曲线型沉沙池结构优化及数值模拟.pdf

分类号 密 级公开 学 号20182110026 单位代码10759 石河子大学石河子大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 曲线型沉沙池结构优化及数值模拟 学 位 申 请 人 胡松可胡松可 指 导 教 师 杨广杨广 教授教授 谭明谭明 高级工程师高级工程师 申 请 学 位 类 别 专业学位硕士专业学位硕士 专 业 名 称 工程硕士工程硕士 研 究 领 域 水利水利工程工程 所 在 学 院 水利建筑工程学院水利建筑工程学院 中国新疆石河子 2021 年 6 月 万方数据 分类号密 级公开 学 号20182110026 单位代码10759 石河子大学石河子大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 曲线型沉沙池结构优化及数值模拟 学位申请人 胡松可胡松可 指导教师杨广杨广 教授教授 谭明谭明 高级工程师高级工程师 申 请 学 位 门 类 级 别专业学位硕士专业学位硕士 专业名称 工程硕士工程硕士 研究领域水利工程水利工程 所在学院 水利建筑工程学院水利建筑工程学院 中国新疆石河子 2021 年 06 月 万方数据 Structural optimization and numerical simulation of curved desilting basin A Dissertation ted to Shihezi University In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering By Hu Song-ke Hydraulic Engeering Dissertation SupervisorProf. Yang Guang SN. ENGR. Tan Ming June, 2021 万方数据 万方数据 I 摘 要 目的由于新疆多为山溪性河流，造成农田灌溉的地表水水源含有大量泥沙颗粒，严重威胁农业高 效节水技术的发展。曲线型沉沙池因具有结构简单、易于维护、管理方便等优点得到快速推广，但 在实际运行过程仍存在水流流态不稳定、沉沙率低、底部沉淀泥沙颗粒分布不均匀等现象，不利于 自动化排沙的实现。针对上述问题，提出了优化方案，以达到进一步提高沉沙率的目的。 方法本文在相似结构的沉沙池已有水力特性和泥沙运动规律研究成果的基础上，得到影响沉沙池 运行效率的主要因素；为此，本文提出了对曲线型沉沙池的改进方案弯曲角度（60、90、120、 150）和底面坡度（0、3、6、9） ，采用物理试验与数值模拟相结合的手段，对四种来水流流量和 含沙量条件下的沉沙池池内水力特性和泥沙运动规律进行研究分析。 结果 （1）通过本文的物理试验研究得到，随来水流量的增加，池内流速逐渐增增大，水面超高、横 比降和池内的流速降低率逐渐增大，同时可将池内流速分为快速降低阶段和慢速降低阶段。其中， 水面超高的最大差值幅度可达到 6.77，池内流速最大降低幅度可达到 38.42，且池内整体流速呈 现凹岸高于凸岸的现象，但在高流速时，出口处则相反。 （2）对物理试验中泥沙运动规律分析得到，在 4L/s 流量和 2.5g/L 含沙量条件下，池内沉沙率 最大可达到 76.43，效果显著；池内横向断面泥沙含量分析得到，凹凸岸之间最大含沙量差值幅度 能够达到 38. 41。表明弯曲角度对池内横向沉淀的泥沙分布影响较大。 （3）对于曲线型沉沙池各监测断面流速验证得到，相关性 R2均大于 0.93，说明流速模拟吻合 度较高；对于池内检测断面含沙量的模拟值采用 RMSE 法进行验证，得到 RMSE 最大值为 0.303， 说明模拟结果能够作为实际工程建设的参考值。 （4）通过弯曲角度和底面坡度对曲线型沉沙池水力特性分析得到，弯曲角度为 60和底面坡度 为 0时池内流态较为稳定， 流速降低幅度可达到 58.42； 随底面坡度增大， 池内流速降低率以约 3.5 的幅度减小，不利于池内流态的稳定，但有利于增大沉沙池底部水流的横向运动，较 90弯角流速降 低率最大提升了 18.47。 （5）通过弯曲角度和底面坡度对曲线型沉沙池泥沙运动规律分析得到，4L/s 流量下和 60弯角 时最大沉沙率能够达到 87.36；当池内坡度逐渐增大时，池内沉沙率分别以约 3、5、7的幅度 降低，不利于泥沙颗粒沉淀，但凹凸岸底部含沙量之间的差值逐渐增大，且呈现凹岸显著低于凸岸 的现象， 这有利于底部沉淀的泥沙颗粒横向运动， 通过对 60弯角和 3底面坡度分析得到， 池内大于 0.125mm 以上的泥沙颗粒沉淀量能够达到 75.17，沉沙率提升了 11.57。 结论通过试验结果的对比分析，得到 60弯曲角度和 3底面坡度的曲线型沉沙池结构类型的综合 工作性能较优，这将为以后相关沉沙池工程设计提供理论指导。 关键词关键词沉沙池；数值模拟；水力特性；沉沙率；结构优化 万方数据 II Abstract Object because Xinjiang is mostly mountainous rivers, the surface water source of farmland irrigation contains a large number of sediment particles, which seriously threatens the development of efficient agricultural water-saving technology. Because of the advantages of simple structure, easy maintenance and convenient