新型微灌用沉沙池水力特性的数值模拟

郑思敏，汤骅，安杰

新型微灌用沉沙池水力特性的数值模拟

郑思敏，汤骅，安杰

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003）

利用k-ε两方程湍流模型，采用Si mple求解方法，借助大型流体力学软件Fluent，对微灌用新型梯形沉沙池内水力特性进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析研究。结果表明：新型微灌用梯形沉沙池流速值整体较低，数值变化不大，且整个沉淀室流速值较稳定，基本避免了入口处及出口处漩涡的产生，可以有效提高沉沙池的沉降效率，更有利于泥沙的沉降。

新型沉沙池；数值模拟；水力特性；水流流态；泥沙沉降

微灌系统通过灌水器（微喷头或滴头）调节流量，灌水器的流道直径均很小，当使用高含沙量的水源时就会造成灌水器的堵塞，灌水器一旦堵塞。会引起配水不均、系统性能下降，甚至造成整个系统瘫痪，需耗费大量人力和财力排除堵塞或重建系统，因此，灌水器对水质的要求很高。为了使灌水器能正常工作，当前最有效的工程措施之一就是设置沉沙池。

传统的沉沙池设计是以实验为基础的设计，通过反复的设计和实验，并借助于经验的判断最终确定实验方案，设计周期较长，费用也较高，而且对经验的依赖性也较强。CFD（co mputational fl uid dynamics）技术，即计算流体力学技术，近几十年来得到了蓬勃的发展。数值模拟拥有成本低，周期短，能获得完整的数据，模拟出实际运行过程中所测数据的各种状态等优点，因此得到越来越广泛的应用［1］。近年来，刘焕芳等根据新疆节水农业特点，设计了一种主要用于处理悬移质泥沙为主的、服务于节水灌溉农业的微灌用新型沉沙池，并对这种沉沙池进行了研究［2－11］。

本文在物理模型试验的基础上，运用Fl uent软件对新型微灌用梯形沉沙池内水流的流态进行了分析研究，验证了其对沉沙池内水流运动规律模拟的准确性，为相关研究人员进行后续沉沙池模型方面的研究提供理论依据。

1 新型沉沙池数值模拟模型的建立

1.1 沉沙池流场的控制方程

对沉沙池流场的研究，目的是为了研究泥沙在沉沙池中的垂线分布和沿程淤积情况，并在此基础上按照工程要求设计沉沙池的合理尺寸，因此，可将沉沙池水流简化为立面二维水流进行研究［12］。此外，本模型不考虑热量的交换，是单纯流场问题，所以控制方程中不包含能量方程。故控制方程主要包括连续方程、动量方程和湍流模型方程，如下所示：

1）连续方程为：

2）动量方程为：

通过求解以下输运方程得到：

3）k方程为：

4）ε方程为：

以上方程组成了求解沉沙池水流的封闭方程组，其中模型中5个常用参数取值为cμ＝0.09，cε1＝1.44，cε2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

1.2 网格划分

本计算模型采用非正交结构四边形网格，由于沉沙池内水流较为平缓，所以整个区域网格较为均匀，网格间距为0.01 m。

1.3 边界条件

计算模型的进口边界条件选用速度入口边界条件；计算模型的出口边界条件选用自由出流边界条件，与大气相通，出口压力为大气压值，水面为自由界面，没有剪切和滑移速度；计算模型的沉淀室池底与壁面为固壁边界，定义为无滑移边界条件，对粘性底层采用标准壁面函数来求解近壁区域的流动。

1.4 计算模型

微灌用新型沉沙池在传统沉沙池的基础上进行了改进，改进的措施为在沉沙池与渐变段相连接部位设置调流板及在溢流堰上沿水流方向增设溢流槽。

设置调流板可以将渠道流入的具有较大动能和紊动强度的水调节成具有较小动能和紊动强度的水，使水流流速减小并且均匀分布；增设溢流槽可以增加溢流长度，并充分降低溢流堰的堰上水头，只让表层含沙量很低的水溢出，大大提高沉沙池的沉沙效率［4］。

1.4.1 调流板布置形式

调流板的布置形式如图1所示。

图1 调流板布置示意图Fig.1 The arrangement schematic plot of the adjusted distribution of flow field

