胡松可，李文昊，楊 廣，劉寧寧，金 瑾

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000； 2.石河子大學(xué) 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

1996年新疆引入滴灌技術(shù)，歷經(jīng)20余年發(fā)展，截至目前，全疆滴灌規(guī)模超過(guò)5 100萬(wàn)畝(1 畝≈666.67 m2)，初步建成全國(guó)節(jié)水灌溉示范基地[1]。但新疆地表水源多來(lái)自高山，泥沙含量高，如何降低灌溉水泥沙含量，保障灌溉水順利通過(guò)孔徑僅為0.5～1.2 mm的灌水器，成為提高滴灌系統(tǒng)工作效率的重要環(huán)節(jié)。沉沙池在其中扮演了重要“角色”[2]。

專家學(xué)者對(duì)沉沙池結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行研究。Milligan[3]建立了矩形沉沙池的二維數(shù)值模型，研究了清水條件下池內(nèi)流場(chǎng)；Nasiha等[4]在模型中加入了泥沙顆粒，分析了不同顆粒級(jí)配泥沙的沉降速度，但并沒(méi)有解決“固液”之間的耦合作用；隨后，Bibi等[5]使用控制方程將“固液”相結(jié)合分析了水沙特性。郭鑫等[6]采用流體體積(VOF)追蹤自由水面，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，描述了圓中環(huán)沉沙排沙過(guò)濾池水力特性；徐長(zhǎng)賀等[7]采用Fluent軟件對(duì)平流式沉淀池、輻流式二次沉淀池和折流式沉淀池進(jìn)行了“固液”兩相流模擬，探討了不同工況下池內(nèi)“固液”兩相流流場(chǎng)變化；王克遠(yuǎn)等[8]研究了重力式沉沙池內(nèi)調(diào)流板孔洞布置形式對(duì)沉沙率的影響。綜上，已有成果多基于生產(chǎn)實(shí)踐，采用數(shù)值模擬的手段對(duì)沉沙池水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，為指導(dǎo)沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ),但少有對(duì)傳統(tǒng)沉沙池進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的成果。

基于此，本文針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中傳統(tǒng)直線型沉沙池存在的沉沙效率低等問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，形成長(zhǎng)流道式直線型沉沙池。同時(shí)采用Fluent軟件對(duì)長(zhǎng)流道式直線型沉沙池進(jìn)行局部流場(chǎng)模擬，并搭建物理模型進(jìn)行驗(yàn)證，確定了有無(wú)調(diào)流板和不同調(diào)流板角度對(duì)池內(nèi)流態(tài)和泥沙沉淀率的影響。研究結(jié)果可為沉沙池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐。

2 材料與方法

2.1 沉沙池結(jié)構(gòu)及工作原理

沉沙池物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬采用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。其工作區(qū)由前池和后池兩部分組成，前池為傳統(tǒng)直線型沉沙池，后池為本文優(yōu)化結(jié)構(gòu)(圖1(c)),從左至右坐標(biāo)定義為-2～0 m)。工作原理如下：含沙水流經(jīng)漸變段進(jìn)入前池，流速降低，初步沉淀大顆粒泥沙；然后，含沙水流經(jīng)引流段進(jìn)入后池，最終清水從后池出口流出。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.1 Test design parameters

2.2 沉沙池研究?jī)?nèi)容及方案

本文沉沙池前池借鑒宗全利等[9]的研究成果，只針對(duì)后池關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。物理模型設(shè)計(jì)為60°傾角和無(wú)調(diào)流板。通過(guò)與同結(jié)構(gòu)下仿真流速模擬結(jié)果比較，驗(yàn)證仿真方法的可行性。進(jìn)而設(shè)置4種結(jié)構(gòu)模式(無(wú)調(diào)流板，30°、45°、60°傾角調(diào)流板)，采用牛頓-歐拉顆粒跟蹤模型進(jìn)行模擬，分析池內(nèi)流速和含沙量變化，判別泥沙顆粒沉淀率。

2.3 試驗(yàn)初始條件

本試驗(yàn)選取3個(gè)特征斷面(圖1(c))研究池內(nèi)流速和泥沙沉淀量。斷面水平方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔0.2 m，垂直方向設(shè)相對(duì)水深為0.2、0.6和0.8三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并使用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀測(cè)流。由于灌溉水源來(lái)源于瑪納斯河，且前池出口泥沙顆粒的粒徑介于0.2～1.2 mm之間，所以本模擬參考實(shí)際工程灌溉用水量，采用3種流速針對(duì)<1.2 mm顆粒進(jìn)行研究。河沙的顆粒級(jí)配和沉沙池運(yùn)行模擬參數(shù)見表1和表2，其中0.065 m/s為常用灌溉速度。