management, the curved desilting basin has been rapidly promoted. However, in the actual operation process, there are still some problems, such as unstable flow pattern, low sediment settling rate, uneven distribution of sediment particles at the bottom, which are not conducive to the realization of automatic sediment discharge. In view of the above problems, the optimization scheme is put forward to further improve the sedimentation rate. s Based on the research results of hydraulic characteristics and sediment movement law of similar structure of desilting basin, the main factors affecting the operation efficiency of desilting basin were obtained; For this reason, this paper puts forward an improved scheme for the curved desilting basin, that is, the bending angle 60、 90、 120 and 150） And bottom slope 0、 3、 6、 and 9） ， By means of physical experiment and numerical simulation, the hydraulic characteristics and sediment movement law in the desilting basin under four kinds of incoming flow and sediment concentration are studied and analyzed. Results 1 According to the physical experiment, with the increase of water flow, the flow velocity in the pool increases gradually, and the super-high of water surface, the transverse gradient and the reduction rate of flow velocity in the pool increase gradually. At the same time, the flow velocity in the pool can be divided into two stages fast reduction stage and slow reduction stage. Among them, the maximum difference range of water surface superelevation can reach 6.77, and the maximum reduction range of flow velocity in the pool can reach 38.42, and the overall flow velocity in the pool is higher than that in the convex bank, but at high flow velocity, the opposite is true at the outlet. 2 According to the analysis of sediment movement law in the physical test, under the condition of 4 L/s flow and 2.5 g/L sediment concentration, the maximum sedimentation rate in the pool can reach 76.43, and the effect is remarkable; according to the analysis of sediment content in the transverse section of the pool, the difference range of maximum sediment concentration between concave and convex banks can reach 38.41. The results show that the bending angle has a great influence on the sediment distribution in the horizontal sedimentation tank. 3 For the flow velocity of each monitoring section in the curve sedimentation tank, the correlation R2 is greater than 0.93, which indicates that the flow velocity simulation has a high degree of coincidence; for the simulated value of sediment concentration in the detection section in the tank, RMSE is used to verify, and the maximum RMSE is 0.303, which indicates that the simulation results can be used as a reference value for the actual engineering construction. 