基于Fluent软件的低压输水管道沉沙池流场模拟分析研究

范海东

(中工武大设计研究有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

作为农业水资源调度重要水利设施，建设输水管道是解决水资源供需不足的重要举措[1-2]，阿克苏乡高效节水低压管道工程是推进高效节水的试点工程，为改善牧区生产条件，转变传统生产方式，增加牧民收入，构建和谐社会做出贡献。沉沙池在输水管道中起着沉淤降沙作用，研究该设施流场特性，分析沉沙效率与流场之间联系，提升输送水效率[3-4]。已有一些水利工程师与学者通过有限元分析，模拟计算沉沙池水流场特征；或通过现场监测与水工模型，获得实测数据，分析数据规律，得出一些重要结论[5-8]。本文将利用流体模拟软件建立分析模型，探讨沉沙池流场特性，为提升输水管道运输效率提供重要理论参考。

1 工程概况

阿克苏乡隶属于新疆达坂城，是新疆重要牧场，而农牧场的发展离不开水资源，为提升该地区牧区生产条件，增加牧民收入，在阿克苏乡地区建设高效节水低压传输管道。流经牧区有一条黑沟河，北南流向，年流量为8.56×107m3，年径流变差系数Cv为0.20，本项目输水源头即来自该河流，河流泥沙含量较多，流经区域内河道坡度较大，岸坡大量岩土体被冲刷作用影响，颗粒松散，故该输水管道考虑设置沉沙池，减少浮沙比。经检测河流水质，各项指标均符合农田灌溉用水的标准。地下水抽检结果为TDs<0.4 g/L的HO3SO4-Ca(Mg)型淡水，赋存在河流大面积的冲积平原下沉积岩土层中。项目区内属典型内陆型气候，具有风沙大、温差大等特点。考虑地下水资源充足，采取河流水资源与地下水资源补充性使用，设置一条主管为地下水井出水管，次管连接主管进入农牧区，可增加灌溉面积8 hm2。

根据项目区内地质钻孔及现场踏勘，项目区域位于准噶尔-北天山褶皱带中南部，沉沙池工程场地位于柴窝堡-达坂城山间断陷盆地，场地内并无活跃地质构造带，地层出露为中生界发育岩石，主要为砾石及部分粉砂岩，粒径最大可达20 cm，深度超过2000 m。上覆土层为第四系河流冲洪积堆积物，由于属中游地带，土层与浮沙被河流冲积搬运影响，覆盖厚度仅为3～4 m，主要有粉土及砂砾石，粉土属低液限，厚度约1～2.5 m，抽水试验表明属中等渗透性土；砂砾石呈稍密状态，粒径均超过20 mm，基岩层为凝灰质砂岩，标准承载力可达300 kPa，埋藏完整性较好，室内岩石力学试验表明孔隙度较低，渗透性较差。基于上述工程资料分析，针对沉沙池水流场特点，以Fluent软件计算分析其流场特征。

2 沉沙池流场模拟理论

针对沉沙池所处物理场条件，考虑采用GAMBIT作为前置处理软件，基于数学模型下的雷诺时均法，作为湍流模拟的理论基础，常见的湍流数学模型有[9-10]：

零方程模型如式(1)所示：

(1)

式中:μt为黏度系数，l为渗流长度,m。

以时均连续方程和应力值联系，并考虑湍流扩散作用，表征流体介质的湍流能量的传输过程，建立了单方程模型，如式(2)、式(3)所示：

(2)

(3)

式中:σk、CD、Cμ为试验常数。

在单方程模型基础上，加入湍流尺度因素，考虑湍流尺度对湍流能量的耗散，获得湍流运动中黏度值表达式如式(4)所示：

(4)

该方程简化了复杂水流在各方向上湍流运动作用，考虑了雷诺应力对黏度值影响，故Fluent软件中将采用该方程表达式作为湍流模型。

针对沉沙池自由表面处模拟，本文以标高函数法作为基础方程，根据水深h受时间及定位所影响，自由表面处流体方程如式(5)所示：

(5)

式中:us、vs为x、y向上速度分量,m/s。

沉沙池内水流连续方程为式(6)所示：

(6)

根据能量守恒定律公式(7)所示：

(7)

进而，获得紊动能耗散率方程为式(8)所示：

(8)