1.4.2 微灌用梯形断面沉沙池

微灌用梯形断面沉沙池物理模型由进水段、沉淀室段和集水区三部分组成，调流墙设置在工作段首部0.4 m处。

沉沙池模型剖面图如图2所示，梯形沉沙池二维简化模型如图3所示。

图2 梯形沉沙池模型剖面示意图Fig.2 The profile schematic plot of the trapezoid sand basin model

图3 梯形沉沙池二维简化模型示意图Fig.3 The simplify t wo dimension schematic plot of the trapezoidsand basin model

2 计算结果与分析

2.1 Simple算法

本模型采用Si mple算法求解新型沉沙池的水力特性。

Si mple算法是一种主要求解不可压流场的数值方法，也可用于求解可压流动。该算法核心是采用“猜测—修正”的过程，其基本思想是：对于给定的压力场（可以是假定值或者上一次迭代计算所得到的结果），求解离散形式的动量方程，从而得出速度场。

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 残差控制图

残差是一个判断结果收敛的重要标准，其值越小表示计算的精度要求越高，迭代次数越多，流场越平稳，模拟的流场流态就越接近真实的流态，但是迭代次数达到某一较大值之后，迭代次数的改变对模拟结果没有太大影响。

本文采用湍流模型对新型沉沙池内水流流态进行模拟，入水口流速为0.1／s，入池流量Q＝9.45 L／s，残差控制在10－3数量级，迭代次数为550次，残差曲线如图4所示。

图4中，continuity曲线是质量守恒方程的反映，即连续性残差；x-vel ocity曲线与y-vel ocity曲线分别为x与y方向速度的残差曲线；k曲线与epsil on曲线为k-epsil on双方程模型（k-ε两方程湍流模型）的残差曲线。

由图4可见：梯形沉沙池的残差曲线在0～100次之间有一定幅度的波动，随后残差曲线没有大幅度的波动，表明流场迭代趋于平稳，此时模拟流场中的水流运动更能接近实际水流流动特性。

图4 梯形沉沙池550次迭代后残差曲线图Fig.4 The residual value after 550 iterations curve chart of schematic plot of the trapezoid sand basin

2.2.2 水流流态

梯形沉沙池速度等值线如图5所示。

由图5可以看出：水流进入沉沙池后，如果紊动剧烈，那么泥沙在池内运移的距离大，不利于泥沙的沉降。在沉沙池首部设置调流墙后，可以对水流流态进行调整，使流速分布更加均匀，更有利于泥沙的沉降。在整个沉降区域内，入口处速度值达到7.69 c m／s，在经过调流板调节后，沉淀室内的流速值整体降至约2.56 c m／s，整体流速值较稳定，没有较大的波动，对泥沙的沉降很有利。

图5 梯形沉沙池速度等值线图Fig.5 The velocity isoline graph of the trapezoid sand basin

梯形沉沙池内速度矢量分布图如图6所示。

由图6可以看出：梯形沉沙池内速度分布较均匀，整体速度值较低，特别是在接近出口处的一段距离速度值达到最低值，在池底部靠近池壁的地方速度方向基本与池壁保持平行，在出口处避免了回流区的出现，有效提高了泥沙的沉降效率。

图6 梯形沉沙池速度矢量分布图Fig.6 The velocity vector quantity scattergram of the trapezoid sand basin

2.2.3 流函数等值线图

新型沉沙池内流函数等值线图如图7所示。

由图7可以看出：在梯形沉沙池入口处的漩涡明显小于矩形沉沙池，相对能量减小，对周围水流的影响也减弱，而在出口处的右下方，基本避免了漩涡的产生，使出池水流流速平稳，可以有效提高泥沙的沉降效率。沉沙池中部的流速分布比较均匀，流态为层流，较稳定，有利于泥沙的沉降。

图7 梯形沉沙池流函数等值线图Fig.7 The stream function isoline graph of the trapezoid sand basin

2.2.4 与实测结果相比较

河水一般由渠道经渐变段流入沉沙池，渠道的截面宽度要比沉沙池的截面宽度小许多，若不采取工程措施，水由渠道直接进入沉沙池后，容易在沉沙池中间形成主流，两侧形成回流，造成水流流速分布不均匀，并且紊动比较大，不利于泥沙的沉淀［3］。新型沉沙池在工作段的首部设置调流板，使水流流速分布更均匀。