4 Through the analysis of hydraulic characteristics of curved desilting basin by bending angle and bottom slope, the results show that the flow pattern in the basin is relatively stable when the bending angle 万方数据 III is 60 and the bottom slope is 0 and the velocity reduction can reach 58.42; with the increase of the bottom slope, the velocity reduction rate in the basin decreases by about 3.5, which is not conducive to the stability of the flow pattern in the basin, but is conducive to increasing the transverse flow direction at the bottom of the desilting basin Compared with the 90 bend angle, the velocity reduction rate increased by 18.47. 5 Through the analysis of the sediment movement law of the curved desilting basin by the bending angle and the bottom slope, the maximum sedimentation rate can reach 87.36 under the flow rate of 4L/s and the bending angle of 60; when the slope in the basin increases gradually, the sedimentation rate in the basin decreases by about 3, 5 and 7, which is not conducive to the sedimentation of sediment particles, but the difference between the sediment concentration at the bottom of the concave and convex banks gradually increases, and presents a concave shape Through the analysis of 60 bend angle and 3 bottom slope, it is concluded that the sedimentation amount of sediment particles larger than 0.125mm in the tank can reach 75.17, and the sedimentation rate is increased by 11.57. Conclusion through the comparative analysis of the test results, 60 Bending angle and 3 The results show that the comprehensive working perance of the curved desilting basin with bottom slope is better, which will provide theoretical guidance for the future desilting basin engineering design. Key words desilting basin; numerical simulation; hydraulic characteristics; desilting rate; structure optimization 万方数据 目 录 第一章 绪论 ........................................................ 1 1.1 研究的背景和意义 ........................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................. 2 1.2.1 水力特性的研究现状 ................................... 