陶洪飛，楊海華，馬英杰，戚印鑫，耿凡坤，滕曉靜，劉亞麗

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆水利水電科學研究院水工河工研究所，烏魯木齊 830049）

流量對河水滴灌重力沉沙過濾池內(nèi)流速分布的影響

陶洪飛1，楊海華1，馬英杰1，戚印鑫2，耿凡坤2，滕曉靜1，劉亞麗1

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆水利水電科學研究院水工河工研究所，烏魯木齊 830049）

為研究流量對河水滴灌重力沉沙過濾池流速分布規(guī)律的影響，該文對5種不同流量下的水沙兩相流流場進行了數(shù)值模擬。通過對不同流量下流速沿程分布規(guī)律、流速沿水深方向分布規(guī)律及水沙分離效率的對比與分析，可知河水滴灌重力沉沙過濾池的適宜流量范圍為0.05～0.2 m3/s，進水流量越小，流速變化幅度也就越小，越有利于泥沙沉降，水沙分離效率不小于72.5%。不同流量下沉淀池中流速沿程變化規(guī)律可分成3個階段：流速迅速增加階段、流速緩慢減小階段和流速迅速減小階段。清水池中流速方向與沉淀池的相反，流速沿程減小。受進水口、出水口和固體邊界，以及側(cè)向溢流堰的影響，不同流量下河水滴灌重力沉沙過濾池中的流速沿水深方向分布規(guī)律有差別。當流量為0.05和0.1 m3/s時，遠離進水口、出水口及側(cè)向溢流堰的位置，流速沿水深方向的分布規(guī)律包含流速迅速增加、流速緩慢減小和流速恒定 3個階段，而清水池則只包括流速迅速增加和流速恒定階段。研究可對大首部的應用提供參考。

灌溉；流量；流速；數(shù)值模擬；重力沉沙過濾池；流場

0 引 言

根據(jù)新疆高效節(jié)水建設方案及新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水建設發(fā)展規(guī)劃，確定新疆每年完成農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積20.1萬hm2以上，至2020年農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積累計達到288.1萬hm2以上的推廣目標[1]。目前，新疆已建農(nóng)業(yè)高效節(jié)水工程的灌溉水源絕大部分為地下水，但許多地區(qū)的地下水超采嚴重，所以地表水已成為新建微灌工程灌溉水源的最優(yōu)選擇[2]。新疆河水多為山溪性河流，泥沙含量高，易造成灌水器（如滴頭、微噴頭等）堵塞。目前，采用沉沙池和過濾器多級處理的方式去除微灌用水中的泥沙，以防止灌水器堵塞，從而保障工程的正常運行[3-5]。過濾器屬于泵后過濾。研究表明[6-12]：離心過濾器在處理泥沙時，水頭損失可達4 m左右；進水流量為30 m3/h時，介質(zhì)過濾器的水頭損失可達3.1 m左右，且流量越大，水頭損失也就越大；自清洗網(wǎng)式過濾器（濾網(wǎng)網(wǎng)孔為0.12 mm）在進水流量為217.5 m3/h時，水頭損失可達3.8 m；魚雷網(wǎng)式過濾器（在網(wǎng)式過濾器基礎上提出的一種過濾器）在進水流量為300 m3/h時，水頭損失達5.1 m；當進水流量為200 m3/h時，三聯(lián)組合疊片過濾器和三芯疊片過濾器的水頭損失分別為5.9和5.1 m。目前這些過濾器廣泛地應用于實際工程，但存在能耗較大、造價昂貴和耗水率大等缺點，制約了先進節(jié)水灌溉技術的推廣和應用[13]。

近年來，在沉淀池和過濾器研究的基礎上，提出一種處理泥沙的工程措施——河水滴灌重力沉沙過濾池（簡稱大首部），其將沉淀池與不銹鋼濾網(wǎng)有機地結(jié)合在一起，共同處理泥沙，該工程措施屬于泵前過濾，能夠降低能耗，一經(jīng)研制，在新疆地區(qū)廣泛應用[14]。目前，難以應用現(xiàn)有測試手段（如粒子圖像測速或激光多普勒測速系統(tǒng)）測量大首部內(nèi)的速度場。隨著計算機的廣泛應用以及計算機容量的增大，仿真模擬已廣泛地應用于沉淀池內(nèi)的流場模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如模擬沉淀池中的流場[15-20]、探討不同流量下污水沉淀池的流場分布特性并分析沉淀效果等[21-25]。因此，筆者擬采用Fluent軟件開展大首部中的水沙兩相流流場的數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果同物理試驗結(jié)果進行對比，在驗證數(shù)學模型準確和可靠的基礎上計算不同流量下大首部中的流場，分析大首部中的流速分布規(guī)律，獲得該尺寸下大首部實際工程運行時的流量范圍，以期對大首部的應用和固液兩相流學科的發(fā)展提供參考。

