长流道式直线型沉沙池结构优化与数值模拟

胡松可，李文昊，杨 广，刘宁宁，金 瑾

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000； 2.石河子大学 现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

1996年新疆引入滴灌技术，历经20余年发展，截至目前，全疆滴灌规模超过5 100万亩(1 亩≈666.67 m2)，初步建成全国节水灌溉示范基地[1]。但新疆地表水源多来自高山，泥沙含量高，如何降低灌溉水泥沙含量，保障灌溉水顺利通过孔径仅为0.5～1.2 mm的灌水器，成为提高滴灌系统工作效率的重要环节。沉沙池在其中扮演了重要“角色”[2]。

专家学者对沉沙池结构形式及运行过程进行研究。Milligan[3]建立了矩形沉沙池的二维数值模型，研究了清水条件下池内流场；Nasiha等[4]在模型中加入了泥沙颗粒，分析了不同颗粒级配泥沙的沉降速度，但并没有解决“固液”之间的耦合作用；随后，Bibi等[5]使用控制方程将“固液”相结合分析了水沙特性。郭鑫等[6]采用流体体积(VOF)追踪自由水面，结合标准k-ε方程模型，描述了圆中环沉沙排沙过滤池水力特性；徐长贺等[7]采用Fluent软件对平流式沉淀池、辐流式二次沉淀池和折流式沉淀池进行了“固液”两相流模拟，探讨了不同工况下池内“固液”两相流流场变化；王克远等[8]研究了重力式沉沙池内调流板孔洞布置形式对沉沙率的影响。综上，已有成果多基于生产实践，采用数值模拟的手段对沉沙池水沙运动过程进行研究，为指导沉沙池结构设计奠定了理论基础,但少有对传统沉沙池进行结构优化的成果。

基于此，本文针对生产实践中传统直线型沉沙池存在的沉沙效率低等问题，对其进行结构改进，形成长流道式直线型沉沙池。同时采用Fluent软件对长流道式直线型沉沙池进行局部流场模拟，并搭建物理模型进行验证，确定了有无调流板和不同调流板角度对池内流态和泥沙沉淀率的影响。研究结果可为沉沙池的结构优化提供理论支撑。

2 材料与方法

2.1 沉沙池结构及工作原理

沉沙池物理试验和数值模拟采用的关键结构参数如图1所示。其工作区由前池和后池两部分组成，前池为传统直线型沉沙池，后池为本文优化结构(图1(c)),从左至右坐标定义为-2～0 m)。工作原理如下：含沙水流经渐变段进入前池，流速降低，初步沉淀大颗粒泥沙；然后，含沙水流经引流段进入后池，最终清水从后池出口流出。

图1 试验设计参数Fig.1 Test design parameters

2.2 沉沙池研究内容及方案

本文沉沙池前池借鉴宗全利等[9]的研究成果，只针对后池关键结构进行优化研究。物理模型设计为60°倾角和无调流板。通过与同结构下仿真流速模拟结果比较，验证仿真方法的可行性。进而设置4种结构模式(无调流板，30°、45°、60°倾角调流板)，采用牛顿-欧拉颗粒跟踪模型进行模拟，分析池内流速和含沙量变化，判别泥沙颗粒沉淀率。

2.3 试验初始条件

本试验选取3个特征断面(图1(c))研究池内流速和泥沙沉淀量。断面水平方向监测点间隔0.2 m，垂直方向设相对水深为0.2、0.6和0.8三个监测点，并使用LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪测流。由于灌溉水源来源于玛纳斯河，且前池出口泥沙颗粒的粒径介于0.2～1.2 mm之间，所以本模拟参考实际工程灌溉用水量，采用3种流速针对<1.2 mm颗粒进行研究。河沙的颗粒级配和沉沙池运行模拟参数见表1和表2，其中0.065 m/s为常用灌溉速度。

表1 河沙的颗粒级配Table 1 Particle size distribution of river sand

表2 沉沙池运行模拟参数Table 2 Simulated parameters of operating desilting basin

2.4 控制方程

牛顿-欧拉模型可描述固液混合相的运动轨迹，从而评估“固液”相在池中的瞬态规律。以往的研究通常将固相描述为非牛顿流体，然而，人们普遍认为当流体中含有更多的细颗粒时，其与牛顿流体的模式密切相关。因此，本试验假设固液混合相为牛顿不可压缩流体，本文模拟采用牛顿-欧拉颗粒跟踪模型。k-ε湍流模型的计算公式为[10]：

(2)