3 1.2.2 泥沙运动规律的研究现状 ............................... 5 1.3 本文主要研究内容和方法 ..................................... 7 1.3.1 研究目标 ............................................. 7 1.3.2 研究内容 ............................................. 7 1.3.3 研究方法 ............................................. 8 1.3.4 技术路线 ............................................. 9 第二章 曲线型沉沙池模型设计与试验方案 ............................. 10 2.1 模型结构和工作原理 ........................................ 10 2.2 模型参数的设定与计算 ...................................... 10 2.2.1 模型比尺的设定 ...................................... 10 2.2.2 模型泥沙沉淀计算 .................................... 11 2.3 试验方案 .................................................. 12 2.3.1 试验设计 ............................................ 12 2.3.2 模型沙样的选取 ...................................... 15 2.3.3 试验点布置 .......................................... 15 2.3.4 测量方法 ............................................ 16 2.4 数值模型构建 .............................................. 17 2.4.1 模型构建与选择 ...................................... 17 2.4.2 基本公式 ............................................ 18 2.4.3 网格划分 ............................................ 19 2.4.4 参数设定 ............................................ 21 2.5 本章小结 .................................................. 21 第三章 曲线型沉沙池水力特性试验模拟分析 ........................... 22 3.1 沉沙池水力特性试验结果分析 ................................ 22 3.1.1 水面超高和横比降分析 ................................ 22 3.1.2 纵向流速分析 ........................................ 23 3.1.3 横向流速分析 ........................................ 25 3.2 沉沙池水力特性模拟结果试验验证 ............................ 28 3.3 基于水力特性的沉沙池结构优化分析 .......................... 29 万方数据 3.3.1 不同弯曲角度对水力特性的影响分析 .................... 29 3.3.2 不同底面坡度对水力特性的影响分析 .................... 36 3.4 小结 ...................................................... 41 第四章 曲线型沉沙池泥沙运动规律试验模拟分析 ....................... 43 4.1 沉沙池泥沙运动规律试验结果分析 ............................ 43 4.1.1 沿程含沙量纵向变化分析 .............................. 43 4.1.2 沿程含沙量横向变化分析 .............................. 44 4.1.3 沿程颗粒级配变化分析 ................................ 49 4.2 沉沙池泥沙运动规律模拟结果试验验证 ........................ 50 4.3 基于泥沙运动规律的沉沙池结构优化分析 ...................... 51 4.3.1 不同弯曲角度对沉沙率的影响分析 ...................... 51 4.3.2 不同底面坡度对沉沙率的影响分析 ...................... 53 4.3.3 沿程泥沙含量和颗粒级配分析 .......................... 54 4.4 小结 ...................................................... 56 第五章 结论与展望 ................................................. 