陶洪飞，杨海华，马英杰，戚印鑫，耿凡坤，滕晓静，刘亚丽

（1. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆水利水电科学研究院水工河工研究所，乌鲁木齐 830049）

流量对河水滴灌重力沉沙过滤池内流速分布的影响

陶洪飞1，杨海华1，马英杰1，戚印鑫2，耿凡坤2，滕晓静1，刘亚丽1

（1. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆水利水电科学研究院水工河工研究所，乌鲁木齐 830049）

为研究流量对河水滴灌重力沉沙过滤池流速分布规律的影响，该文对5种不同流量下的水沙两相流流场进行了数值模拟。通过对不同流量下流速沿程分布规律、流速沿水深方向分布规律及水沙分离效率的对比与分析，可知河水滴灌重力沉沙过滤池的适宜流量范围为0.05～0.2 m³/s，进水流量越小，流速变化幅度也就越小，越有利于泥沙沉降，水沙分离效率不小于72.5%。不同流量下沉淀池中流速沿程变化规律可分成3个阶段：流速迅速增加阶段、流速缓慢减小阶段和流速迅速减小阶段。清水池中流速方向与沉淀池的相反，流速沿程减小。受进水口、出水口和固体边界，以及侧向溢流堰的影响，不同流量下河水滴灌重力沉沙过滤池中的流速沿水深方向分布规律有差别。当流量为0.05和0.1 m³/s时，远离进水口、出水口及侧向溢流堰的位置，流速沿水深方向的分布规律包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定 3个阶段，而清水池则只包括流速迅速增加和流速恒定阶段。研究可对大首部的应用提供参考。

灌溉；流量；流速；数值模拟；重力沉沙过滤池；流场

0 引 言

根据新疆高效节水建设方案及新疆农业节水建设发展规划，确定新疆每年完成农业高效节水面积20.1万hm2以上，至2020年农业高效节水面积累计达到288.1万hm2以上的推广目标[1]。目前，新疆已建农业高效节水工程的灌溉水源绝大部分为地下水，但许多地区的地下水超采严重，所以地表水已成为新建微灌工程灌溉水源的最优选择[2]。新疆河水多为山溪性河流，泥沙含量高，易造成灌水器（如滴头、微喷头等）堵塞。目前，采用沉沙池和过滤器多级处理的方式去除微灌用水中的泥沙，以防止灌水器堵塞，从而保障工程的正常运行[3-5]。过滤器属于泵后过滤。研究表明[6-12]：离心过滤器在处理泥沙时，水头损失可达4 m左右；进水流量为30 m³/h时，介质过滤器的水头损失可达3.1 m左右，且流量越大，水头损失也就越大；自清洗网式过滤器（滤网网孔为0.12 mm）在进水流量为217.5 m³/h时，水头损失可达3.8 m；鱼雷网式过滤器（在网式过滤器基础上提出的一种过滤器）在进水流量为300 m³/h时，水头损失达5.1 m；当进水流量为200 m³/h时，三联组合叠片过滤器和三芯叠片过滤器的水头损失分别为5.9和5.1 m。目前这些过滤器广泛地应用于实际工程，但存在能耗较大、造价昂贵和耗水率大等缺点，制约了先进节水灌溉技术的推广和应用[13]。

近年来，在沉淀池和过滤器研究的基础上，提出一种处理泥沙的工程措施——河水滴灌重力沉沙过滤池（简称大首部），其将沉淀池与不锈钢滤网有机地结合在一起，共同处理泥沙，该工程措施属于泵前过滤，能够降低能耗，一经研制，在新疆地区广泛应用[14]。目前，难以应用现有测试手段（如粒子图像测速或激光多普勒测速系统）测量大首部内的速度场。随着计算机的广泛应用以及计算机容量的增大，仿真模拟已广泛地应用于沉淀池内的流场模拟及结构优化，如模拟沉淀池中的流场[15-20]、探讨不同流量下污水沉淀池的流场分布特性并分析沉淀效果等[21-25]。因此，笔者拟采用Fluent软件开展大首部中的水沙两相流流场的数值模拟，并将计算结果同物理试验结果进行对比，在验证数学模型准确和可靠的基础上计算不同流量下大首部中的流场，分析大首部中的流速分布规律，获得该尺寸下大首部实际工程运行时的流量范围，以期对大首部的应用和固液两相流学科的发展提供参考。