式中：σk、σε、Cε1、Cε2为模型参数；μ为混合流体的黏度；μT为流体黏度系数；Pk为雷诺应力；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；ρ为密度；t为时间；u为流体平均流速；∇k为k的有效湍流普朗特数的倒数；∇ε为ε的有效湍流普朗特数的倒数。

牛顿第二定律的粒子跟踪模型模拟每个粒子的瞬态行为。动量方程为：

(3)

(4)

式中：FD、Fg、Fext分别为阻力、重力和外力；mp为粒子的质量；v为粒子平均速度；τp为粒子速度响应时间；uf、up分别为流体和粒子的速度。

每个粒子的运动时间的计算公式为

(5)

式中ρp、dp分别为粒子的密度和直径。

2.5 数值模拟

用Solidworks构建沉沙池模型；用ICEM对模型进行Part和非结构化网格划分。为了保证计算精度，对引流段区域网格进行加密。通过对不同网格节点数的仿真精度、数值稳定性、收敛性和计算时间的测试，最终确定为5 471 141个网格。模型边界条件设置为：进水口为速度入口；出口为自由出流(压力值为大气压)；池壁为无滑移壁面；水面为自由边界。

3 结果分析

3.1 模型的验证

模型验证是评估沉沙池数值模拟过程中可靠性的关键步骤。依据沉沙池物理试验可得各监测断面不同水层流速变化(图2)，之后，用Fluent软件对模型水流进行模拟。由图2可知：各水层有调流板流速低于无调流板流速，在1-1—3-3断面流速分别减小22.96%、20.34%、22.13%，说明调流板能够有效降低池内流速；在有调流板池内0.6～0.8相对水深内，流速斜率较大，说明有调流板池内上层水流流态较为稳定。

图2 各相对水深流速分布Fig.2 Distribution of velocity under different relative water depthes

由于出口处为判断沉沙池优劣的关键断面，本研究选择3-3断面作为验证断面。图3(a)和图3(b)显示了3-3断面处各监测点流速模拟值与实测值的对比，利用线性拟合得到有无调流板数值模拟与物理模型的结果高度吻合(60°调流板时R2≈0.94，无调流板时R2≈0.97)，说明采用该模拟方法对本研究进行分析具有可行性。

图3 模拟值与实测值流速关系Fig.3 Relations between simulated velocity and measured velocity

3.2 沉沙池流体运动分析

调流板设置改变了池内流场的运动形式，进而影响泥沙运动轨迹。图4(a)—图4(d)分别说明了无调流板、30°、45°和60°倾角调流板时池内速度流场的变化规律，其中：色条表示池内流速变化，黑色实线表示池内水流流线变化。模拟结果表明：引流段相较于无调流板的直线形水流运动，调流板池内水流做“S”曲线运动，并形成局部小型涡流，消耗水流动能，显著降低后池入口处水流流速。水流在后池内部形成X和Y两个涡流区。将有无调流板涡流强度进行对比，发现有调流板池内涡流强度均大于无调流板；强度越高形成的动能和动能耗散率越高，池内水流动能消耗量越大，说明调流板起到很好的消能效果。

图4 沉沙池内的速度云图Fig.4 Velocity cloud in the desilting basin

由图4(b)—图4(d)的速度云图可得，不同角度调流板在X和Y区域内涡流强度不同，且随调流板角度增加，高流速区域逐渐减小，说明调流板角度的设置能够很好地起到消能作用，降低池内水流流速，遵循低流速高沉沙的原理，有利于促进池内泥沙颗粒的沉淀。由图4出口处速度云图可得，无调流板流速呈现左低右高趋势，且流速波动幅度大于有调流板。

流速是影响泥沙颗粒沉淀的主要因素之一，流速越低，水流挟沙力越小，越有利于泥沙颗粒的沉淀。由图5可知，无调流板的池内流速多高于有调流板，说明调流板能够有效降低池内流速。图5(a)显示-0.6～0 m段流速明显高于-2～-0.6 m，主要是水流经引流段过渡到Y区域时形成了涡流，改变了原有流态，造成-0.6～0 m段流速较高。图5(b)显示后池外侧流速高于内侧流速，其原因是在X区域内水流靠近池外壁形成了较大的涡流，提高了池壁接触面水流流速，使边界流速高于中心部位约5.6倍，其消耗水流动能，降低流速有利于泥沙颗粒的沉淀。图5(c)显示后池中线两边的流速变化较大，表明设置调流板改变了原有水流的流向，调流板的设置引导水流向外侧流动，因此外侧流速高于内侧。在-2～-1.4 m断面内，由于调流板的影响，无调流板流速较低；在-1.4～-0.6 m断面内，60°倾角调流板流速最低，较无调流板降低了39.44%。综合图5可知，在1-1断面和3-3断面设有60°倾角调流板沉沙池水流流速分别为无调流板的51.72%和78.08%，说明调流板消能效果显著，有助于泥沙沉淀。