57 5.1 结论 ...................................................... 57 5.2 展望 ...................................................... 57 参考文献 .......................................................... 59 致 谢 ............................................................. 63 作者简介 .......................................................... 64 万方数据 曲线型沉沙池结构优化及数值模拟 1 第一章 绪论 1.1 研究的背景和意义 农业是国民经济生产和发展的命脉，关系到我国 14 亿人民的温饱问题；水是生命 之源， 是地球生物赖以存在的物质基础[1, 2]。随着社会的不断发展及人口的快速增长， 水 资源浪费，水资源时间、空间分布不均匀，灌区的排灌设施设备陈旧等问题，使水资源 成为制约我国农业发展的关键因素之一， 造成农田缺水问题仍然是农业生产过程中面临 的最大问题， 解决农田用水紧缺已成为农业可持续发展的根本出路[3, 4]。 因此，水资源的 合理开发、 提高利用效率及改进灌区的设施设备已成为促进干旱区农业发展的研究热点， 这将为我国国民经济快速发展提供基本保障。 近年来，党中央将农业高效节水作为一项革命的工作任务，并大力发展高标准农田 建设[5, 6]。 但现代化节水灌溉技术对灌溉水质要求高； 同时，我国多数天然河流含有大量 的泥沙，使人们在利用地表水灌溉农田时需要面临水流中泥沙处理问题。农田在灌溉季 节时得到适时充分的灌溉，是农业发展和高产的基础保障，但我国是雨水季与灌溉季同 步， 这使我国农业成为受泥沙危害最严重的国家之一[7, 8]。 如何解泥沙问题、提高水资源 的利用率是农田水利和农业研究者们一直探寻的问题。 新疆位于我国西北地区，占地面积广阔，远离海洋，属于典型的温带大陆型干旱气 候，长年干旱，降雨量少，年均降水量仅 190mm，但蒸降比可达到 101；区域内河流和 地下水含量稀少[9-11]，据统计，新疆地表水为 793 亿 m，地下水仅为 85 亿 m[12]；这决 定了水资源在本地区的发展中起主导和决定性作用。上世纪末，新疆天业节水集团成功 研发了高效节水系统，其中，滴灌的推广应用在节水灌溉系统中已占据了主导地位。截 至目前，新疆已经成为了我国最大的农业高效节水灌溉区及示范区。但由于滴灌系统对 灌溉水质要求较高，大部分地区采用地下水进行灌溉，造成地下水开采严重。为了制约 过度开采地下水的现象，满足国家“三条红线”的要求，因此，近几年来逐步采用地表水 灌溉。但新疆多为山溪性河流，自然水源中的泥沙含量最大能够达到 2.5g/L，同时泥沙 的颗粒级配也较为复杂，已超过节水灌溉系统的技术规范要求[13]，如果将地表水直接应 用于高效节水系统中，必然会造成喷灌、滴灌和其它微灌等设施的堵塞；若使用喷灌技 术来灌溉农作物，水流中的泥沙颗粒将会堵塞作物的气孔度，影响作物的光合作用，从 而影响作物的生长发育和产量；若使用滴灌技术，水流中的泥沙将会堵塞滴灌带的出水 口，造成作物灌溉不均匀，影响作物对营养液的吸收，降低作物产量。因此，泥沙问题 成为微灌工程中一个不可忽视的重要因素， 并严重制约节水灌溉系统的使用和发展效率。 部分地区虽有水库对地表水中的泥沙颗粒进行一级沉淀处理， 但仍然不能够满足高效节 水的灌溉技术要求，为此，各个地区应用沉沙池对地表水进行二级沉淀处理。沉沙池工 作原理为，高含沙水流入池后，或改变水流断面、或增加阻挡结构、或提高出池水流高 万方数据 曲线型沉沙池结构优化及数值模拟 2 度、或使用过滤网等降低池内水流的挟沙能力，从而，极大地降低出池水流含沙量，实 现泥沙颗粒沉积在池底， 有效降低农田引水灌溉水源中大于节水灌溉系统中规定的泥沙 含量[14-20]。为保证农业灌溉系统的安全、长期和高效的运行，全面推进滴灌的发展，研 究一种经济有效、结构简单、管理方便的沉沙池，是科研人员一直探索的目标。 石城子灌区包括哈密市石城子灌区和十三师石城子灌区两大部分， 经白吉和头道沟 两个水文站检测，多年平均年径流量为 8264 万 m。按兵地协议十三师石城子灌区分水 比例为 48.52， 十三师石城子灌区分布在哈密市郊。 兵地石城子灌区耕地总面积为 37.35 万亩，兵团十三师石城子灌区耕地面积约 16.9 万亩，占总灌区耕地面积的 45。其中灌 区棉花膜下节水滴灌已实现 100覆盖， 园艺果树滴灌技术也正在大面积推广中， 在 2019 年农业总产值达到 28521 万元，占全灌区农业总产值的 55，具有举足轻重的作用[21]。 但灌区水资源紧张，水流泥沙含量大，灌区引水工程的农田水利基础设施较为陈旧、不 配套等原因， 造成现存高效节水灌溉面积一直维持在 12.9 万亩。 在实际工程中多采用沉 沙池对含沙水流中的泥沙进行处理，以达到净化灌溉水源的目的，现采用的沉沙池结构 类型多为直线型、曲线型和复合型等。其中，曲线型沉沙池具有结构简单，沉沙效率高 和自动化排沙等优点被广泛应用，但仍存在清洗时底部泥沙淤积、冲沙耗水量大、严重 浪费水资源等问题。因此，通过对石城子灌区红星一场灌溉系统泥沙处理处构筑物的调 查研究发现，因地制宜地修筑沉沙池，是灌溉首部有效且经济的泥沙处理措施，并已经 成为高效节水技术中的主要组成部分， 同时发现该地区多采用曲线型沉沙池进行灌溉引 水水源的泥沙处理。