式中:fi为体力,N；P为压力,Pa；ui为i方向速度分量，m/s；Pr为紊动能率；vi为漩涡黏度参数。

基于以上模型方程引入至沉沙池流场模拟，根据PISO算法获得流场参数收敛值。

3 沉沙池水流流场分析

3.1 沉沙工况

3.1.1 建立模型

沉沙池长度为5 m，宽度为1 m，底部坡度为0.5，以六面体单元作为模型基本单元体，划分出模型网格单元，共有12 368个单元，节点数92 682个，所建几何模型如图1所示。

3.1.2 计算结果

本文以模型中y=0 m、-0.2 m、-0.4 m三个断面为该工况下横向代表断面，x=1 m、3 m、4 m 作为纵向代表断面开展分析，图2为断面流速分布图。

从图2可看出，沉沙池横向断面上在池口处流速较大，最大可达0.95 m/s，为y=0 m断面，以沉沙池内近池口处调流板为分界点，调流板后池内的流速逐渐降低，调流板前后流速降低幅度达33.4%，且在两翼出现有负流速，表明两侧由于调流板影响，存在回流现象。y=-0.2 m断面与y=0 m断面有所类似，流速由池口至池中，直至池末端，逐渐降低，但该断面下池口处最大流速仅为前者的36.8%。y=-0.4 m断面由于深度超过调流板影响范围，其断面上不存在回流，但其最大流速相比前两断面，均有所下降，仅为y=0 m 断面的26.3%。

相比横向断面上流速分布特征受调流板影响显著，纵向断面上x=1 m代表断面位于调流板前，其最大流速为0.72 m/s，处于池底，在水面上流速几乎均为0.10 m/s上下，当经过扩散段后，其流速随池内深度逐渐增大，水面至池底，流速增大了6倍，且该断面上不存在回流。x=3 m断面上池内流速随深度增加，逐渐降低，但不同深度段降低幅度有所差异，可划分为三段，水面至深度0.32 m处，流速平均每米下降流速为0.025 m/s；深度0.32 m至0.8 m处，平均每米下降0.005 m/s；深度0.8 m至池底，下降值为0.100 m/s，且各深度段内均不存在负流速，池内浅深度内大流速有利于泥沙悬浮沉降，直至在水中减弱速度与池底速度一致，最终沉淀在池底。x=4 m 断面接近于沉沙池末端，内部流速愈发放缓，存在回流，流速分布与竖向上有所类似。

图1 几何模型与数值模型

图2 横、纵向断面上流速分布云图(单位：m/s)

图3为沉沙工况下横向断面上湍动能与湍动能耗散率。从图中可看出，y=0断面湍动能与其流速分布有所类似，在池口处与调流板前段区域内，湍动能较大，分布较为密集，而过调流板后，沉沙池湍动能约为0.01 m2/s2。y=-0.2 m、-0.4 m 断面有所类似，均呈现池口湍动能大，沉沙池末端湍动能较小，两断面湍动能最大降低幅度分别为50.0%、66.7%。综合分析可知，湍动能总是沿水面至池底、池口至池末端逐渐降低。湍动能耗散率与湍动能有所类似，池口处耗散率较高，随着水流穿过调流板，延伸至池末端，逐渐降低，从三个断面湍动能耗散率表现来看，池末端与池口处耗散率相差约有8～10倍。

图3 横向断面湍动能与湍动能耗散率(沉沙工况)

为研究泥沙悬浮与沉淀，引入非淤流速，表征沉沙池沉积泥沙特性，非淤流速计算如式(9)[11-12]

(9)

式中:Uc为非淤流速,m/s；η、ks为糙度系数；R为水力半径,m；ω90为d90沉降速率,m/s；Sv为含沙度。

经沉沙池各参数代入计算，获得非淤流速为1.05 m/s，对比三个纵向断面上平均流速值可知，x=1 m、3 m、4 m平均流速分别为0.307 m/s、0.022 m/s、0.037 m/s，即三个断面平均流速均低于非淤流速，故从非淤流速参数来看，该沉沙池亦是满足沉积泥沙的作用，设计较为合理。

3.2 排沙工况

3.2.1 建立模型

在前述沉沙工况模型基础上，在沉沙池模型中添加排沙设备，该排沙设备为漏斗状，出口直径为100 mm，并基于六面体微单元建立几何模型，划分网格单元，如图4所示。设定1#方案进口处流沙流量为10 L/s，2#方案进口处水面流速为0 m/s，模拟计算方法均与前述沉沙工况下一致。

