史皓男

（遼寧省康平縣水利局，遼寧沈陽110500）

灌溉管網(wǎng)中變徑管水力特性研究

史皓男

（遼寧省康平縣水利局，遼寧沈陽110500）

隨著管道輸水技術(shù)的發(fā)展，灌溉效率顯著提升。如何降低管網(wǎng)水頭損失是提升灌溉效率的主要途徑。基于國內(nèi)外研究情況，通過水力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對變徑管的阻力特性和流場進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：隨雷諾數(shù)的增大，變徑管局部阻力系數(shù)逐漸減小，管道水流處于阻力平方區(qū)；沿流動方向，壓力逐漸減小，在下游出現(xiàn)負(fù)壓梯度區(qū)；上游管道的流態(tài)較穩(wěn)定，變徑段出現(xiàn)渦流，下游段紊流旺盛。

灌溉管網(wǎng)；變徑管；水力特性；試驗(yàn)；數(shù)值模擬

引言

隨著工業(yè)和城市生活用水量快速增長，我國水資源日趨緊張，提升水資源利用效率是今后研究的重點(diǎn)［1-2］。鑒于我國大多數(shù)地區(qū)的灌溉方式為漫灌，研究節(jié)水灌溉技術(shù)迫在眉睫。目前，管道輸水在灌區(qū)中得到了廣泛應(yīng)用，但各級管道組成灌溉的管網(wǎng)體系較為復(fù)雜，如何合理進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)仍需深入研究。降低管網(wǎng)水頭損失是提升灌溉效率的重要途徑，管網(wǎng)水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失［3］。沿程水頭損失計(jì)算較為簡單，可根據(jù)沿程阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；但局部水頭損失計(jì)算較為復(fù)雜，是管網(wǎng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需根據(jù)局部阻力系數(shù)計(jì)算［4-5］。變徑管是管網(wǎng)中常用的連接件之一，可實(shí)現(xiàn)不同管徑之間的平穩(wěn)過渡，在一定程度上減小水頭損失。因此對管網(wǎng)中變徑管水力特性的研究，對管網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 變徑管水力特性試驗(yàn)

變徑管是灌溉中常用的連接管件，用于改變管道直徑，提升供水效率。本文試驗(yàn)臺位于康平縣水利局，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)流程如下［6］∶首先在水池中加滿水，再利用水泵向管道系統(tǒng)輸水；利用調(diào)節(jié)閥1控制管道中的流量，流量通過精度為±2‰的電磁流量計(jì)測得；在變徑管前后分別設(shè)置兩個測壓點(diǎn)，測壓點(diǎn)的壓力由硅壓阻式壓力傳感器量測；在管道出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥2用于控制測試管道中的壓力，水流經(jīng)過回水管流回水池。試驗(yàn)中用到的不同參數(shù)變徑管，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 試驗(yàn)用變徑管

硅壓阻式壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號的敏感元件，其由單晶硅的壓阻效應(yīng)原理制作的。試驗(yàn)中將壓力傳感器采集的信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理后，輸出壓力值。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對電磁流量計(jì)、壓力傳感器、管道和變徑管等進(jìn)行標(biāo)定和量測，測試系統(tǒng)電源采用穩(wěn)壓電源。

2 模型建立及邊界條件

2.1數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型選擇往往需要考慮流體的物性參數(shù)、試驗(yàn)精度、測量設(shè)備、計(jì)算機(jī)性能等因素。本次選擇R N G k-ε模型，具有較高的計(jì)算精度。R N G kε模型考慮了湍流漩渦的影響，引入了低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式，從而使計(jì)算結(jié)果具有更高精度和可信度。R N G k-ε模型在強(qiáng)逆壓力梯度、射流擴(kuò)散率、回流、旋轉(zhuǎn)流動計(jì)算中的精度明顯高于SA模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。整個計(jì)算過程涉及到流體的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。由于變徑管中的流動為穩(wěn)定流動，因此忽略時間的影響。其連續(xù)性方程為［7］∶

其中∶u為速度；x為橫坐標(biāo)；下標(biāo)i，j＝1，2，3分別表示x、y、z三個方向；ρ為密度；p為壓力；μ為粘度；δij為修正項(xiàng)；k為動能能量；ε為耗散率；α為修正因子；C1z和C2z為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能。

2.2邊界條件設(shè)置

首先利用G A MB I T建立變徑管的模型，計(jì)算范圍選擇整個試驗(yàn)段，網(wǎng)格劃分選擇六面體網(wǎng)格，對變徑管上游5倍和下游10倍管徑利用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格加密，整個模型的網(wǎng)格數(shù)控制在30萬左右。網(wǎng)格劃分情況見圖3。進(jìn)口為垂直管道的速度入口，出口為自由出流，考慮重力作用，設(shè)置定常流動，采用SI MP L E C法進(jìn)行耦合，格式采用二階高精度格式，壁面無滑移，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算。