1 大首部简介

图1为大首部结构图。由图可知，大首部主要由沉淀池、清水池及集污槽等几部分构成。X、Y、Z方向分别代表大首部的宽度方向、水深方向、长度方向，O点处的坐标为（0，0，0）。其关键结构参数如下：沉淀池长、宽、高、坡度分别为25 m、1.5 m、0.8 m、1%；侧向溢流堰长5 m；清水池不锈钢滤网孔孔径为0.15 mm，滤网与水平方向的夹角为 3 8°。提取 Z=2、6.25、12.5、18.75、24.5 m等断面的计算结果进行分析。因沉淀池中设有导流墙，约定长度方向（顺水流方向）的右边为沉淀池右池，左边为沉淀池左池。

图1 河水滴灌重力沉沙过滤池平面及横断面图Fig.1 Planar graph and cross-section profile of gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water(GSFTDIRW)

大首部的工作原理：1）沉降与过滤。灌溉水从引渠进入条形沉沙池，经过初步沉淀后大颗粒泥沙沉淀于池底，表层清水通过侧向溢流堰经过不锈钢滤网过滤后进入清水池，再通过输水管道向田间供水；2）冲洗。当集污槽和沉淀池达到设计淤积层厚度时，打开冲沙闸门，沉降和过滤的泥沙被水流冲出池外。

2 数学模型及计算方法

2.1 数学模型

选择多孔介质模型、标准k-ε模型及混合物模型进行耦合计算，模拟大首部的水沙两相流流场分布规律。标准k-ε双方程模型包括湍流动能k方程和湍流耗散率ε方程，混合物模型的控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，这些方程的表达式详见文献[26]。大首部的核心部件为滤网，其孔径较小（0.15 mm），若将所有滤网孔在Gambit软件中绘制出来，并剖分网格，难度较大，剖分网格质量也不好，会影响计算精度，故此方法不可取。而 F luent中多孔介质模型可以解决上述问题。多孔介质模型的相关参数表达式如下[27]：

式中a、C1、C2、D及φ分别表示渗透率（m2）、阻力系数（m-2）、惯性损失系数（m-1）、滤网孔的直径（mm）及孔隙比（%）。

2.2 计算方法

大首部的计算区域和基本控制方程的离散采用有限体积法，流相的离散格式采用二阶迎风格式。对于水沙两相流，离散后的线性代数方程组采用SIMPLE算法进行求解；各方程计算精度均为10-3。为减小数值模拟的计算工作量和保证计算精度，对河水滴灌重力沉沙过滤池的网格进行优化。计算时间步长设置为0.0001 s，在迭代收敛后，将时间步长调大。

2.3 边界条件及初始条件

2.3.1 边界条件

在Gambit软件中建立大首部的模型，并设置边界条件。沉淀池的进口为速度边界条件；清水池和集污槽为压力出口边界条件；自由液面按“刚盖假定”处理，为对称边界条件；固壁按无滑移边界处理。滤网为多孔介质边界条件，根据大首部物理模型采用的滤网相关参数，依据式（1）～（3），得到α、C1和C2分别为8.60×10-12m2、1.16×1011m-2和5.85×105m-1。数值计算时考虑过滤网厚度，其值为0.001 m。

2.3.2 初始条件

研究进水流量对大首部流场的影响时，计算介质包括水和沙，主相为水，密度为998.2 kg/m3；次相为沙，假定颗粒为球形，密度取2710 kg/m3，取泥沙的中值粒径D50=0.091 mm，因大首部处理的初始含沙量为0～6 kg/m³，本次数值计算取最大初始含沙量6 kg/m³，为模拟不同流量下流场分布规律，采用了大首部在实际工程中常用的5个流量，分别是0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 m³/s，初始化时，分别设置流量，进行计算。