1 大首部簡介

圖1為大首部結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，大首部主要由沉淀池、清水池及集污槽等幾部分構(gòu)成。X、Y、Z方向分別代表大首部的寬度方向、水深方向、長度方向，O點處的坐標為（0，0，0）。其關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：沉淀池長、寬、高、坡度分別為25 m、1.5 m、0.8 m、1%；側(cè)向溢流堰長5 m；清水池不銹鋼濾網(wǎng)孔孔徑為0.15 mm，濾網(wǎng)與水平方向的夾角為 3 8°。提取 Z=2、6.25、12.5、18.75、24.5 m等斷面的計算結(jié)果進行分析。因沉淀池中設有導流墻，約定長度方向（順水流方向）的右邊為沉淀池右池，左邊為沉淀池左池。

圖1 河水滴灌重力沉沙過濾池平面及橫斷面圖Fig.1 Planar graph and cross-section profile of gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water(GSFTDIRW)

大首部的工作原理：1）沉降與過濾。灌溉水從引渠進入條形沉沙池，經(jīng)過初步沉淀后大顆粒泥沙沉淀于池底，表層清水通過側(cè)向溢流堰經(jīng)過不銹鋼濾網(wǎng)過濾后進入清水池，再通過輸水管道向田間供水；2）沖洗。當集污槽和沉淀池達到設計淤積層厚度時，打開沖沙閘門，沉降和過濾的泥沙被水流沖出池外。

2 數(shù)學模型及計算方法

2.1 數(shù)學模型

選擇多孔介質(zhì)模型、標準k-ε模型及混合物模型進行耦合計算，模擬大首部的水沙兩相流流場分布規(guī)律。標準k-ε雙方程模型包括湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程，混合物模型的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，這些方程的表達式詳見文獻[26]。大首部的核心部件為濾網(wǎng)，其孔徑較?。?.15 mm），若將所有濾網(wǎng)孔在Gambit軟件中繪制出來，并剖分網(wǎng)格，難度較大，剖分網(wǎng)格質(zhì)量也不好，會影響計算精度，故此方法不可取。而 F luent中多孔介質(zhì)模型可以解決上述問題。多孔介質(zhì)模型的相關參數(shù)表達式如下[27]：

式中a、C1、C2、D及φ分別表示滲透率（m2）、阻力系數(shù)（m-2）、慣性損失系數(shù)（m-1）、濾網(wǎng)孔的直徑（mm）及孔隙比（%）。

2.2 計算方法

大首部的計算區(qū)域和基本控制方程的離散采用有限體積法，流相的離散格式采用二階迎風格式。對于水沙兩相流，離散后的線性代數(shù)方程組采用SIMPLE算法進行求解；各方程計算精度均為10-3。為減小數(shù)值模擬的計算工作量和保證計算精度，對河水滴灌重力沉沙過濾池的網(wǎng)格進行優(yōu)化。計算時間步長設置為0.0001 s，在迭代收斂后，將時間步長調(diào)大。

2.3 邊界條件及初始條件

2.3.1 邊界條件

在Gambit軟件中建立大首部的模型，并設置邊界條件。沉淀池的進口為速度邊界條件；清水池和集污槽為壓力出口邊界條件；自由液面按“剛蓋假定”處理，為對稱邊界條件；固壁按無滑移邊界處理。濾網(wǎng)為多孔介質(zhì)邊界條件，根據(jù)大首部物理模型采用的濾網(wǎng)相關參數(shù)，依據(jù)式（1）～（3），得到α、C1和C2分別為8.60×10-12m2、1.16×1011m-2和5.85×105m-1。數(shù)值計算時考慮過濾網(wǎng)厚度，其值為0.001 m。

2.3.2 初始條件

研究進水流量對大首部流場的影響時，計算介質(zhì)包括水和沙，主相為水，密度為998.2 kg/m3；次相為沙，假定顆粒為球形，密度取2710 kg/m3，取泥沙的中值粒徑D50=0.091 mm，因大首部處理的初始含沙量為0～6 kg/m3，本次數(shù)值計算取最大初始含沙量6 kg/m3，為模擬不同流量下流場分布規(guī)律，采用了大首部在實際工程中常用的5個流量，分別是0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 m3/s，初始化時，分別設置流量，進行計算。