3.2.2 计算结果

图5为排沙工况下两方案流速与水面流速结果云图。从图中可看出，1#方案流速沉沙池前端分布较为密集，池末端处聚集度高于2#方案，且在进口处出现回流，末端出现有回旋流现象，分析是由于1#方案采用冲沙流量作为排沙指标，控制排沙流速时，泥沙在漏斗控制作用下，亦在末端处形成回旋流。2#方案采用水面流速为控制指标，不仅池内且水面上回流并不显著，且分布形态较为均匀，最大流速仅为0.81 m/s，相比1#方案，降低了18.2%。

图4 排沙工况模型

图5 排沙工况流速云图(从左至右依次为1#、2#方案)(单位：m/s)

计算获得排沙工况下1#、2#方案湍动能与耗散率，由于量方案中外参数一致，流速量与流沙量的差异并不显著改变能量特征，故以1#方案结果开展湍动能与耗散率分析，如图6所示。湍动能在池口处变化较为剧烈，最大湍动能可达到0.2 m2/s2，沿着池口至池内中间，甚至在池末端，湍动能逐渐减小，并趋于稳定，最大变幅超过4个量级，2#方案亦是如此，其湍动能在沉沙池中间与末端均处于平静状态，变化幅度亦有4个量级。湍动能耗散率与湍动能变化类似，池口处紊动特征显著，最大耗散率达到1.83～1.97，是沉沙池中间以及末端区域的5个量级之多。

泥沙能否顺利排出，与沉沙池内临界流动平均流速Ua有关，Ua计算公式如式(10)所示：

(10)

式中:γs为泥沙干燥下容重；γ为水容重；D为泥沙粒径；Φ为shield数；η、ks含义与式(9)一致。

将沉沙池修正系数为1，R=1 m，ks=D，D=0.5，shields数为0.17等参数带入计算，获得该沉沙池临界流动平均流速Ua为0.374 m/s。将1#、2#方案下沉沙池等分划分出断面，获得有a、b、c、d四个断面，分别计算出各方案四个断面平均流速值，如图7所示。

图6 湍动能与耗散率(1#方案)

图7 各断面平均流速

从图中可看出，1#方案四个断面平均流速均超过临界流动平均流速Ua值，最大流速为d断面，达0.442 m/s，表明冲沙流量控制参数下，沉沙池内泥沙基本可依靠水流作用完成排沙。2#方案中最大流速亦为d断面，但量值相比1#方案同断面处降低了7.9%，达到0.408 m/s，另三个断面平均流速均低于临界流动平均流速，即在沉沙池内大部分断面区域内泥沙无法在水流作用下完成自身流动排出。综合分析表明，1#方案以流沙流量为10 L/s为冲沙控制参量，有助于沉沙池泥沙排出。

4 结 论

针对阿克苏乡低压输水管道中沉沙池流场特性，引入湍流运动分析理论，基于Fluent软件建立数值模型，分析了沉沙、排沙工况下沉沙池流场特性。

(1)获得了沉沙工况下横向断面池口处流速较大，达0.95 m/s，沿调流板至池内，逐渐降低，调流板前后流速降低幅度达33.4%；纵向断面上池口处断面流速随池深增大，流速增大了6倍，池末端断面流速随深度降低，降低幅度分为三个阶次，平均每米下降流速值分别为0.025 m/s、0.005 m/s 、0.100 m/s。

(2)分析了沉沙工况湍动能与耗散率，池口湍动能大，沉沙池末端湍动能较小；池末端与池口处耗散率相差约有8～10倍；非淤流速为1.05 m/s，断面平均流速均低于非淤流速，满足沉积泥沙的作用。

(3)获得了排沙工况下1#方案相比2#方案的流速更易于在池末端聚集，且回旋流显著，2#方案最大流速相比1#方案降低了18.2%；1#、2#方案湍动能与耗散率具有一致性，池口处紊动特征显著，池中间段湍动能减小至稳定状态，最大变幅超过4个量级，最大耗散率达到1.83～1.97。

(4)获得了临界流动平均流速Ua为0.374 m/s，1#方案四个断面平均流速均超过临界流动平均流速值，最大流速为d断面，达0.442 m/s；2#方案a、b、c三个断面平均流速均低于临界流动平均流速，即2#方案中沉沙池大部分断面区域内泥沙无法排出。