灌溉管网中变径管水力特性研究

史皓男

（辽宁省康平县水利局，辽宁沈阳110500）

灌溉管网中变径管水力特性研究

史皓男

（辽宁省康平县水利局，辽宁沈阳110500）

随着管道输水技术的发展，灌溉效率显著提升。如何降低管网水头损失是提升灌溉效率的主要途径。基于国内外研究情况，通过水力学试验和数值模拟对变径管的阻力特性和流场进行了分析。结果表明：随雷诺数的增大，变径管局部阻力系数逐渐减小，管道水流处于阻力平方区；沿流动方向，压力逐渐减小，在下游出现负压梯度区；上游管道的流态较稳定，变径段出现涡流，下游段紊流旺盛。

灌溉管网；变径管；水力特性；试验；数值模拟

引言

随着工业和城市生活用水量快速增长，我国水资源日趋紧张，提升水资源利用效率是今后研究的重点［1-2］。鉴于我国大多数地区的灌溉方式为漫灌，研究节水灌溉技术迫在眉睫。目前，管道输水在灌区中得到了广泛应用，但各级管道组成灌溉的管网体系较为复杂，如何合理进行管网设计仍需深入研究。降低管网水头损失是提升灌溉效率的重要途径，管网水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失［3］。沿程水头损失计算较为简单，可根据沿程阻力系数进行计算；但局部水头损失计算较为复杂，是管网设计的难点，需根据局部阻力系数计算［4-5］。变径管是管网中常用的连接件之一，可实现不同管径之间的平稳过渡，在一定程度上减小水头损失。因此对管网中变径管水力特性的研究，对管网的合理设计具有重要意义。

1 变径管水力特性试验

变径管是灌溉中常用的连接管件，用于改变管道直径，提升供水效率。本文试验台位于康平县水利局，试验装置如图1所示。试验流程如下［6］∶首先在水池中加满水，再利用水泵向管道系统输水；利用调节阀1控制管道中的流量，流量通过精度为±2‰的电磁流量计测得；在变径管前后分别设置两个测压点，测压点的压力由硅压阻式压力传感器量测；在管道出口设置调节阀2用于控制测试管道中的压力，水流经过回水管流回水池。试验中用到的不同参数变径管，如图2所示。

图1 试验装置示意图

图2 试验用变径管

硅压阻式压力传感器是将压力转换为电压信号的敏感元件，其由单晶硅的压阻效应原理制作的。试验中将压力传感器采集的信号传输到计算机，经过计算机的处理后，输出压力值。为了确保试验数据的准确性，需对电磁流量计、压力传感器、管道和变径管等进行标定和量测，测试系统电源采用稳压电源。

2 模型建立及边界条件

2.1数学模型

数学模型选择往往需要考虑流体的物性参数、试验精度、测量设备、计算机性能等因素。本次选择R N G k-ε模型，具有较高的计算精度。R N G kε模型考虑了湍流漩涡的影响，引入了低雷诺数流动粘性的解析公式，从而使计算结果具有更高精度和可信度。R N G k-ε模型在强逆压力梯度、射流扩散率、回流、旋转流动计算中的精度明显高于SA模型和标准k-ε模型。整个计算过程涉及到流体的连续性方程、动量方程和能量方程。由于变径管中的流动为稳定流动，因此忽略时间的影响。其连续性方程为［7］∶

其中∶u为速度；x为横坐标；下标i，j＝1，2，3分别表示x、y、z三个方向；ρ为密度；p为压力；μ为粘度；δij为修正项；k为动能能量；ε为耗散率；α为修正因子；C1z和C2z为经验系数；Gk为层流速度梯度产生的湍流动能。

2.2边界条件设置

首先利用G A MB I T建立变径管的模型，计算范围选择整个试验段，网格划分选择六面体网格，对变径管上游5倍和下游10倍管径利用四面体网格进行网格加密，整个模型的网格数控制在30万左右。网格划分情况见图3。进口为垂直管道的速度入口，出口为自由出流，考虑重力作用，设置定常流动，采用SI MP L E C法进行耦合，格式采用二阶高精度格式，壁面无滑移，近壁面采用标准壁面函数计算。