2.4 模型驗證方法

2015年3月—12月，在新疆水利水電科學研究院水工試驗大廳開展試驗。本物模試驗測試了沉淀池、溢流堰、過濾網(wǎng)、清水池、集污槽等部位的水深、流速、含沙量、顆粒級配等參數(shù)，用影像資料記錄了各部位的流態(tài)，計算了水沙分離效率指標。這為驗證數(shù)學模型的準確性和可靠度提供了數(shù)據(jù)，也為開展不同進水流量下大首部中水沙兩相流流場的數(shù)值模擬奠定了基礎。根據(jù)物理試驗結(jié)果，取進水流量為 0.05 m3/s，初始渾水含沙量取1.76 kg/m3，具體的計算方法、邊界條件及初始條件見2.2和2.3小節(jié)。

利用LGY—Ⅲ型智能流速儀（南京水利科學研究院，流速范圍：0.01～3 m/s）量測X=0.4和1.1 m斷面上自由液面以下10 cm、h/2及h/3處Z方向的渾水流速（h為水深），用V表示，如圖2所示。提取數(shù)值計算結(jié)果中的數(shù)據(jù)點時，與物理試驗的相同，從而可通過物理試驗結(jié)果來驗證數(shù)值計算結(jié)果的準確性和可靠度。

圖2 沉淀池中測量數(shù)據(jù)點的位置圖Fig.2 Position of measurement points in sedimentation tank

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗證

3.1.1 流速對比

沉淀池中X斷面上h/3處Z方向渾水流速的物理試驗與數(shù)值模擬流速值如圖3所示?？梢?，1）沉淀池右池和左池的物理試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好，兩者相對誤差小于 15%，故采用的數(shù)學模型可以模擬大首部中的水沙兩相流流場；2）物理試驗和數(shù)值計算中的流速沿程（Z=2～18.75 m）逐漸減小，但變化幅度不大，可知在Z=2～18.75 m范圍，水深逐漸增加，根據(jù)斷面平均流速的定義可知水流流速是逐漸減小的；3）當Z=18.75～25 m時，流速迅速減小，變化幅度較大，如圖3a所示，數(shù)值計算結(jié)果中的流速從0.049 m/s降至0.0026 m/s，變化幅度為0.046 m/s。在Z=20～25 m處設有5 m長的側(cè)向溢流堰，當水流流至該處時，水流的運動方向和流速大小受到該邊界條件的影響，會發(fā)生變化，且影響范圍擴大到Z=18.75 m處，此時水流的主流方向不是沿Z軸方向，而是朝側(cè)向溢流堰方向流動，即X軸的正方向，從而使X方向的流速突然增大，而Z方向的流速突然減小。

圖3 沉淀池中Z方向流速試驗及模擬結(jié)果Fig.3 Experimental and simulated flow velocity along Z direction of sedimentation tank

物理試驗量測了左池中Z=6.25、12.50、18.75 m斷面不同水深方向的流速值，數(shù)值計算也提取了相關數(shù)據(jù)點，對比情況見表1。從表中可知，物理試驗量測的流速值與數(shù)值計算流速值相對誤差小于15%，說明選擇的數(shù)學模型可以可靠地模擬沉沙池內(nèi)的流速分布規(guī)律。

表1 沉砂池不同位置沿池長Z方向流速模擬及試驗值對比Table 1 Comparisons of simulated and experimental flow velocity along tank length direction Z in different position of sedimentation tank

3.1.2 含沙量對比

初始含沙量為1.76 kg/m3，物理試驗量測的沉淀池處理后含沙量和清水池處理后含沙量分別為0.75、0.5 kg/m3，數(shù)值計算結(jié)果的沉淀池處理后含沙量和清水池處理后含沙量分別為0.68、0.46 kg/m3，數(shù)值計算和物理試驗結(jié)果的相對誤差分別為9.3%和8%。

綜上，采用的多孔介質(zhì)模型、標準k-ε模型及混合物模型可以模擬大首部的水沙兩相流流場分布規(guī)律。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 不同流量下流速沿程

取計算時間為196 s的數(shù)據(jù)進行分析。圖4表示沉淀池中X斷面上h/3處Z方向渾水流速的結(jié)果對比。

圖4 沉淀池中不同流量下Z方向渾水流速結(jié)果對比Fig.4 Comparisons of muddy flow velocity along Z direction under different flow rates in sedimentation tank

