魏妍彬，王 沖，李文多，賈俊喜

（大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，735000，酒泉）

沉沙過(guò)濾池是一種將水中的泥沙沉淀并排出池外的裝置，隨著滴灌系統(tǒng)的普及，近年沉沙過(guò)濾池在農(nóng)田水利工程中得到廣泛應(yīng)用。 采用沉沙池過(guò)濾的主要原理是水流經(jīng)引渠進(jìn)入環(huán)形沉沙池后， 通過(guò)逐級(jí)濾網(wǎng)過(guò)濾，使得流速顯著減緩，水流挾沙力大大降低，改變?cè)兴髂嗌车倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到沉沙的目的。 西部牧區(qū)大部分地區(qū)輸配水系統(tǒng)縱坡大，渠道挾沙能力強(qiáng)，又處于風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)沙將大量性質(zhì)各異、成分不同的漂浮物帶入水中，增加了水質(zhì)處理難度。 根據(jù)此沉沙理論，通過(guò)CFD 軟件模擬和分析環(huán)形沉沙過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，其流場(chǎng)分布越均勻，就越有利于泥沙的沉降，沉沙池的沉淀效果就越好。

一、模型建立

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用CAD 軟件對(duì)其進(jìn)行構(gòu)建，確定沉沙池為帶有不同過(guò)濾等級(jí)濾網(wǎng)的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 其中流道寬度為2 m， 流道外徑為10 m，中徑為8 m，小徑為6 m，中徑作為此沉沙池的有效長(zhǎng)度，計(jì)算可得沉沙池有效工作長(zhǎng)度為25 m。 過(guò)濾斜網(wǎng)分為五段，每段都由不同目數(shù)、不同深度的濾網(wǎng)組成， 形成逐級(jí)過(guò)濾的系統(tǒng)，并在池底設(shè)有排污口，池壁設(shè)有溢流網(wǎng)。

對(duì)于沉沙過(guò)濾系統(tǒng)的數(shù)值模擬，利用Gambit 軟件進(jìn)行建模，對(duì)不同邊界（進(jìn)出口、池壁等）設(shè)置相應(yīng)的邊界條件類(lèi)型。 由于過(guò)濾網(wǎng)的存在，若采用真實(shí)濾網(wǎng)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，其流動(dòng)狀態(tài)及邊界條件的設(shè)置將極為復(fù)雜，相對(duì)的計(jì)算量也隨之增大。 為了簡(jiǎn)化研究難度， 降低模擬計(jì)算量，對(duì)模型濾網(wǎng)部分進(jìn)行局部簡(jiǎn)化處理，將各級(jí)過(guò)濾網(wǎng)簡(jiǎn)化為具有等效水阻效應(yīng)、過(guò)流通路逐漸變化的擋板，如圖2所示。

圖1 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.計(jì)算域、流體子域的劃分

計(jì)算域包含整個(gè)模型的空間占有域，而流體子域?yàn)橛?jì)算域中充滿(mǎn)流體的區(qū)域， 也是CFD 模擬的計(jì)算區(qū)域，模型計(jì)算域及流體子域的劃分如圖3 所示。

3.邊界條件與網(wǎng)格劃分

（1）進(jìn)出口邊界條件設(shè)置

在沉沙過(guò)濾池模型計(jì)算中，假定池體為滿(mǎn)流狀態(tài)， 尤其是進(jìn)水渠道，由于設(shè)置沉沙池的容積是一定的，并沒(méi)有考慮進(jìn)水流速的變化對(duì)池體液位高度的影響，因此在整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中，池體的計(jì)算域體積不變。 本文在研究進(jìn)水流速對(duì)沉沙池運(yùn)行效果的過(guò)程中，并未與水力停留時(shí)間相聯(lián)系。

入口邊界條件：以速度入口作為其邊界條件類(lèi)型，速度方向垂直于入口邊界。

出口邊界條件：以壓力出口作為其邊界條件類(lèi)型，在求解中，當(dāng)指定較真實(shí)的回流方向時(shí)，可以將收斂困難程度降到最低。

（2）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD 計(jì)算精度、收斂性和計(jì)算效率有重要影響。 實(shí)驗(yàn)針對(duì)沉沙池三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，由于沉沙池結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 存在過(guò)濾網(wǎng)、溢流網(wǎng)、進(jìn)水渠、出水渠與池體相接等，合理劃分網(wǎng)格（即網(wǎng)格質(zhì)量）將影響計(jì)算精度及收斂性。 因此，網(wǎng)格劃分必須綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算強(qiáng)度。