表1 河沙的顆粒級(jí)配Table 1 Particle size distribution of river sand

表2 沉沙池運(yùn)行模擬參數(shù)Table 2 Simulated parameters of operating desilting basin

2.4 控制方程

牛頓-歐拉模型可描述固液混合相的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而評(píng)估“固液”相在池中的瞬態(tài)規(guī)律。以往的研究通常將固相描述為非牛頓流體，然而，人們普遍認(rèn)為當(dāng)流體中含有更多的細(xì)顆粒時(shí)，其與牛頓流體的模式密切相關(guān)。因此，本試驗(yàn)假設(shè)固液混合相為牛頓不可壓縮流體，本文模擬采用牛頓-歐拉顆粒跟蹤模型。k-ε湍流模型的計(jì)算公式為[10]：

(2)

式中：σk、σε、Cε1、Cε2為模型參數(shù)；μ為混合流體的黏度；μT為流體黏度系數(shù)；Pk為雷諾應(yīng)力；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；ρ為密度；t為時(shí)間；u為流體平均流速；?k為k的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；?ε為ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

牛頓第二定律的粒子跟蹤模型模擬每個(gè)粒子的瞬態(tài)行為。動(dòng)量方程為：

(3)

(4)

式中：FD、Fg、Fext分別為阻力、重力和外力；mp為粒子的質(zhì)量；v為粒子平均速度；τp為粒子速度響應(yīng)時(shí)間；uf、up分別為流體和粒子的速度。

每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算公式為

(5)

式中ρp、dp分別為粒子的密度和直徑。

2.5 數(shù)值模擬

用Solidworks構(gòu)建沉沙池模型；用ICEM對(duì)模型進(jìn)行Part和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了保證計(jì)算精度，對(duì)引流段區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)的仿真精度、數(shù)值穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算時(shí)間的測(cè)試，最終確定為5 471 141個(gè)網(wǎng)格。模型邊界條件設(shè)置為：進(jìn)水口為速度入口；出口為自由出流(壓力值為大氣壓)；池壁為無(wú)滑移壁面；水面為自由邊界。

3 結(jié)果分析

3.1 模型的驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是評(píng)估沉沙池?cái)?shù)值模擬過(guò)程中可靠性的關(guān)鍵步驟。依據(jù)沉沙池物理試驗(yàn)可得各監(jiān)測(cè)斷面不同水層流速變化(圖2)，之后，用Fluent軟件對(duì)模型水流進(jìn)行模擬。由圖2可知：各水層有調(diào)流板流速低于無(wú)調(diào)流板流速，在1-1—3-3斷面流速分別減小22.96%、20.34%、22.13%，說(shuō)明調(diào)流板能夠有效降低池內(nèi)流速；在有調(diào)流板池內(nèi)0.6～0.8相對(duì)水深內(nèi)，流速斜率較大，說(shuō)明有調(diào)流板池內(nèi)上層水流流態(tài)較為穩(wěn)定。

圖2 各相對(duì)水深流速分布Fig.2 Distribution of velocity under different relative water depthes

由于出口處為判斷沉沙池優(yōu)劣的關(guān)鍵斷面，本研究選擇3-3斷面作為驗(yàn)證斷面。圖3(a)和圖3(b)顯示了3-3斷面處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，利用線性擬合得到有無(wú)調(diào)流板數(shù)值模擬與物理模型的結(jié)果高度吻合(60°調(diào)流板時(shí)R2≈0.94，無(wú)調(diào)流板時(shí)R2≈0.97)，說(shuō)明采用該模擬方法對(duì)本研究進(jìn)行分析具有可行性。

圖3 模擬值與實(shí)測(cè)值流速關(guān)系Fig.3 Relations between simulated velocity and measured velocity

3.2 沉沙池流體運(yùn)動(dòng)分析

調(diào)流板設(shè)置改變了池內(nèi)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)形式，進(jìn)而影響泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡。圖4(a)—圖4(d)分別說(shuō)明了無(wú)調(diào)流板、30°、45°和60°傾角調(diào)流板時(shí)池內(nèi)速度流場(chǎng)的變化規(guī)律，其中：色條表示池內(nèi)流速變化，黑色實(shí)線表示池內(nèi)水流流線變化。模擬結(jié)果表明：引流段相較于無(wú)調(diào)流板的直線形水流運(yùn)動(dòng)，調(diào)流板池內(nèi)水流做“S”曲線運(yùn)動(dòng)，并形成局部小型渦流，消耗水流動(dòng)能，顯著降低后池入口處水流流速。水流在后池內(nèi)部形成X和Y兩個(gè)渦流區(qū)。將有無(wú)調(diào)流板渦流強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有調(diào)流板池內(nèi)渦流強(qiáng)度均大于無(wú)調(diào)流板；強(qiáng)度越高形成的動(dòng)能和動(dòng)能耗散率越高，池內(nèi)水流動(dòng)能消耗量越大，說(shuō)明調(diào)流板起到很好的消能效果。