從圖4可知，無論流量為多少，Z方向的渾水流速沿程變化規(guī)律可分成3個階段：1）流速迅速增加階段。Z=-0.17～0 m，流速沿程迅速增加，這是受到沉淀池進水口的影響；且流量越大，流速的增長速率越快，峰值也就越大。2）流速緩慢減小階段。Z=0～17 m，流速沿程緩慢減小，因沉淀池有1%的坡度，隨著Z值增大，水深越來越高，過水斷面面積越大，在流量相同時，流速會逐漸減小。3）流速迅速減小階段。Z=17～25 m，不同流量下的流速開始沿程迅速降低，這是因為沉淀池尾部有5 m長的側(cè)向溢流堰的緣故；且流量越大，下降幅度也就越大，越靠近沉淀池尾部，流速值就越小。

圖5表示清水池中X斷面上h/3處Z方向渾水流速，圖中流速為負值，負號僅表示流速方向與Z軸正向相反。不同流量下渾水流速沿程的分布規(guī)律相同，流速沿程越來越小（清水池和沉淀池有1%的底坡），且到Z=20～25 m（5 m濾網(wǎng)處）時，流速突然發(fā)生改變，在20 m處出現(xiàn)拐點，流速突然減小，這是受濾網(wǎng)上方下降水流的影響。同一位置時，流量越大，清水池中的流速也就越大。

圖5 清水池中不同流量下Z方向渾水流速結(jié)果對比Fig.5 Comparisons of muddy water flow velocity along Z direction under different flow rates in clear water tank

3.2.2 不同流量下水深Y方向流速分布

圖6表示不同流量下左池中水深方向上渾水流速。

圖6 左池中不同流量下Y方向流速分布Fig.6 Flow velocity distribution along Y direction under different flow rates of left tank

不同流量下渾水流速沿水深方向的分布規(guī)律不同。1）從圖6a～b可知，無論流量為多少，流速沿水深方向的分布規(guī)律包括流速迅速增加和流速恒定2個階段，且流量越大，流速也就越大。2）從圖6c～e中可知當流量為0.05、0.1 m3/s時，流速沿水深方向的分布規(guī)律與其他流量不一樣，包含流速迅速增加、流速緩慢減小和流速恒定3個階段。3）從圖6f中可知，因受沉淀池尾部固體邊界及側(cè)向溢流堰的影響，這個位置下水深方向上的流速分布規(guī)律與其他位置不同，進流流量越大，渾水流速也就越大，沿水深方向的變化幅度也就越大，越不利于泥沙沉降，容易造成水流中的泥沙流出沉淀池，從而使沉淀池的水沙分離效率降低。

第三，擅長挖掘自身的亮點和資源。一個18歲的少年，沒有工作經(jīng)驗，大學只上了一個學期，看上去毫無亮點，但喬布斯很聰明，他自信地捕捉到了自己身上的閃光點和獨特的資源，并且寫了出來。比如，他在地址一欄填的是“里德學院”。里德學院在美國是響當當?shù)拿?，專注學術，博士畢業(yè)比例占據(jù)全美第三，也是美國第一所拒絕U．S．News大學排名的學校，以個性、奇才而聞名，里面的學生也是如此。喬布斯把自己的地址定在“里德學院”，其實是委婉地自我加分，說明自己也是一個奇才，雖然他因為經(jīng)濟原因早早輟學了。

圖7為不同流量下清水池中水深方向上渾水流速的比較，流速為負值，表示流速方向與Z軸正方向相反。

圖7 清水池中不同流量下Y方向流速分布Fig.7 Flow velocity distribution along Y directions under different flow rates in clear water tank

1）從圖7b～e可知，無論流量為多少，流速沿水深方向的分布規(guī)律包括流速迅速增加和流速恒定2個階段，且流量越大，流速也就越大。2）從圖7a可知，無論流量為多少，流速沿高度方向的分布規(guī)律包括流速迅速增加和流速迅速減小 2 個階段，這是受清水池出水口邊界條件的影響。3）從圖7f可知，流量為0.05、0.1、0.2 m3/s時，流速沿水深方向的分布規(guī)律和圖7b～e相同，而流量為0.3、0.4 m3/s時，其流速沿水深方向的分布規(guī)律與其他流量不同，流速變化波動大，不利于泥沙在清水池中的沉降，從而使清水池的水沙分離效率降低，故流量為0.05～0.2 m3/s時有利于清水池中的泥沙沉降。