图8为物理模型试验实测流量为9.45 L／s时梯形沉沙池沿程速度分布图。

图8 流量为9.45 L／s时沿程流速分布图ig.8 The way velocity scattergram when the flow is 9.45 l／s

图8 中3条曲线为距模型一侧边壁的距离为30、60、90 c m时沿程速度分布曲线，X轴为距调流板的距离，假设向水流方向为正方向，则逆流方向为负，Y轴为水流流速。

由图8可以看出：初进沉沙池时中部水流流速为最大值10.87 c m／s，距左侧30 c m时流速为10.31 c m／s，60 c m时流速为8.15 c m／s，在经过调流板的调节作用后，速度均减慢，至池末速度最小值达到2.93 c m／s，且随着与调流板的距离增加，流速分布都较为平稳，只有边壁处流速出现波动值。

图5、图6的模拟结果显示：梯形沉沙池整个沉降区域内速度值较低，入口处速度值达到7.69 c m／s，沉淀室内的流速值基本达到2.56 c m／s，且数值变化不大，整体流速较稳定，与实测结果基本一致。

综上所述，梯形沉沙池内水流流态稳定，速度值分布均匀，可以有效提高沉沙池的沉降效率，有利于泥沙的沉降。

3 结论

微灌用新型沉沙池在传统沉沙池的基础上进行了改进，在沉沙池首部增设调流板来对入池水流进行调节，以及在沉沙池溢流堰部位加设溢流槽来降低出池水头，最终达到降低出池含沙量的目的。

本文以新型微灌用梯形沉沙池为计算模型，利用k-ε两方程湍流模型，采用Si mple求解方法，借助大型流体力学软件FLUENT，对新型微灌用梯形沉沙池内的水力特性进行了分析研究，得出以下结论：

1）研究结果表明，新型微灌用梯形沉沙池流速值整体较低，数值变化不大，且整个沉淀室流速值较稳定，基本避免了入口处及出口处漩涡的产生，可以有效提高沉沙池的沉降效率，有利于泥沙的沉降。

2）实测结果表明，梯形沉沙池水流初进沉沙池时速度较大，在经过调流板调节作用后，速度分布较为平稳，只有边壁处出现波动值，模拟结果与实测结果基本一致。

3）采用湍流模型对沉淀室内水力特性进行了数值模拟，在进行物理试验模型的基础上用数值模拟方法进行验证，可以更精确、更有效地得到结论，有助于沉沙池设计的准确性和合理性，数值模拟方法能够作为试验的补充方法对工程实际应用提供依据。

［1］刘霞，葛新锋.FLUENT软件及其在我国的应用［J］.能源研究与应用，2003（2）：36-38.

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［12］杨红，潘光在.沉沙池立面流场数值模拟研究［J］.泥沙研究，2000（4）：55-59.

The Numerical Si mulation of Hydraulic Characteristics of a New Type Grit Chamber Used f or Micro-irrigation

ZHENG Si min，TANG Hua，AN Jie
（College of Water ＆ Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

The k-εtur bulence model and Si mple solution method with the lar ge-scale hydro mechanics soft ware-Fluent are applied to si mulate the hydraulic characteristics of a new type trapezoid sand basin in micro-irrigation，and analysis on the si mulation result are perfor med.The results show that the overall flow velocity value of the new type trapezoid sand basin is relatively low and its value also showed less variation，and the flow velocity value in whole settling chamber is relatively stable and the vortex can be avoided in the entrance and exit，which can also i mprove t he settling efficiency of the sand basin and more conducive to sedi ment settlement.

new type sand basin；nu merical si mulation；hydraulic characteristics；flow patter n；sedi ment settlement

TV673.1

A

1007-7383（2011）04-0490-05

2010-00-00

国家自然科学基金项目（50869008）

郑思敏（1986-），女，硕士研究生，专业研究方向为工程水力学；e-mail：zhengsi min321＠163.com。通讯作者：汤骅（1968-），男，副教授，从事工程水力学研究；e-mail：thlx＠shzu.edu.cn。