趙彥琳，張宇峰

(楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100)

我國約有2/3是山區(qū)，遍及西南、西北、東北及華東、華中、華南等地。山丘區(qū)灌溉具有沿線地形變化大，用水點多且分散，管網(wǎng)高差變化大，管網(wǎng)壓力和出口流量分布不均勻等特點。山丘區(qū)節(jié)水灌溉起步較晚，灌溉系統(tǒng)規(guī)劃不合理，設計難度大成為山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。規(guī)?；喔裙芫W(wǎng)系統(tǒng)的研究，其優(yōu)化設計所要解決的問題主要是在保證所需的壓力和流量均衡的前提下，如何選擇輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)中各組成部分的規(guī)格和尺寸，以獲得最經(jīng)濟的設計方案。蘇保國[2]結合紅旗渠灌區(qū)節(jié)水灌溉技術研究成果，提出了自壓管灌系統(tǒng)的經(jīng)濟流速，充分利用水源水頭和坡降產(chǎn)生的水頭提出了自壓管灌樹狀管網(wǎng)的優(yōu)化設計方案，但所需干管直徑較大，對出水口耐久性要求較高。張峰等[3]針對丘陵山區(qū)重力式供水管網(wǎng)運行可靠性差的問題，進行了增設減壓儲水裝置的優(yōu)化對比分析，表明減壓裝置在山丘區(qū)具有較好強的實用性和經(jīng)濟性；在研究規(guī)?；喔裙芫W(wǎng)的數(shù)值模擬方面，國內外學者均作了眾多有益的探索[4-7]。關于管網(wǎng)優(yōu)化設計的研究，大多以平原地區(qū)的工程實例為主，針對于山丘區(qū)工程設計的研究工作較少。已有的管網(wǎng)優(yōu)化理論，設計計算工作量很大，且優(yōu)化方案缺少相應工程實例進行驗證。本文利用FLUENT流體力學軟件[8-10]設定灌溉系統(tǒng)的工況參數(shù)，對山丘區(qū)灌溉系統(tǒng)的加壓模式、總體布局和輪灌區(qū)的劃分進行模擬運算，對比分析數(shù)值模擬和設計計算的出水口狀態(tài)，確定模擬軟件用于山丘區(qū)管網(wǎng)研究有效可行，為進一步山丘區(qū)管網(wǎng)優(yōu)化設計研究提供新的思路。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 紊流模型

曹彪等[11]運用RNGk-ε紊流模型，對不同流速條件下管道中流體的流動進行了數(shù)值模擬，分析了灌溉管網(wǎng)中變徑段獨特的水流特性及能量耗散機理。據(jù)研究經(jīng)驗[12-14]，本文亦采用RNGk-ε紊流模型，對安良水庫灌區(qū)管網(wǎng)運行條件下進行壓力流量特性模擬研究。采用N-S方程建立灌溉管網(wǎng)水流的紊流模型，其控制方程如下。

(1) 連續(xù)性方程：

(1)

(2) 動量方程

(2)

(3)k方程

(3)

(4)ε方程

(4)

(5)α方程

(5)

式中：t為時間變量，s；ui為速度分量，m/s；xi為坐標分量；ρ為密度，kg/m3；μ為分子黏性系數(shù)；p為壓力，kPa；ut為紊流黏性系數(shù)；G為紊動能產(chǎn)生項，可由下式計算：

(6)

(7)

式中：Cμ，σk，σε，C1，C2均為紊流常數(shù)。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件選擇

管網(wǎng)簡化模型由CAD創(chuàng)建，并導入Gambit中劃分網(wǎng)格。由于管道較長，管段網(wǎng)格長度為0.1 m(見圖1)，節(jié)點和出口處局部加密，長度為0.005 m(見圖2)，不同輪灌組的網(wǎng)格數(shù)均在20萬左右。入口設為速度入口，分別為各輪灌組干管入口的設計流速。把由地勢高差引起的壓力水頭，等效疊加到入口壓力水頭的設計值，實現(xiàn)通過建立二維模型對山丘區(qū)管網(wǎng)進行數(shù)值模擬；同時設定湍流強度為0.03，水力直徑為0.355 m；所有出口均設為自由出流；湍流模型選用k-ε模型，穩(wěn)態(tài)過程；考慮到建立的管網(wǎng)模型較為細長，采用雙精度解算器；選擇非耦合式隱式算法進行求解。

圖1 管段網(wǎng)格劃分示意圖

圖2節(jié)點網(wǎng)格加密示意圖

2 工程實例

2.1 工程概況

漢陰縣安良水庫灌區(qū)地貌主要分為河谷階地、丘陵及中高山三大類型，地面高程在海拔292 m～500 m之間，從安良水庫放水涵洞至項目區(qū)的落差為69.96 m，為典型山丘區(qū)灌溉管網(wǎng)。耕地面積954.53 hm2，其中水田528.67 hm2，土層深厚，基本農(nóng)田多，是安康市重要的糧油主產(chǎn)區(qū)。土壤性質以中壤土為主，土壤密度為1.5 g/cm3，主要種植作物為玉米和油菜。結合當?shù)胤N植作物、地形特點、水源水質條件、投資等因素，本工程采用管道輸水灌溉方式。

2.2 輸配水管網(wǎng)設計

依據(jù)規(guī)范[15]，綜合考慮項目區(qū)的作物組成、灌水方法和經(jīng)濟效益等因素，進行管網(wǎng)布設(見圖3(a))，為了建模方便，在管網(wǎng)平面布置圖的基礎上，做相應的線性簡化(見圖3(b))。結合灌溉流量分配原則，并使得同一輪灌組內的管道高程盡量接近，劃分為5個輪灌組。其中干管的水力計算結果見表1。