3.2.3 不同流量下的水沙分離效率

水沙分離效率是判斷大首部泥沙處理能力的一個重要參數(shù)，水沙分離效率越高說明泥沙處理能力越好，其表達式[28]為

式中η是水沙分離效率，%；S是初始時刻t=0時的初始含沙量，kg/m3；S1是某斷面t時刻的平均含沙量，kg/m3。

不同流量下大首部的水沙分離效率如表2 所示。從表2可知流量越小，水沙分離效率越大。據(jù)文獻[29]可知，當?shù)喂鄮Чぷ鲏毫?.097 MPa，泥沙粒徑為0.1～0.15 mm，含沙量小于2 kg/m3時，滴灌帶不會堵塞，從表中可知當流量為0.05～0.3 m3/s時，清水池處理后含沙量為0.66～1.91 kg/m3。根據(jù)灌溉與排水工程設計規(guī)范（GB50288-99）[30]，可知當沉沙池內(nèi)沉淀的泥沙粒徑小于0.25 mm時，池內(nèi)的平均流速取值應小于0.20 m/s。結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，可知當流量為0.05～0.2 m3/s時，池內(nèi)的平均流速為0.053～0.19 m/s，而0.3～0.4 m3/s時，池內(nèi)的平均流速為0.28～0.36 m/s。大首部的適用流量范圍為0.05～0.2 m3/s，出清水池的含沙量不大于1.65 kg/m3，總水沙分離效率不小于72.5%。

表2 沉淀池處理前后水沙分離效率對比Table 2 Comparisons of separation efficiency of water-sediment before and after sedimentation tank

4 結(jié)論與討論

1）不同流量下沉淀池中Z方向上的渾水流速沿程變化規(guī)律可分成 3 個階段：流速迅速增加階段；流速緩慢減小階段；流速迅速減小階段。不同流量下清水池中 Z方向上的渾水流速方向與沉淀池的相反，流速沿程緩慢減小，但在Z=20～25 m，流速卻急速減??；同一位置，流量越大，清水池中的流速也就越大。

2）不同流量下沉淀池中渾水流速沿水深方向的分布規(guī)律不同。在靠近沉淀池進水口時，流速沿水深方向的關系分為流速迅速增加和流速恒定 2 個階段，且流量越大，流速也就越大；當遠離沉淀池進水口及尾部側(cè)向溢流堰，流量為0.05、0.1 m3/s時，Z方向上的渾水流速沿水深方向分布規(guī)律包含流速迅速增加、流速緩慢減小和流速恒定 3 個階段；當靠近沉淀池尾部時，水深方向上的流速分布規(guī)律與其他位置不同，進流流量越大，渾水流速也就越大，沿水深方向變化幅度也就越大，越不利于泥沙沉降，容易造成水流中的泥沙流出沉淀池，從而使沉淀池的分離效率降低。不同流量下清水池中的水流流速方向與 Z 方向的正方向相反。無論流量為多少，流速沿水深方向的分布規(guī)律包括流速迅速增加和流速恒定2個階段，且流量越大，流速也就越大，其與靠近清水池出水口和過濾網(wǎng)下方處的流速沿水深方向的分布規(guī)律不同，且表現(xiàn)為流量越大，流速變化幅度也就越大，這不利于泥沙在清水池中沉降。

3）沉淀池長25 m，池寬1.5 m，池高0.8 m，坡度1%，側(cè)向溢流堰長5 m，在該尺寸下，當流量為0.05～0.2 m3/s時，沉沙池內(nèi)的平均流速為0.053～0.19 m/s，有利于泥沙的沉降，出清水池的含沙量不大于1.65 kg/m3，故大首部的適宜流量范圍為0.05～0.2 m3/s，總水沙分離效率不小于72.5%。

流量是大首部運行的主要運行參數(shù)，但調(diào)流板的設置、進口水深等因素也會影響其水沙分離效率和運行管理，有關這些因素的影響有待進一步深入研究。

[1] 錢智. 在自治區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設現(xiàn)場會上的講話[J]. 新疆水利，2012(3)：1－5. Qian Zhi. Speech at the on - the - spot meeting of agricultural efficient water-saving construction in autonomous region [J]. Xinjiang Water Resources,2012(3):1－5.(in Chinese with English abstract)

[2] 孫娟. 河水滴灌重力沉沙過濾池的設計與應用推廣[J]. 節(jié)水灌溉，2014(1)：60－64. Sun Juan. Design of gravity desilting filter tank for drip irrigation with river water and its extension[J]. Water Saving Irrigation,2014(1):60－64.(in Chinese with English abstract)

[3] 陶洪飛，邱秀云，李巧，等. 不同鰓片間距下的分離鰓內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(6)：183－189. Tao Hongfei,Qiu Xiuyun,Li Qiao,et al. 3D Numerical simulation of internal flow field in gill-piece separation device under different gill-piece spacing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(6):183－189.(in Chinese with English abstract)