本研究结合研究课题，以石城子灌区红星一场灌溉水源处的曲线 型沉沙池为原型，研究其正常运行情况下沉沙池池内水流流速分布，探究沉沙池池内泥 沙运动规律；然后针对上述提出的曲线型沉沙池运行缺点进行结构优化，研究不同结构 类型对池内沉沙率的影响，确定较为高效的曲线型沉沙池结构类型，并为后期低耗水排 沙做基础。 为此，本文采用物理试验与数值模拟相结合的方法，使用物理试验研究某一结构类 型的曲线型沉沙池的实际水力特性和泥沙运动规律， 使用数值模拟技术对物理试验进行 模拟，待模拟值验证合理后，对其它改进后结构类型的沉沙池进行数值模拟，分析池内 流场的变化规律和泥沙运动规律， 确定优化后沉沙池的结构类型， 这兼顾了农户的利益， 对于降低渠首滴灌系统的投资、减轻引水除沙的劳动强度、促进滴灌技术的广泛应用具 有重要意义。 1.2 国内外研究现状 沉沙池的研究方法主要有理论研究、模型试验研究与数值模拟研究三大类[14, 22, 23]。 理论分析主要是根据流体动力学理论进行研究，但需要将对象进行抽象简化处理，局限 性较大，无直观数据图像，在未得到验证条件下难以指导实际工程。物理试验试验一直 是国内外众多学者研究水工结构主要手段之一，即基于实物几何模型，开展相关流体力 万方数据 曲线型沉沙池结构优化及数值模拟 3 学研究，结果较为直观，实用性较强，但试验耗时长，花费大，且难以实现对空间与时 间上连续性的捕捉。随着计算流体力学的不断完善，仿真模拟逐渐成为水工结构研究的 焦点，它以耗时短、投资小、灵活性强等优点得到广泛应用。但由于边界条件和计算方 法设置的局限性，无法完全替代模型试验。如今学者多采用物理试验与模拟相结合的手 段以解释水工结构内的复杂水力特性问题。 1.2.1 水力特性的研究现状 水力特性主要包括流量、流速、流态、水深和水宽等要素[24, 25]。曲线型沉沙池沉 沙的主要工作原理为水流入池后，显著降低池内流速，降低水流挟沙能力，使泥沙颗 粒沉淀在池内底部，以达到沉沙池沉沙的目的，这表明沉沙池池内的水力特性将直接决 定沉沙池的工作效率。因此，国内外许多学者对沉沙池的水力特性进行了研究。 物理试验研究国外学者 Suneja, S.K[26]在 1876 年对弯道水槽的试验研究中发现， 弯道中的水流在运动过程中存在纵向流动和横向流动，且变化较大，这为后人对弯道水 力特性的研究和弯道演变规律的研究奠定了基础。Rubin, D.M[27]假定弯道河流无横向流 动，从紊流理论方面对弯道中水流的纵向流速进行研究，发现与实际相差较大，说明弯 道水流横向流速较直线型河道变化较大，且影响到纵向流速。而后，Casalis G[28]从三维 角度出发，将弯道进行逐段分解，缩减到足够小，假定河道中水流在运行过程中无能量 损失，得到弯道纵向流速的计算公式，但其在长距离输水流速计算时存在较大误差。 Ginevskii, A.S[29]通过假定水流进行圆周运动，并基于 N-S 连续性方程，得到进行圆周运 动的水流横向流速分布的计算公式，但此公式对于环形水流过于理想化。Tuoc, T [30]针 对环形河流进行分段处理，在原有闭合环流横向流速计算公式的基础上，假定河底的流 速向量与剪切方向相同，得到弯道型河道的横向环流计算公式，但该公式的精确度受谢 才系数的影响较大，需进一步优化。Klinck, J.M[31]假定河底边界不可滑动，通过摄动法 对弯道水流的计算公式进行优化分析， 得到多边界条件下弯道水流的纵向和横向流速计 算公式。其后，Nakano, T[32]通过对弯道流速的指数分布进行线性分析，得到较为简化的 弯道流速计算公式，这使得对于弯道环流的计算更加简便，且精确度更高。 同样，国内也有大量学者进行了研究。张红武[33]等人认为弯曲的河道内水流方向 的改变，必然会伴随着重力和离心力的共同作用，做环形运动的水流则更为显著。在吴 持恭[34]所著水力学中指出，由于弯道中的水流受到重力和离心力双重作用，这会使 弯道凹凸岸之间的水流产生偏差，形成弯道副流现象。在 1986 年，黄科院通过大型河 湾模型试验，得到弯道进口流量、结构类型及边界条件对河道的纵向流速影响较大[35]。 孙景春[36]将不均匀流速分布引入到水面超高的计算中，并加以修正相关系数，得到平均 流速代替非均匀流速的新的简化水面超高计算公式。 张海燕[37]假定弯道内的水流无横向 力作用，通过参考日本和 Delft 水力学实验研究成果，得到较为简化的弯道水面超高时 的水面横比降计算公式。 许光祥[38]和童思陈[39]等学者通过浑水模型试验发现， 弯道水流 中的泥沙含量与池内流速及沉淀量影响较大；通过对池内流速和含沙量分布系数研究， 万方数据 曲线型沉沙池结构优化及数值模拟 4 得到弯道水流流速分布系数和含沙量分布系数范围值。 王平义[40]则是根据弯道各段凹凸 岸之间的流速分布规律不同和池内流速区域的不同， 进而推断出凹凸岸之间的横比降公 式。 张耀哲[41]通过引入流速的指数分布， 对 U 型渠道开展了沿程流速变化规律的研究， 得到了 U 型渠道横向流速变化规律， 这对于以后渠道水沙分离的研究具有重要意义。 杨 真[42]通过对迷宫堰型沉沙池水力计算试验研究得到， 折线型迷宫堰较直线型可有效延长 池内水流的运动轨迹，增大泥沙颗粒在池内的运动迹线，从而达到提高沉沙率的效果。 邹骥[43]等人通过对弯曲的分汊河道水力特性的研究发现， 主槽的凹岸流速向凸岸呈现逐 渐降低的趋势，但在出口处断面最小值流速则接近凹岸。 数值模拟研究 1981 年， 国外学者 Imam[44]通过物理试验获得到涡流粘度值， 而后， 通过使用有限差分法和两步交替法对二维的涡旋流函数进行求解， 得到涡旋水流的函数 方程。1985 年，Castro[45]等人为了研究矩型沉沙池内部的水力特性和泥沙运动规律，其 利用有限体积法对 k-ε 紊动模型进行求解，实现了对矩型沉沙池池内流速分布规律的预 测， 且此结论与