2.4 模型验证方法

2015年3月—12月，在新疆水利水电科学研究院水工试验大厅开展试验。本物模试验测试了沉淀池、溢流堰、过滤网、清水池、集污槽等部位的水深、流速、含沙量、颗粒级配等参数，用影像资料记录了各部位的流态，计算了水沙分离效率指标。这为验证数学模型的准确性和可靠度提供了数据，也为开展不同进水流量下大首部中水沙两相流流场的数值模拟奠定了基础。根据物理试验结果，取进水流量为 0.05 m3/s，初始浑水含沙量取1.76 kg/m³，具体的计算方法、边界条件及初始条件见2.2和2.3小节。

利用LGY—Ⅲ型智能流速仪（南京水利科学研究院，流速范围：0.01～3 m/s）量测X=0.4和1.1 m断面上自由液面以下10 cm、h/2及h/3处Z方向的浑水流速（h为水深），用V表示，如图2所示。提取数值计算结果中的数据点时，与物理试验的相同，从而可通过物理试验结果来验证数值计算结果的准确性和可靠度。

图2 沉淀池中测量数据点的位置图Fig.2 Position of measurement points in sedimentation tank

3 结果与分析

3.1 模型验证

3.1.1 流速对比

沉淀池中X断面上h/3处Z方向浑水流速的物理试验与数值模拟流速值如图3所示。可见，1）沉淀池右池和左池的物理试验结果与数值计算结果吻合较好，两者相对误差小于 15%，故采用的数学模型可以模拟大首部中的水沙两相流流场；2）物理试验和数值计算中的流速沿程（Z=2～18.75 m）逐渐减小，但变化幅度不大，可知在Z=2～18.75 m范围，水深逐渐增加，根据断面平均流速的定义可知水流流速是逐渐减小的；3）当Z=18.75～25 m时，流速迅速减小，变化幅度较大，如图3a所示，数值计算结果中的流速从0.049 m/s降至0.0026 m/s，变化幅度为0.046 m/s。在Z=20～25 m处设有5 m长的侧向溢流堰，当水流流至该处时，水流的运动方向和流速大小受到该边界条件的影响，会发生变化，且影响范围扩大到Z=18.75 m处，此时水流的主流方向不是沿Z轴方向，而是朝侧向溢流堰方向流动，即X轴的正方向，从而使X方向的流速突然增大，而Z方向的流速突然减小。

图3 沉淀池中Z方向流速试验及模拟结果Fig.3 Experimental and simulated flow velocity along Z direction of sedimentation tank

物理试验量测了左池中Z=6.25、12.50、18.75 m断面不同水深方向的流速值，数值计算也提取了相关数据点，对比情况见表1。从表中可知，物理试验量测的流速值与数值计算流速值相对误差小于15%，说明选择的数学模型可以可靠地模拟沉沙池内的流速分布规律。

表1 沉砂池不同位置沿池长Z方向流速模拟及试验值对比Table 1 Comparisons of simulated and experimental flow velocity along tank length direction Z in different position of sedimentation tank

3.1.2 含沙量对比

初始含沙量为1.76 kg/m³，物理试验量测的沉淀池处理后含沙量和清水池处理后含沙量分别为0.75、0.5 kg/m³，数值计算结果的沉淀池处理后含沙量和清水池处理后含沙量分别为0.68、0.46 kg/m³，数值计算和物理试验结果的相对误差分别为9.3%和8%。

综上，采用的多孔介质模型、标准k-ε模型及混合物模型可以模拟大首部的水沙两相流流场分布规律。

3.2 数值模拟结果

3.2.1 不同流量下流速沿程

取计算时间为196 s的数据进行分析。图4表示沉淀池中X断面上h/3处Z方向浑水流速的结果对比。

图4 沉淀池中不同流量下Z方向浑水流速结果对比Fig.4 Comparisons of muddy flow velocity along Z direction under different flow rates in sedimentation tank