[4] 陶洪飛，邱秀云，趙麗娜，等. 水沙分離鰓內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(17)：38－46. Tao Hongfei,Qiu Xiuyun,Zhao Lina,et al. Numerical simulation of internal flow field in gill-piece separation device[J]. Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2013,29(17):38－46.(in Chinese with English abstract)

[5] 張志新. 新疆微灌發(fā)展現(xiàn)狀、問題和對策[J]. 節(jié)水灌溉，2000(3)：8－10. Zhang Zhixin. Current situation,problems and countermeasures of the micro-irrigation in Xinjiang[J]. Water Saving Irrigation,2000(3):8－10.(in Chinese with English abstract)

[6] 楊曉軍，劉飛，吳玉秀，等. 新疆農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)首部過濾設備選型探討[J]. 中國農(nóng)村水利水電. 2014(5)：76－80. Yang Xiaojun,Liu Fei,Wu Yuxiu,et al. A discuss on the first part filtration equipment selection in Xinjiang agricultural water-saving irrigation system[J]. Water Saving Irrigation,2014(5):76－80.(in Chinese with English abstract)

[7] Wu Wenyong,Chen Wei,Liu Honglu,et al. A new model for head loss assessment of screen filters developed with dimensional analysis in drip irrigation systems[J] Irrig and Drain,2014(63):523－531.

[8] 宗全利，劉飛，劉煥芳，等. 大田滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(16)：86－92. Zong Quanli,Liu Fei,Liu Huanfang,et al. Experiments on water head loss of self-cleaning screen filter for drip irrigation in field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(16):86－92.(in Chinese with English abstract)

[9] Thokal R T,Raghavendra A G,Suresh N M,et al. Effect of sand particle size and concentration on performance of screen filter in trickle irrigation[J]. Annals of Arid Zone,2004,43(1):65－71.

[10] 阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，馬合木江·艾合買提，等. 直沖洗魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J]. 節(jié)水灌溉，2014(10)：6－10. Alipujiang·Abulimiti,Hudan·Tumaerbai,Mahemujiang·Aihemaiti,et al. Numerical simulation of flow field in Torpedo filter[J]. Water Saving Irrigation,2014(10):6－10.(in Chinese with English abstract)

[11] Avner Adin,Giora Alon. Mechanisms and process parameters of filter screens[J]. Irrigation and Drainage Engineering,1996,4(293):112－115.

[12] 申祥民，阿不都沙拉木，崔春亮，等. 自主研發(fā)的大流量疊片過濾器的性能分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2011(4)：85－87. Shen Xiangmin,Abudu Shalamu,Cui Chunliang,et al. Performance analysis of an independently-developed large flow rate disc filter[J]. China Rural Water and Hydropower,2011(4):85－87.(in Chinese with English abstract)

[13] 陶洪飛，邱秀云，王苗. 基于數(shù)值模擬的分離鰓水沙分離效率及機理分析[J]. 節(jié)水灌溉，2015(2)：66－71. Tao Hongfei,Qiu Xiuyun,Wang Miao. Analysis of Watersediment separation efficiency and mechanism of gill-piece separation device based on numerical simulation[J]. Water Saving Irrigation,2015(2):66－71.(in Chinese with English abstract)

[14] 何建村. 河水滴灌重力沉沙過濾池的設計、施工及運行管理[J]. 節(jié)水灌溉，2014(9)：87－90. He Jiancun. Design,construction and operation management of gravity desilting and filter basin[J]. Water Saving Irrigation,2014(9):87－90.(in Chinese with English abstract)

[15] 宗全利，劉煥芳，湯驊，等. 溢流槽對沉沙池溢流堰長度的影響分析研究[J]. 泥沙研究，2011(3)：67－72. Zong Quanli,Liu Huanfang,Tang Hua,et al. Study of effect of spillway trough on spillway crest length of settling basin[J]. Journal of Sediment Research,2011(3):67－72.(in Chinese with English abstract)

[16] Wang Xiaoling,Zhou Shasha,Li Tao,et al. Threedimensional simulation of the water flow field and the suspended-solids concentration in a circular sedimentation tank[J]. Canadian Journal of Civil Engineering,2011,38(7):825－836.

[17] Hadi G A,Kris J A. CFD methodology for the design of rectangular sedimentation tanks in potable water treatment plants[J]. Journal of Water Supply,2009,58(3):212－220.