图3 变径管网格划分

3 试验结果分析

3.1阻力特性分析

根据伯努利方程，灌溉管网水平管道中任意两个截面水头应满足∶

其中∶p为平均压强；z为平均高程；u为平均速度；α为动能修正系数。

不同流速下的沿程水头损失计算式为∶

其中∶L为管道长度；d为管道直径；g为重力加速度；v为平均流速。

变径管局部阻力系数计算式为∶

其中∶hj为局部水头损失。

在变径管处，由于管径的改变，使主流脱离边界形成了漩涡，进而造成水头损失，此称为变径管局部阻力损失。其包括变径管本身造成的水头损失和上下游管道受到直径变化影响导致的水头损失。在计算中利用沿程水头损失和流程长度比值进行换算，能抵消管壁摩阻的影响。图4给出了D N 90× 75变径管局部阻力系数试验值和计算值的变化情况。

图4 局部阻力系数试验值与计算值对比

不同参数的变径管局部阻力系数对照如图5所示。

由图4和图5可知∶雷诺数较小时，局部阻力系数较大，粘滞力作用最大。但随着雷诺数的增大，流速逐渐变大，惯性力的作用逐渐占据主导位置。整体上随雷诺数的增大，局部阻力系数逐渐减小，当雷诺数超过一定数值后，局部阻力系数基本趋近于一个定值，变化幅度很小，此时管道的水流进入阻力平方区。对于不同参数的变径管，进入阻力平方区时的局部阻力系数差别较大。灌溉管网中的水流多数是阻力平方区状态，因此可以通过试验得到不同参数变径管局部阻力系数分布情况，通过阻力系数可计算得到管网中变径管的局部阻力损失，为管网设计提供参数取值参考。

图5 两种变径管局部阻力系数对比

3.2变径管流场分析

对变径管D N 110×75进行了有限元分析。流速为0.85m/s，其X Z截面压力云图如图6所示。由图6可知∶沿管道自上游向下游方向，压力呈逐渐减小的趋势，变径管上游管段压力最大，下游管段较上游有明显的减小，甚至在入口处出现负压，在变径管处逆压梯度变化尤为明显。

图6 变径管D N 110×75压力云图

负压产生的原因是由于水流受惯性作用沿变径管流动进入下游管入口处时，水流方向改变不迅速，在变径管收缩段到下游直管段的边壁，主流在惯性力作用下会与管壁产生脱离现象，进而出现真空区，产生负压。

管道中流速分布表现为轴线上流速最大，管壁处由于存在摩阻等阻力，向管壁逐渐变小，如图7所示。变径管上游管道的流速较小，流态较稳定，变径段流速加快，进入下游段时发生强烈的紊流混掺，边界层在变径段形成涡流区，下游管段存在负压现象，流态不稳定。

图7 变径管D N 110×75速度矢量分布

4 结论

近几年，我国农业节水灌溉研究进展迅速，滴管和微喷灌得到了广泛应用。但国内对灌溉管网水力特性的研究还不多见，由于资料中给出的阻力系数多为经验值，且变化范围较大，根据传统经验数据设计灌溉管网会出现管径选择不合理、效率较低甚至出现爆管。本文通过水力学试验和数值模拟对变径管的阻力特性和流场进行了分析，通过本文方法可得到不同参数变径管局部阻力系数分布情况，可计算得到管网中变径管的局部阻力损失，为管网设计提供参数取值参考。

［1］武阳，李益农，刘群昌.大规模灌溉管网的发展分析研究［J］.中国农村水利水电，2015（01）∶1-3.

［2］朱成立，谢志远，柳智鹏.基于蚁群算法的灌溉管网布置与管径优化设计研究［J］.江西农业学报，2015（03）∶93-96.

［3］章少辉，刘群昌，白美健，等.规模化灌溉管网非恒定流模拟研究［J］.灌溉排水学报，2014（Z 1）∶325-330.

［4］马雪琴，吕宏兴，朱德兰，等.基于遗传算法的树状灌溉管网优化设计［J］.中国农村水利水电，2013（04）∶50-52.

［5］王占林.A P N技术在辽宁省水情自动测报系统中的应用［J］.水利技术监督，2015（05）∶14＋77.

［6］张建国.浑河闸水情自动遥测系统技术应用［J］.水利规划与设计，2015（08）∶45-46＋56.

［7］夏云林.旱田节水灌溉技术——喷灌［J］.水利规划与设计，2015（08）∶42-44.

T V 131.2＋2

：A

：1672-2469（2016）05-0066-03

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.025

2015-11-11

史皓男（1980年—），男，工程师。