图5 各监测断面流速变化Fig.5 Variation of flow velocity at each monitoring section

3.3 沉沙池中颗粒运动分析

在倾角60°调流板后池中设置不同粒径的泥沙，监测断面泥沙含量，判断沉沙率，监测结果见表3。结果表明：随泥沙粒径的增加，沉沙率增加。其中粒径0.8 mm以上的泥沙沉沙率达80%以上，其主要原因为沉沙池内紊动强降低，对本研究泥沙颗粒级配中0.8 mm以上的粒子影响较小而沉淀。0.2～0.8 mm粒径范围内，随泥沙粒径增大，沉淀率提升效果越显著，最大达到17.16%，极大地降低池内水流泥沙颗粒含量，其中，针对>0.4 mm粒径泥沙颗粒的沉淀率达到50%以上，这将极大地降低灌水器工作负担。对粒径0.20～1.25 mm颗粒总体沉淀率分析可得，后池泥沙颗粒的平均沉淀率可达71.62%。

表3 调流板倾斜角度为60°时沉沙池颗粒监测结果Table 3 Monitoring results of sedimentation particles when the angle of flow-adjusting board is 60°

图6模拟了含沙量一定条件、3种流速、4种结构模式下出口处各监测点泥沙颗粒含量的变化规律，其中图6(a)和图6(b)分别为0.065 m/s流速下运行10、20 min时出口处含沙量，图6(c)和图6(d)分别为0.03、0.1 m/s流速下运行20 min时出口处含沙量。

图6 含沙量变化规律Fig.6 Variations of sediment concentration

图6(a)显示，运行10 min后出口断面泥沙含量的变化差异较大，因为运行10 min以内模型中池内的水流没有达到稳定状态；图6(b)—图6(d)显示，运行20 min后设计调流板的后池出水口颗粒含量均低于无调流板，出口含沙量随流速和随调流板角度增加而降低。对比图6中的(a)、(b)图可得，池内水流不稳定时易增加池内水流挟沙力，不利于泥沙沉降，而调流板的设置能够很好地稳定池内流速，增加池内泥沙沉淀率；对比图6中的(b)、(c)、(d)图可得，调流板能够改变池内流态、影响沉沙率，有调流板出口含沙量比无调流板在高、中、低3种流速下含沙量均值分别下降了18.21%、12.67%、8.72%，且出口含沙量分别为1.59、1.32、1.12 g/L，说明调流板提高沉沙率效果显著。再对比图5和图6发现，出口处泥沙含量呈现高流速高含沙、低流速低含沙，进一步说明水流流速对池内泥沙沉淀效果起到显著的作用。

4 讨 论

由于物理模型试验难以将工程中物理变量随时间和空间的变化可视化，而数值模拟可解决上述问题。本试验采用物理-数值模型相结合的手段确定了调流板倾角为60°时更有利于池内泥沙颗粒的沉淀，但未考虑进口流速和含沙量变化对池内流速和颗粒分布的影响，今后需对入口流速和含沙量的变化对泥沙运行规律影响进行深入分析。池内泥沙是逐级沉淀的过程，随池内沉淀量的增加，是否会影响池内流态和颗粒运动轨迹，这需要进行UDF编程和定义，较为复杂，所以本文未涉及池内泥沙沉淀堆积过高的研究，此项需要进行专门研究。此外，今后需要对沉沙池的尺寸进行进一步的改进，从而选择出最优的结构尺寸。

5 结 论

本文采用Fluent软件中的牛顿-欧拉模型对后池的“固液”耦合流场进行了求解，从水力特性和泥沙运动规律两个方面对改进后的沉沙池性能进行了评价，结果表明：

(1)数值模拟与试验流速结果吻合较好，验证了该模拟方法的合理性和准确性。

(2)后池工作区域内产生了2个主要的涡流区域，消耗水流动能，降低流速；有调流板流速低于无调流板，且随调流板的角度增加，池内流速逐渐降低。倾角为60°时流速最低，有利于促进泥沙颗粒沉淀。

(3)随着时间的推移，池内流态趋于稳定，常用流速下，有调流板比无调流板池内在中流速下含沙量均值下降12.67%，60°倾角调流板时沉沙池出口泥沙含量最低可实现1.32 g/L。随流速增加、调流板角度和粒径减小，泥沙颗粒沉淀率逐渐较小。整体而言，后池泥沙颗粒的平均沉淀率达到71.62%。