圖3 變徑管網(wǎng)格劃分

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1阻力特性分析

根據(jù)伯努利方程，灌溉管網(wǎng)水平管道中任意兩個截面水頭應(yīng)滿足∶

其中∶p為平均壓強(qiáng)；z為平均高程；u為平均速度；α為動能修正系數(shù)。

不同流速下的沿程水頭損失計(jì)算式為∶

其中∶L為管道長度；d為管道直徑；g為重力加速度；v為平均流速。

變徑管局部阻力系數(shù)計(jì)算式為∶

其中∶hj為局部水頭損失。

在變徑管處，由于管徑的改變，使主流脫離邊界形成了漩渦，進(jìn)而造成水頭損失，此稱為變徑管局部阻力損失。其包括變徑管本身造成的水頭損失和上下游管道受到直徑變化影響導(dǎo)致的水頭損失。在計(jì)算中利用沿程水頭損失和流程長度比值進(jìn)行換算，能抵消管壁摩阻的影響。圖4給出了D N 90× 75變徑管局部阻力系數(shù)試驗(yàn)值和計(jì)算值的變化情況。

圖4 局部阻力系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

不同參數(shù)的變徑管局部阻力系數(shù)對照如圖5所示。

由圖4和圖5可知∶雷諾數(shù)較小時，局部阻力系數(shù)較大，粘滯力作用最大。但隨著雷諾數(shù)的增大，流速逐漸變大，慣性力的作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)位置。整體上隨雷諾數(shù)的增大，局部阻力系數(shù)逐漸減小，當(dāng)雷諾數(shù)超過一定數(shù)值后，局部阻力系數(shù)基本趨近于一個定值，變化幅度很小，此時管道的水流進(jìn)入阻力平方區(qū)。對于不同參數(shù)的變徑管，進(jìn)入阻力平方區(qū)時的局部阻力系數(shù)差別較大。灌溉管網(wǎng)中的水流多數(shù)是阻力平方區(qū)狀態(tài)，因此可以通過試驗(yàn)得到不同參數(shù)變徑管局部阻力系數(shù)分布情況，通過阻力系數(shù)可計(jì)算得到管網(wǎng)中變徑管的局部阻力損失，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參數(shù)取值參考。

圖5 兩種變徑管局部阻力系數(shù)對比

3.2變徑管流場分析

對變徑管D N 110×75進(jìn)行了有限元分析。流速為0.85m/s，其X Z截面壓力云圖如圖6所示。由圖6可知∶沿管道自上游向下游方向，壓力呈逐漸減小的趨勢，變徑管上游管段壓力最大，下游管段較上游有明顯的減小，甚至在入口處出現(xiàn)負(fù)壓，在變徑管處逆壓梯度變化尤為明顯。

圖6 變徑管D N 110×75壓力云圖

負(fù)壓產(chǎn)生的原因是由于水流受慣性作用沿變徑管流動進(jìn)入下游管入口處時，水流方向改變不迅速，在變徑管收縮段到下游直管段的邊壁，主流在慣性力作用下會與管壁產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)真空區(qū)，產(chǎn)生負(fù)壓。

管道中流速分布表現(xiàn)為軸線上流速最大，管壁處由于存在摩阻等阻力，向管壁逐漸變小，如圖7所示。變徑管上游管道的流速較小，流態(tài)較穩(wěn)定，變徑段流速加快，進(jìn)入下游段時發(fā)生強(qiáng)烈的紊流混摻，邊界層在變徑段形成渦流區(qū)，下游管段存在負(fù)壓現(xiàn)象，流態(tài)不穩(wěn)定。

圖7 變徑管D N 110×75速度矢量分布

4 結(jié)論

近幾年，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究進(jìn)展迅速，滴管和微噴灌得到了廣泛應(yīng)用。但國內(nèi)對灌溉管網(wǎng)水力特性的研究還不多見，由于資料中給出的阻力系數(shù)多為經(jīng)驗(yàn)值，且變化范圍較大，根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)灌溉管網(wǎng)會出現(xiàn)管徑選擇不合理、效率較低甚至出現(xiàn)爆管。本文通過水力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對變徑管的阻力特性和流場進(jìn)行了分析，通過本文方法可得到不同參數(shù)變徑管局部阻力系數(shù)分布情況，可計(jì)算得到管網(wǎng)中變徑管的局部阻力損失，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參數(shù)取值參考。

［1］武陽，李益農(nóng)，劉群昌.大規(guī)模灌溉管網(wǎng)的發(fā)展分析研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2015（01）∶1-3.

［2］朱成立，謝志遠(yuǎn)，柳智鵬.基于蟻群算法的灌溉管網(wǎng)布置與管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015（03）∶93-96.

［3］章少輝，劉群昌，白美健，等.規(guī)?；喔裙芫W(wǎng)非恒定流模擬研究［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)，2014（Z 1）∶325-330.

［4］馬雪琴，呂宏興，朱德蘭，等.基于遺傳算法的樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2013（04）∶50-52.

［5］王占林.A P N技術(shù)在遼寧省水情自動測報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（05）∶14＋77.

［6］張建國.渾河閘水情自動遙測系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（08）∶45-46＋56.

［7］夏云林.旱田節(jié)水灌溉技術(shù)——噴灌［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，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，工程師。