从图4可知，无论流量为多少，Z方向的浑水流速沿程变化规律可分成3个阶段：1）流速迅速增加阶段。Z=-0.17～0 m，流速沿程迅速增加，这是受到沉淀池进水口的影响；且流量越大，流速的增长速率越快，峰值也就越大。2）流速缓慢减小阶段。Z=0～17 m，流速沿程缓慢减小，因沉淀池有1%的坡度，随着Z值增大，水深越来越高，过水断面面积越大，在流量相同时，流速会逐渐减小。3）流速迅速减小阶段。Z=17～25 m，不同流量下的流速开始沿程迅速降低，这是因为沉淀池尾部有5 m长的侧向溢流堰的缘故；且流量越大，下降幅度也就越大，越靠近沉淀池尾部，流速值就越小。

图5表示清水池中X断面上h/3处Z方向浑水流速，图中流速为负值，负号仅表示流速方向与Z轴正向相反。不同流量下浑水流速沿程的分布规律相同，流速沿程越来越小（清水池和沉淀池有1%的底坡），且到Z=20～25 m（5 m滤网处）时，流速突然发生改变，在20 m处出现拐点，流速突然减小，这是受滤网上方下降水流的影响。同一位置时，流量越大，清水池中的流速也就越大。

图5 清水池中不同流量下Z方向浑水流速结果对比Fig.5 Comparisons of muddy water flow velocity along Z direction under different flow rates in clear water tank

3.2.2 不同流量下水深Y方向流速分布

图6表示不同流量下左池中水深方向上浑水流速。

图6 左池中不同流量下Y方向流速分布Fig.6 Flow velocity distribution along Y direction under different flow rates of left tank

不同流量下浑水流速沿水深方向的分布规律不同。1）从图6a～b可知，无论流量为多少，流速沿水深方向的分布规律包括流速迅速增加和流速恒定2个阶段，且流量越大，流速也就越大。2）从图6c～e中可知当流量为0.05、0.1 m³/s时，流速沿水深方向的分布规律与其他流量不一样，包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定3个阶段。3）从图6f中可知，因受沉淀池尾部固体边界及侧向溢流堰的影响，这个位置下水深方向上的流速分布规律与其他位置不同，进流流量越大，浑水流速也就越大，沿水深方向的变化幅度也就越大，越不利于泥沙沉降，容易造成水流中的泥沙流出沉淀池，从而使沉淀池的水沙分离效率降低。

第三，擅长挖掘自身的亮点和资源。一个18岁的少年，没有工作经验，大学只上了一个学期，看上去毫无亮点，但乔布斯很聪明，他自信地捕捉到了自己身上的闪光点和独特的资源，并且写了出来。比如，他在地址一栏填的是“里德学院”。里德学院在美国是响当当的名校，专注学术，博士毕业比例占据全美第三，也是美国第一所拒绝U．S．News大学排名的学校，以个性、奇才而闻名，里面的学生也是如此。乔布斯把自己的地址定在“里德学院”，其实是委婉地自我加分，说明自己也是一个奇才，虽然他因为经济原因早早辍学了。

图7为不同流量下清水池中水深方向上浑水流速的比较，流速为负值，表示流速方向与Z轴正方向相反。

图7 清水池中不同流量下Y方向流速分布Fig.7 Flow velocity distribution along Y directions under different flow rates in clear water tank

1）从图7b～e可知，无论流量为多少，流速沿水深方向的分布规律包括流速迅速增加和流速恒定2个阶段，且流量越大，流速也就越大。2）从图7a可知，无论流量为多少，流速沿高度方向的分布规律包括流速迅速增加和流速迅速减小 2 个阶段，这是受清水池出水口边界条件的影响。3）从图7f可知，流量为0.05、0.1、0.2 m³/s时，流速沿水深方向的分布规律和图7b～e相同，而流量为0.3、0.4 m³/s时，其流速沿水深方向的分布规律与其他流量不同，流速变化波动大，不利于泥沙在清水池中的沉降，从而使清水池的水沙分离效率降低，故流量为0.05～0.2 m³/s时有利于清水池中的泥沙沉降。