圖3 管網(wǎng)平面布置及簡化模型

3 FLUENT數(shù)值模擬及對比分析

3.1 調壓池布設

丘陵山區(qū)灌溉管網(wǎng)上布設調壓池裝置，可有效地可削減管道內的工作水頭，又可儲水調節(jié)管網(wǎng)流量，從而減小所選供水管道的工作壓力和管徑以降低工程投資，提高供水保證率和節(jié)省供水成本。減壓儲水調節(jié)裝置的設計主要包括四個部分裝置的結構、地理位置的選擇、容積大小的設計以及裝置數(shù)量的確定。調壓池布置高程按下式計算：

Hc=h+∑h1+∑h2+H0-h0

(8)

式中：Hc為設置調壓池處的設計地面高程，m；h為管網(wǎng)下游控制點要求的最小服務水頭，m；∑h1為調壓池至控制點各級管道的沿程水頭損失，m；h0為調壓池最低水位到安裝位置地面的高度，m；∑h2為調壓池至控制點各級管道的局部水頭損失，m；H0為控制點的地面高程，m。

3.2 輸水管壓力模擬分析

輸配水管網(wǎng)最大高差為69.96 m，節(jié)點1水壓標高361.4 m，原項目區(qū)并未布置調壓池。給水栓處的出流水頭設計值一般為0.3 m～1.2 m[15]，每隔50 m設給水栓，則支管出水口壓力水頭應在10 m～20 m之間。輪灌組4所在區(qū)域高程介于329.91 m～335.53 m之間，高差較小，減去水頭損失，出口壓力介于16.91 m～17.52 m之間，滿足要求。但其它輪灌組高差較大，出水壓力均高于30 m水頭，于實際應用不利。由式(8)計算結果，擬在節(jié)點1高程341 m的位置處和節(jié)點8高程328 m的節(jié)點處布設調壓池，進而消減山丘地形大高差引起的管道壓力。典型節(jié)點調壓前后壓力模擬圖見圖4。并對原項目區(qū)(無調壓池)(見圖5)和擬建兩處調壓池(見圖6)兩種情況分別對干管節(jié)點工作壓力進行模擬對比分析。

圖4典型節(jié)點調壓前后壓力模擬圖

原工程設計無調壓池，各輪灌組入口壓力水頭取設計值40 m，干管各節(jié)點壓力模擬結果與設計值吻合良好，由于地勢起伏較大，節(jié)點5和節(jié)點7輸水區(qū)間平均高程330 m，為本設計實例管網(wǎng)灌溉的最高區(qū)域，輸水壓力水頭均低于20 m，其余管段壓力水頭均高于30 m(見圖5)；有調壓池的情況，模擬結果仍然擬合良好，且由于調壓池的布置，在節(jié)點5～7以外的位置處，降低了由于地形較低引起的高水頭，消除了由于地形變化而引起的壓力突變，壓力水頭基本都降低至20 m以下，且隨著輸水距離的增加，水頭有明顯遞減趨勢，和水頭損失的數(shù)值大小基本相符，說明調壓池的布設，對山丘區(qū)落差較大的輪灌組管道壓力具有有效的調節(jié)和均衡作用(見圖6)。

3.3 流量模擬對比分析

所建立的5個輪灌組模型中(見圖7)，包括了工程中常見的管道L型、T字型、十字型等布設型式，對各輪灌組單獨進行流量模擬，均能收斂。輪灌組1～5模擬流量值和設計流量值的相對誤差最大值分別為7.25%、3.23%、7.43%、10.77%和5.91%(見表2)，總體吻合度較高。經(jīng)分析，模擬誤差的大小，與該輪灌組的節(jié)點數(shù)量和總管長有關，其中節(jié)點數(shù)量是主要因素。輪灌組1、2布置形式相對簡單，節(jié)點有2個，模擬精度也較高，且輪灌組2總長度小于輪灌組1，所以輪灌組2的模擬精度更高；輪灌組3、4節(jié)點都有4個多且總管長較長，模擬誤差會相應增大，符合一般規(guī)律。

圖5 無調壓池干管工作壓力模擬值

圖6有調壓池干管工作壓力模擬值

4 結 論

(1) 用CAD創(chuàng)建山丘區(qū)管網(wǎng)的簡化模型，導入Gambit中進行網(wǎng)格劃分，采用雙精度解算器進行求解，把由地勢高差引起的壓力水頭，等效疊加到入口壓力水頭的設計值，比較有效地解決了用二維模型模擬山丘區(qū)細長管網(wǎng)的問題。

(2) 管網(wǎng)工程實例的模擬結果與設計計算的壓力和流量值有較好的吻合度，模擬流量值和設計流量值的相對誤差最大值分別為7.25%、3.23%、7.43%、10.77%和5.91%。模擬精度與該輪灌組的節(jié)點數(shù)量和總管長有關，其中節(jié)點數(shù)量是主要因素。

圖7 各輪灌組模型示意圖

(3) 調壓池可以有效地解決山丘區(qū)壓力較高和分布不均勻的問題。對原項目設計(無調壓池)和有調壓池的情況進行數(shù)值模擬和對比分析，模擬值和設計值吻合良好。

(4) FLUENT軟件可以較準確地模擬山丘區(qū)灌溉管網(wǎng)設計中的主要參數(shù)，數(shù)值模擬作為管網(wǎng)優(yōu)化研究的工具，能大大提高管網(wǎng)流態(tài)計算的效率，可以通過建?？焖儆嬎悴Ⅱ炞C管網(wǎng)優(yōu)化方案的合理性，并便于結合模擬結果進行模型的調整和重新計算，可以為管網(wǎng)優(yōu)化設計研究提供新的思路。