二、水力特性模擬

1.流速分布

將沉沙過(guò)濾池自下而上等距分為6 部分，分析不同橫斷面的流速分布，如圖4（a）～（f）所示。 圖4（a）為池底附近的橫斷面流速分布，4（f）為池頂附近的橫斷面流速分布，（b）、（c）、（d）、（e）分別為距池底逐漸上升的橫斷面流速分布。 由圖可知，水流由進(jìn)口流入環(huán)形水池， 流速逐漸降低，由于過(guò)濾網(wǎng)的加入，水流流速自下而上也逐漸降低。

圖2 三維簡(jiǎn)化模型圖

圖4 斷面流速分布

2.湍流強(qiáng)度分布

湍流強(qiáng)度是表征湍流發(fā)展強(qiáng)度的量，是度量相對(duì)于流速值而波動(dòng)的湍流量的大小。 模擬同樣選取池底附近至池頂附近各等距橫斷面進(jìn)行湍流強(qiáng)度分布。 模擬結(jié)果（圖略）顯示，較大的湍流強(qiáng)度出現(xiàn)在水池進(jìn)口池底偏上及直端與環(huán)形流道銜接處。 隨著水流流經(jīng)環(huán)形流道，湍流強(qiáng)度降低并趨于平穩(wěn)，非常有利于顆粒泥沙的沉降。

3.固體顆粒分布

由模擬的固體顆粒分布可知，固體顆粒隨水流進(jìn)入沉沙池，固體顆粒運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，并在重力作用下逐步向池底運(yùn)動(dòng)。 粒徑較大的顆粒首先在水池前端沉降，而粒徑較小的顆粒則會(huì)在整個(gè)池底沉降。 由于過(guò)濾網(wǎng)的存在，在池頂溢流區(qū)很少有顆粒雜質(zhì)分布。 在水流由引水渠進(jìn)入水池后，由于過(guò)流斷面逐漸擴(kuò)大，流速降低，大顆粒雜質(zhì)會(huì)大量淤積在水池進(jìn)水段。

粒徑分別為0.105 mm、0.125 mm、0.149 mm、0.177 mm、0.250 mm、0.420 mm的固體顆粒沉降圖如圖5（a）～（f）所示。由圖可知， 顆粒雜質(zhì)沉降范圍隨著顆粒粒徑的增大而逐漸減小， 當(dāng)粒徑小于0.105 mm 時(shí)，其沉降范圍將會(huì)增大到整個(gè)池底，隨著粒徑進(jìn)一步減小，沉降效果越來(lái)越差，微小粒子會(huì)進(jìn)入水池表層水域。當(dāng)粒徑大于0.420 mm時(shí)，沉降速度極快，基本上在水池進(jìn)口處就完成沉降。目前滴灌推薦過(guò)濾精度為120 目（雜質(zhì)粒徑≤0.125 mm），而當(dāng)粒徑≤0.125 mm 時(shí)， 顆粒會(huì)在整個(gè)水池流道的3/4 處基本完成沉降，再加上120 目溢流網(wǎng)設(shè)置，完全能夠保證水池過(guò)濾水滿(mǎn)足滴灌使用要求。

三、結(jié) 論

通過(guò)對(duì)環(huán)形沉沙過(guò)濾池系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)水流特性進(jìn)行模擬分析，得出沉沙過(guò)濾系統(tǒng)沉淀過(guò)濾效果明顯，粒徑較大的顆粒首先在水池前段沉降， 而粒徑較小的顆粒則會(huì)在整個(gè)池底沉降。 粒徑范圍在0.075～0.125 mm時(shí)， 沉淀過(guò)濾效率為93.7%； 粒徑在0.125mm 以上，沙粒去除率達(dá)到99.3%，已達(dá)到微灌的水質(zhì)要求。

圖5 不同粒徑固體顆粒分布