[18] 華根福，劉煥芳，湯驊，等. 沉沙池中水流流態(tài)的數(shù)值模擬[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2009(4)：582－486. Hua Genfu,Liu Huanfang,Tang Hua,et al. Numerical simulation of water flow pattern in sand basin[J].Journal of Shihezi University:Natural Science,2009(4):582－486.(in Chinese with English abstract)

[19] 劉百倉，陳大宏，劉映祥，等. 平流式沉淀池中部進水流場測量與數(shù)值模擬[J]. 供水技術，2010，4(5)：1－5. Liu Baicang,Chen Dahong,Liu Yingxiang,et al. Measurement and modeling of rectangular primary sedimentation tanks with incoming flow at the middle of inlet[J]. Water Technology,2010,4(5):1－5.(in Chinese with English abstract)

[20] 田艷，張根廣，秦子鵬. 廂式沉沙池進口優(yōu)化試驗及流場三維數(shù)值模擬[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2013(8)：89－94. Tian Yan,Zhang Genguang,Qin Zipeng. Experimental optimized investigation and three-dimensional numerical simulation of van sand basin[J]. China Rural Water and Hydropower,2013(8):89－94.(in Chinese with English abstract)

[21] 朱煒，馬魯銘，盛銘軍. CFD模型在污水沉淀池數(shù)值模擬中的應用[J]. 水處理技術，2006，32(4)：10－13. Zhu Wei,Ma Luming,Sheng Mingjun. Application of CFD model in numerical value simulation sewage sedimentation tank[J]. Technology of Water Treatment,2006,32(4):10－13.(in Chinese with English abstract)

[22] 魏文禮，李盼盼，洪云飛，等. 擋板長度對輻流式沉淀池流場與污泥濃度場影響的數(shù)值模擬[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版，2016，44(7)：228－234. Wei Wenli,Li Panpan,Hong Yunfei,et al. Influence of baffle length on flow and sludge concentration fields in a radial sedimentation tank [J]. Journal of Northwest A&F University:Natural Science,2016,44(7):228－234.(in Chinese with English abstract)

[23] 魏文禮，張澤偉，白朝偉，等. 輻流式沉淀池進口擋板影響的液固兩相流數(shù)值模擬[J]. 應用力學學報，2016，33(1)：93－98. Wei Wenli,Zhang Zewei,Bai Chaowei,et al. Numerical simulation of a feed flow baffle on the flow of a radial sedimentation tank by using a liquid-solid two-phase model[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics,2016,33(1):93－98.(in Chinese with English abstract)

[24] 陳斌，汪源，張華，等. 周進周出矩形沉淀池配水孔分布的數(shù)值模擬[J]. 給水排水，2016，42(4)：54－57.

[25] 魏文禮，白朝偉，劉玉玲. 輻流式沉淀池擋板尺寸對溫差異重流水力特性影響的三維模擬[J]. 西安理工大學學報，2016，32(1)：12－17. Wei Wenli,Bai Zhaowei,Liu Yuling. 3D simulation for the influence of a feed baffle on the density current behaviors caused by temperature in a radial sedimentation tank[J]. Journal of Xi’an University of Technology,2016,32(1):12－17.(in Chinese with English abstract)

[26] 陶洪飛，邱秀云，趙麗娜，等. 基于正交設計的分離鰓結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J]. 水力發(fā)電學報，2013，32(5)：204－212. Tao Hongfei,Qiu Xiuyun,Zhao Lina,et al. Numerical simulation of structure optimization for separation device based on orthogonal design [J]. Journal of Hydroelectric Engineering,2013,32(5):204－212.(in Chinese with English abstract)

[27] 于立章，孫立成，孫中寧. 多孔介質(zhì)通道中單相流動壓降預測模型[J]. 核動力工程，2010(5)：63－66，88. Yu Lizhang,Sun Licheng,Sun Zhongning. Prediction model of single phase flow pressure drop in porous medium channel[J]. Nuclear Power Engineering,2010(5):63－66,88.(in Chinese with English abstract)

[28] 陶洪飛，邱秀云，楊海華. 不同渾水含沙量下的分離鰓內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬[J]. 水力發(fā)電學報，2015，34(2)：64－71. Tao Hongfei,Qiu Xiuyun,Yang Haihua. Three-dimensional numerical simulation of internal flow in gill-sheet separation device under muddy water of different sediment concentrations[J]. Journal of Hydroelectric Engineering,2015,34(2):64－71.(in Chinese with English abstract)

[29] 李治勤，陳剛，楊曉池. 渾水引起迷宮灌水器物理堵塞因素實驗研究[J]. 西安理工大學學報，2006，22(4)：395－398. Li Zhiqin,Chen Gang,Yang Xiaochi. Experimental study of physical clogging factor of labyrinth emitter caused by muddy water[J]. Journal of Xi an University of Technology,2006,22(4):395－398.(in Chinese with English abstract)

[30] 水利部農(nóng)田灌溉研究所. 灌溉與排水工程設計規(guī)范：GB50288-99[S]. 北京：中國計劃出版社，1999.