圖4 沉沙池內(nèi)的速度云圖Fig.4 Velocity cloud in the desilting basin

由圖4(b)—圖4(d)的速度云圖可得，不同角度調(diào)流板在X和Y區(qū)域內(nèi)渦流強(qiáng)度不同，且隨調(diào)流板角度增加，高流速區(qū)域逐漸減小，說(shuō)明調(diào)流板角度的設(shè)置能夠很好地起到消能作用，降低池內(nèi)水流流速，遵循低流速高沉沙的原理，有利于促進(jìn)池內(nèi)泥沙顆粒的沉淀。由圖4出口處速度云圖可得，無(wú)調(diào)流板流速呈現(xiàn)左低右高趨勢(shì)，且流速波動(dòng)幅度大于有調(diào)流板。

流速是影響泥沙顆粒沉淀的主要因素之一，流速越低，水流挾沙力越小，越有利于泥沙顆粒的沉淀。由圖5可知，無(wú)調(diào)流板的池內(nèi)流速多高于有調(diào)流板，說(shuō)明調(diào)流板能夠有效降低池內(nèi)流速。圖5(a)顯示-0.6～0 m段流速明顯高于-2～-0.6 m，主要是水流經(jīng)引流段過(guò)渡到Y(jié)區(qū)域時(shí)形成了渦流，改變了原有流態(tài)，造成-0.6～0 m段流速較高。圖5(b)顯示后池外側(cè)流速高于內(nèi)側(cè)流速，其原因是在X區(qū)域內(nèi)水流靠近池外壁形成了較大的渦流，提高了池壁接觸面水流流速，使邊界流速高于中心部位約5.6倍，其消耗水流動(dòng)能，降低流速有利于泥沙顆粒的沉淀。圖5(c)顯示后池中線兩邊的流速變化較大，表明設(shè)置調(diào)流板改變了原有水流的流向，調(diào)流板的設(shè)置引導(dǎo)水流向外側(cè)流動(dòng)，因此外側(cè)流速高于內(nèi)側(cè)。在-2～-1.4 m斷面內(nèi)，由于調(diào)流板的影響，無(wú)調(diào)流板流速較低；在-1.4～-0.6 m斷面內(nèi)，60°傾角調(diào)流板流速最低，較無(wú)調(diào)流板降低了39.44%。綜合圖5可知，在1-1斷面和3-3斷面設(shè)有60°傾角調(diào)流板沉沙池水流流速分別為無(wú)調(diào)流板的51.72%和78.08%，說(shuō)明調(diào)流板消能效果顯著，有助于泥沙沉淀。

圖5 各監(jiān)測(cè)斷面流速變化Fig.5 Variation of flow velocity at each monitoring section

3.3 沉沙池中顆粒運(yùn)動(dòng)分析

在傾角60°調(diào)流板后池中設(shè)置不同粒徑的泥沙，監(jiān)測(cè)斷面泥沙含量，判斷沉沙率，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。結(jié)果表明：隨泥沙粒徑的增加，沉沙率增加。其中粒徑0.8 mm以上的泥沙沉沙率達(dá)80%以上，其主要原因?yàn)槌辽吵貎?nèi)紊動(dòng)強(qiáng)降低，對(duì)本研究泥沙顆粒級(jí)配中0.8 mm以上的粒子影響較小而沉淀。0.2～0.8 mm粒徑范圍內(nèi)，隨泥沙粒徑增大，沉淀率提升效果越顯著，最大達(dá)到17.16%，極大地降低池內(nèi)水流泥沙顆粒含量，其中，針對(duì)>0.4 mm粒徑泥沙顆粒的沉淀率達(dá)到50%以上，這將極大地降低灌水器工作負(fù)擔(dān)。對(duì)粒徑0.20～1.25 mm顆?？傮w沉淀率分析可得，后池泥沙顆粒的平均沉淀率可達(dá)71.62%。