3.2.3 不同流量下的水沙分离效率

水沙分离效率是判断大首部泥沙处理能力的一个重要参数，水沙分离效率越高说明泥沙处理能力越好，其表达式[28]为

式中η是水沙分离效率，%；S是初始时刻t=0时的初始含沙量，kg/m³；S1是某断面t时刻的平均含沙量，kg/m³。

不同流量下大首部的水沙分离效率如表2 所示。从表2可知流量越小，水沙分离效率越大。据文献[29]可知，当滴灌带工作压力为0.097 MPa，泥沙粒径为0.1～0.15 mm，含沙量小于2 kg/m³时，滴灌带不会堵塞，从表中可知当流量为0.05～0.3 m³/s时，清水池处理后含沙量为0.66～1.91 kg/m³。根据灌溉与排水工程设计规范（GB50288-99）[30]，可知当沉沙池内沉淀的泥沙粒径小于0.25 mm时，池内的平均流速取值应小于0.20 m/s。结合数值计算结果，可知当流量为0.05～0.2 m³/s时，池内的平均流速为0.053～0.19 m/s，而0.3～0.4 m³/s时，池内的平均流速为0.28～0.36 m/s。大首部的适用流量范围为0.05～0.2 m³/s，出清水池的含沙量不大于1.65 kg/m³，总水沙分离效率不小于72.5%。

表2 沉淀池处理前后水沙分离效率对比Table 2 Comparisons of separation efficiency of water-sediment before and after sedimentation tank

4 结论与讨论

1）不同流量下沉淀池中Z方向上的浑水流速沿程变化规律可分成 3 个阶段：流速迅速增加阶段；流速缓慢减小阶段；流速迅速减小阶段。不同流量下清水池中 Z方向上的浑水流速方向与沉淀池的相反，流速沿程缓慢减小，但在Z=20～25 m，流速却急速减小；同一位置，流量越大，清水池中的流速也就越大。

2）不同流量下沉淀池中浑水流速沿水深方向的分布规律不同。在靠近沉淀池进水口时，流速沿水深方向的关系分为流速迅速增加和流速恒定 2 个阶段，且流量越大，流速也就越大；当远离沉淀池进水口及尾部侧向溢流堰，流量为0.05、0.1 m³/s时，Z方向上的浑水流速沿水深方向分布规律包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定 3 个阶段；当靠近沉淀池尾部时，水深方向上的流速分布规律与其他位置不同，进流流量越大，浑水流速也就越大，沿水深方向变化幅度也就越大，越不利于泥沙沉降，容易造成水流中的泥沙流出沉淀池，从而使沉淀池的分离效率降低。不同流量下清水池中的水流流速方向与 Z 方向的正方向相反。无论流量为多少，流速沿水深方向的分布规律包括流速迅速增加和流速恒定2个阶段，且流量越大，流速也就越大，其与靠近清水池出水口和过滤网下方处的流速沿水深方向的分布规律不同，且表现为流量越大，流速变化幅度也就越大，这不利于泥沙在清水池中沉降。

3）沉淀池长25 m，池宽1.5 m，池高0.8 m，坡度1%，侧向溢流堰长5 m，在该尺寸下，当流量为0.05～0.2 m³/s时，沉沙池内的平均流速为0.053～0.19 m/s，有利于泥沙的沉降，出清水池的含沙量不大于1.65 kg/m³，故大首部的适宜流量范围为0.05～0.2 m³/s，总水沙分离效率不小于72.5%。

流量是大首部运行的主要运行参数，但调流板的设置、进口水深等因素也会影响其水沙分离效率和运行管理，有关这些因素的影响有待进一步深入研究。

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Influence of flow rate on flow velocity distribution in gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water