Influence of flow rate on flow velocity distribution in gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water

Tao Hongfei1,Yang Haihua1,Ma Yingjie1,Qi Yinxin2,Geng Fankun2,Teng Xiaojing1,Liu Yali1
(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2. Hydraulic
Engineering Research Institute,Xinjiang Institute of Water Resources and Hydropower Research,Urumqi 830049,China)

Filters have high energy consumption,high cost and high water consumption and other shortcomings. In order to solve this problem,gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water(GSFTDIRW) is proposed,which consists of sedimentation tank,clear water tank and sewage tank. The flow is the key factor influencing the separation efficiency of water-sediment and the flow field of wate-sediment. This study investigated the influence of flow rate on the GSFTDIRW. A physical experiment was carried out in the hydraulic experiment hall of Xinjiang Institute of Water Resources and Hydropower Research. The parameters such as water depth,flow velocity and sediment concentration in the GSFTDIRW under flow rate of 0.05 m3/s were measured. The model was set up according to the model size used in the physical experiment in the gambit drawing software. Meanwhile,the boundary conditions were set in the gambit drawing software. Then the parameters were set in the Fluent software. Simulated values were processed by tecplot software. By comparing the experimental values and simulated values,it was shown that the porous media model was reliable in simulating the filter mesh. It was feasible to simulate the internal flow field in GSFTDIRW using the standard k-ε two-equation model and the mixture model. Based on these,the flow field of water-sediment two-phase flow was simulated in the GSFTDIRW under 4 different flow rates. By comparing the distribution of flow velocity along the length,the distribution of water velocity along water depth and the separation efficiency of water-sediment,it was found that the appropriate flow rate was in a range of 0.05-0.2 m3/s when the sedimentation tank was 25 m in length,1.5 m in width,0.80 m in height,slope 1%,and lateral overflow weir 5 m. At the same time,the average flow velocity of sedimentation tank is 0.053-0.19 m/s. The smaller the influent flow was,the smaller the velocity variation was. This was more conducive to sedimentation. The sediment concentration was less than or equal to 1.65 kg/m3in the clear water tank,and the total water-sediment separation efficiency was not less than 72.5%. Under the different flow rates,the flow velocity change along the sedimentation tank could be divided into 3 stages:increasing rapidly,decreasing slowly and decreasing rapidly. The velocity of flow in the clear water tank was opposite to that of the sedimentation tank,and the flow velocity decreased along the path. Under the influence of inlet,outlet and solid boundary,and lateral overflow weir,the distribution of flow velocity along water depth was different under different flow rate in the GSFTDIRW:the distribution of velocity along the depth of water at the locations far away from the water inlet,outlet and lateral weir contained 3 stages when the flow rate was 0.05 and 0.1 m3/s:rapid increase,slow decrease and constant. However,the distribution of velocity only included the rapid increase and constant stage in clear water tank.

irrigation;flow rate;flow velocity;numerical simulation;gravity sinking and filter tank;flow field

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.018

TV14

A

1002-6819(2017)-01-0131-07

陶洪飛，楊海華，馬英杰，戚印鑫，耿凡坤，滕曉靜，劉亞麗. 流量對河水滴灌重力沉沙過濾池內(nèi)流速分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(1)：131－137.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.0 18 http://www.tcsae.org

Tao Hongfei,Yang Haihua,Ma Yingjie,Qi Yinxin,Geng Fankun,Teng Xiaojing,Liu Yali.Influence of flow rate on flow velocity distribution in gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):131－137.(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.018 http://www.tcsae.org

2016-03-19

2016-10-01

國家科技支撐計劃項目資助（2011Bad29B05）；新疆農(nóng)業(yè)大學博士后經(jīng)費資助；新疆水利水電工程重點學科基金資助（xjslgczdxk20101202）；復合應用型農(nóng)林人才培養(yǎng)模式改革試點（農(nóng)業(yè)水利工程）項目資助；新疆農(nóng)業(yè)大學教研教改項目“農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)模式的改革”資助。作者簡介：陶洪飛，男，博士，碩導，主要從事節(jié)水新技術和新設備以及計算水力學研究。烏魯木齊 新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，830052。E-mail：304276290@qq.com。