢測到的是超聲波傳播路徑上的線平均速度，而測控一體化板閘流量計需要測量的是計量箱整個斷面上的平均速度，二者之間需要換算[15].因此，流體的斷面流速分布情況對計算計量箱內(nèi)的平均流速非常重要.利用所建模型對閘孔開度為0.1 m，閘前水位為0.7 m這一工況進行模擬，圖6為計量箱內(nèi)平面xz的流線圖，在平面xz選取3條沿z軸方向的直線Line 1，Line 2和Line 3，圖7為所選3條直線的流速分布圖，圖中h為距離渠底的高度.由圖可知，流體流過計量箱時，由于固體壁面無滑移條件，緊貼壁面的流體速度為0 ，而斷面中間的流體受影響最小，流速最大，且靠近閘孔處流速較大，形成較大速度梯度.在含沙量范圍內(nèi)，細顆粒泥沙對計量箱內(nèi)流速的分布情況影響很小.

圖6 計量箱內(nèi)流線圖

圖7 計量箱內(nèi)流速分布圖

2) 含沙量對閘后收縮段水力特性影響.

不同含沙量所對應的閘后收縮斷面水流流速和湍動能分布如圖8所示.

圖8 閘后收縮斷面水力性能

水力參數(shù)如表3所示,表中m為含沙量，va為平均流速.

表3 不同含沙量的閘門測流水力參數(shù)

由圖8a和表3可知，隨著水深的增大，收縮斷面的流速呈先增大后減小的趨勢，且流速分布受含沙量影響不大，但存在一定規(guī)律，即閘孔開度和閘前水位相同時，含沙量越大，收縮斷面的流速越大，而收縮水深越小，通過閘孔的含沙水的流量不變.由圖8b可知，清水的湍動能最大，隨著含沙量的增大，收縮斷面的湍動能減小，是因為含沙量的增加會使水流的黏性增大，密度增大，從而對水流湍動起到遏制作用.

3 結 論

1) 相對于無喉道量水槽而言，測控一體化板閘的測流數(shù)據(jù)普遍偏大，但在非汛期含沙量較小時，其測流值的回歸系數(shù)和決定系數(shù)更接近于1，均方根誤差更接近于0，表明該工況下的測流精度較高.

2) 利用ANSYS Fluent模擬明渠含沙水測流是可行的.由模擬結果可知，計量箱內(nèi)緊貼壁面的流體速度為0，斷面中間流速較大，且靠近閘孔處流速最大，形成較大速度梯度，而含沙量對計量箱內(nèi)的流速分布影響很小.水流的湍動能隨含沙量的增大而減小，體現(xiàn)出一定的制紊作用.

3) 與計量箱內(nèi)過流斷面的水力性能相比，測控一體化板閘閘后收縮斷面的流速和湍動能較大，清水的湍動能最大，隨著含沙量的增大，閘后收縮斷面的湍動能逐漸減小而流速分布無明顯變化.

4) 含沙量對Rubicon測控一體化板閘測流精度的影響，主要是因為含沙水中的沙粒對超聲波的衰減作用以及含沙水的制紊作用.