Tao Hongfei1,Yang Haihua1,Ma Yingjie1,Qi Yinxin2,Geng Fankun2,Teng Xiaojing1,Liu Yali1
(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2. Hydraulic
Engineering Research Institute,Xinjiang Institute of Water Resources and Hydropower Research,Urumqi 830049,China)

Filters have high energy consumption,high cost and high water consumption and other shortcomings. In order to solve this problem,gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water(GSFTDIRW) is proposed,which consists of sedimentation tank,clear water tank and sewage tank. The flow is the key factor influencing the separation efficiency of water-sediment and the flow field of wate-sediment. This study investigated the influence of flow rate on the GSFTDIRW. A physical experiment was carried out in the hydraulic experiment hall of Xinjiang Institute of Water Resources and Hydropower Research. The parameters such as water depth,flow velocity and sediment concentration in the GSFTDIRW under flow rate of 0.05 m³/s were measured. The model was set up according to the model size used in the physical experiment in the gambit drawing software. Meanwhile,the boundary conditions were set in the gambit drawing software. Then the parameters were set in the Fluent software. Simulated values were processed by tecplot software. By comparing the experimental values and simulated values,it was shown that the porous media model was reliable in simulating the filter mesh. It was feasible to simulate the internal flow field in GSFTDIRW using the standard k-ε two-equation model and the mixture model. Based on these,the flow field of water-sediment two-phase flow was simulated in the GSFTDIRW under 4 different flow rates. By comparing the distribution of flow velocity along the length,the distribution of water velocity along water depth and the separation efficiency of water-sediment,it was found that the appropriate flow rate was in a range of 0.05-0.2 m³/s when the sedimentation tank was 25 m in length,1.5 m in width,0.80 m in height,slope 1%,and lateral overflow weir 5 m. At the same time,the average flow velocity of sedimentation tank is 0.053-0.19 m/s. The smaller the influent flow was,the smaller the velocity variation was. This was more conducive to sedimentation. The sediment concentration was less than or equal to 1.65 kg/m3in the clear water tank,and the total water-sediment separation efficiency was not less than 72.5%. Under the different flow rates,the flow velocity change along the sedimentation tank could be divided into 3 stages:increasing rapidly,decreasing slowly and decreasing rapidly. The velocity of flow in the clear water tank was opposite to that of the sedimentation tank,and the flow velocity decreased along the path. Under the influence of inlet,outlet and solid boundary,and lateral overflow weir,the distribution of flow velocity along water depth was different under different flow rate in the GSFTDIRW:the distribution of velocity along the depth of water at the locations far away from the water inlet,outlet and lateral weir contained 3 stages when the flow rate was 0.05 and 0.1 m³/s:rapid increase,slow decrease and constant. However,the distribution of velocity only included the rapid increase and constant stage in clear water tank.

irrigation;flow rate;flow velocity;numerical simulation;gravity sinking and filter tank;flow field

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.018

TV14

A

1002-6819(2017)-01-0131-07

陶洪飞，杨海华，马英杰，戚印鑫，耿凡坤，滕晓静，刘亚丽. 流量对河水滴灌重力沉沙过滤池内流速分布的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：131－137.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.0 18 http://www.tcsae.org

Tao Hongfei,Yang Haihua,Ma Yingjie,Qi Yinxin,Geng Fankun,Teng Xiaojing,Liu Yali.Influence of flow rate on flow velocity distribution in gravity sinking and filter tank for drip irrigation with river water [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):131－137.(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.018 http://www.tcsae.org

2016-03-19

2016-10-01

国家科技支撑计划项目资助（2011Bad29B05）；新疆农业大学博士后经费资助；新疆水利水电工程重点学科基金资助（xjslgczdxk20101202）；复合应用型农林人才培养模式改革试点（农业水利工程）项目资助；新疆农业大学教研教改项目“农业水利工程专业卓越农林人才培养模式的改革”资助。作者简介：陶洪飞，男，博士，硕导，主要从事节水新技术和新设备以及计算水力学研究。乌鲁木齐 新疆农业大学水利与土木工程学院，830052。E-mail：304276290@qq.com。