表3 調(diào)流板傾斜角度為60°時(shí)沉沙池顆粒監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Monitoring results of sedimentation particles when the angle of flow-adjusting board is 60°

圖6模擬了含沙量一定條件、3種流速、4種結(jié)構(gòu)模式下出口處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)泥沙顆粒含量的變化規(guī)律，其中圖6(a)和圖6(b)分別為0.065 m/s流速下運(yùn)行10、20 min時(shí)出口處含沙量，圖6(c)和圖6(d)分別為0.03、0.1 m/s流速下運(yùn)行20 min時(shí)出口處含沙量。

圖6 含沙量變化規(guī)律Fig.6 Variations of sediment concentration

圖6(a)顯示，運(yùn)行10 min后出口斷面泥沙含量的變化差異較大，因?yàn)檫\(yùn)行10 min以內(nèi)模型中池內(nèi)的水流沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；圖6(b)—圖6(d)顯示，運(yùn)行20 min后設(shè)計(jì)調(diào)流板的后池出水口顆粒含量均低于無(wú)調(diào)流板，出口含沙量隨流速和隨調(diào)流板角度增加而降低。對(duì)比圖6中的(a)、(b)圖可得，池內(nèi)水流不穩(wěn)定時(shí)易增加池內(nèi)水流挾沙力，不利于泥沙沉降，而調(diào)流板的設(shè)置能夠很好地穩(wěn)定池內(nèi)流速，增加池內(nèi)泥沙沉淀率；對(duì)比圖6中的(b)、(c)、(d)圖可得，調(diào)流板能夠改變池內(nèi)流態(tài)、影響沉沙率，有調(diào)流板出口含沙量比無(wú)調(diào)流板在高、中、低3種流速下含沙量均值分別下降了18.21%、12.67%、8.72%，且出口含沙量分別為1.59、1.32、1.12 g/L，說(shuō)明調(diào)流板提高沉沙率效果顯著。再對(duì)比圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，出口處泥沙含量呈現(xiàn)高流速高含沙、低流速低含沙，進(jìn)一步說(shuō)明水流流速對(duì)池內(nèi)泥沙沉淀效果起到顯著的作用。

4 討 論

由于物理模型試驗(yàn)難以將工程中物理變量隨時(shí)間和空間的變化可視化，而數(shù)值模擬可解決上述問(wèn)題。本試驗(yàn)采用物理-數(shù)值模型相結(jié)合的手段確定了調(diào)流板傾角為60°時(shí)更有利于池內(nèi)泥沙顆粒的沉淀，但未考慮進(jìn)口流速和含沙量變化對(duì)池內(nèi)流速和顆粒分布的影響，今后需對(duì)入口流速和含沙量的變化對(duì)泥沙運(yùn)行規(guī)律影響進(jìn)行深入分析。池內(nèi)泥沙是逐級(jí)沉淀的過(guò)程，隨池內(nèi)沉淀量的增加，是否會(huì)影響池內(nèi)流態(tài)和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，這需要進(jìn)行UDF編程和定義，較為復(fù)雜，所以本文未涉及池內(nèi)泥沙沉淀堆積過(guò)高的研究，此項(xiàng)需要進(jìn)行專門研究。此外，今后需要對(duì)沉沙池的尺寸進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，從而選擇出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

5 結(jié) 論

本文采用Fluent軟件中的牛頓-歐拉模型對(duì)后池的“固液”耦合流場(chǎng)進(jìn)行了求解，從水力特性和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律兩個(gè)方面對(duì)改進(jìn)后的沉沙池性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

(1)數(shù)值模擬與試驗(yàn)流速結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該模擬方法的合理性和準(zhǔn)確性。

(2)后池工作區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了2個(gè)主要的渦流區(qū)域，消耗水流動(dòng)能，降低流速；有調(diào)流板流速低于無(wú)調(diào)流板，且隨調(diào)流板的角度增加，池內(nèi)流速逐漸降低。傾角為60°時(shí)流速最低，有利于促進(jìn)泥沙顆粒沉淀。

(3)隨著時(shí)間的推移，池內(nèi)流態(tài)趨于穩(wěn)定，常用流速下，有調(diào)流板比無(wú)調(diào)流板池內(nèi)在中流速下含沙量均值下降12.67%，60°傾角調(diào)流板時(shí)沉沙池出口泥沙含量最低可實(shí)現(xiàn)1.32 g/L。隨流速增加、調(diào)流板角度和粒徑減小，泥沙顆粒沉淀率逐漸較小。整體而言，后池泥沙顆粒的平均沉淀率達(dá)到71.62%。