回流滴灌系統毛管泥沙輸移規律模擬及實驗研究

盧金鎖，路澤星，于 健，史吉剛

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院， 陜西 西安 710055； 2.西北水資源與環境生態教育部重點實驗室， 陜西 西安 710055；3.內蒙古自治區水利科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010020)

回流滴灌系統毛管泥沙輸移規律模擬及實驗研究

盧金鎖1，2，路澤星1，于 健3，史吉剛3

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院， 陜西 西安 710055； 2.西北水資源與環境生態教育部重點實驗室， 陜西 西安 710055；3.內蒙古自治區水利科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010020)

為探究回流滴灌系統滴灌毛管的輸沙潛力和抗堵塞性能，本試驗通過CFD模擬和室內滴灌實驗探究滴灌系統中泥沙顆粒輸移規律和水流運動特性。CFD模擬結果表明：當毛管內水流流速小于0.2 m·s-1時，隨流速的增加，自毛管進入滴頭的泥沙數量明顯減少，且毛管內水流紊流強度大小與紊流區域范圍逐漸減?。划斆軆人髁魉俅笥?.2 m·s-1時，流速的增加對進入滴頭內的顆粒數量和水流狀態無明顯影響。室內滴灌實驗結果表明：回流滴灌系統毛管水流流速增加時，滴頭出水中的泥沙顆粒數量較支狀系統減少約30%，而當回流毛管流速為0.1 m·s-1，三種滴灌帶的灌水周期比支狀滴灌系統分別提高50%、38%、41%，繼續提高流速對提高灌水周期影響不大?；亓鞯喂嘞到y較傳統滴灌系統可以顯著提高毛管的輸沙排沙能力，減少進入滴頭內的泥沙數量，提高系統抗堵塞性能，延長滴灌系統的運行周期。

泥沙輸移；滴頭堵塞；CFD模擬；回流管；毛管流速

滴灌是一種新型灌溉方式，具有節水、高效等諸多優點，適合在干旱缺水地區推廣。但由于滴灌系統對水質要求較高[1]，而在我國西北內陸黃河灌區黃河水含沙量普遍較高，處理達到滴灌水質標準成本較高，否則極易造成滴頭堵塞，從而嚴重制約滴灌系統的大面積推廣[2-3]。

針對黃河水泥沙量大和處理成本較高的問題，有學者研究采用水力旋流器、沉淀池和過濾器等方法對黃河水進行處理[4-5]；還有研究人員通過對滴頭流道水力特性的CFD模擬和實驗研究，探究滴頭內部的水沙運動特性，并據此對滴頭流道結構進行優化，提高了滴頭的輸沙抗堵塞性能[6-11]；還有學者提出在系統運行時通過水力沖洗對滴灌系統進行清洗排沙，從而降低滴灌系統堵塞的幾率和對水質處理的要求[12-14]。

目前，研究人員主要從水質凈化、滴頭流道結構優化、滴灌運行方式等三個方面為切入點研究使用黃河水作為水源的滴灌系統的堵塞問題。但對滴灌毛管的輸沙排沙能力研究較少，并且針對國內滴灌帶“一年一換”不同于國外滴灌毛管3至5年的使用周期的特點，現有的水質凈化方法的效費比較低，因此有必要針對滴灌毛管內的泥沙輸移規律進行研究。

本文提出一種在傳統支狀滴灌系統末端增設回流管的回流滴灌系統，通過控制回流管流速調節系統內毛管水流流速。本研究通過CFD模擬和滴灌實驗，研究滴灌毛管水流流速提高后毛管內泥沙顆粒的運動規律，發掘滴灌毛管的輸沙、排沙潛力，從而利用經簡易過濾后的原水作為滴灌水源，以實現提高滴灌系統運行周期和降低滴灌系統的水處理成本的目的。

1 材料與方法

1.1 CFD控制方程及滴灌模型簡化

模擬計算過程中的控制方程由連續性方程和Navier-Stokes等方程構成，其在直角坐標系中的表達形式為[15-16]：

連續性方程：

(1)

Navier-Stokes方程：

(2)

(3)

(4)

傳統的支狀滴灌系統布置形式如圖1所示，CFD模擬計算過程中選取滴灌系統末端毛管為研究對象。通過設定末端毛管的不同水流流速模擬回流滴灌系統不同回流流速時毛管內的水沙運動狀態，探究在滴灌毛管末端設置回流管提高毛管流速后，泥沙顆粒的運動特征以及毛管內水流流速對水流狀態的影響。

1.2 計算區域網格劃分與模型求解

計算區域的三維幾何模型構建在AutoCAD2010中完成，計算區域毛管長度為66cm，毛管直徑為16mm，滴頭位于計算區域毛管33cm處。滴頭流道寬度為0.75mm，流道深度0.75mm，齒間距1.74mm，齒高度1.0mm，流道長度19.4mm。將幾何模型導入GAMBIT2.3.16劃分計算區域的網格， 滴頭區域采用0.1mm的四面體非結構化網格劃分，滴頭流道入口處20cm的毛管區域采用0.3mm的六面體結構化網格劃分，其余毛管區域采用1mm的六面體結構化網格劃分。計算區域的網格總數約4.5×105個，計算區域網格劃分如圖2所示。

1.干管；2.支管；3.壓力表；4.閥門；5.滴灌帶；6.模擬計算區域

1.mainpipe； 2.branchpipe； 3.pressuregauge； 4.valve； 5.dripirrigationtape； 6.simulatedcalculationarea

圖1CFD模擬滴灌系統簡化圖

Fig.1CFDSimulateddripirrigationsystemsimplifieddiagram

圖2 計算區域網格劃分

Fig.2Thegriddivisionofcomputationalregion

CFD模擬采用歐拉兩相流模型，固相顆粒直徑0.01mm，固相顆粒密度2 500kg·m-3。毛管入口設置為速度入口形式，共設0.05、0.10、0.20、0.40m·s-1四個流速梯度。毛管出口設為壓力出口形式，壓力值為1.01×106Pa。滴頭流道出口設為壓力出口，壓力值為0。滴頭流道入口和滴灌毛管的邊壁連接處設定為交界面形式，并在FLUENT6.3.26中將交界面創建為網格交界面。近壁面采用標準壁面函數法對壁面進行處理，并根據滴灌實驗選用的滴灌帶材料特性將壁面粗糙高度設為0.01mm，粗糙系數設為0.5。壓力項采用一階迎風格式，速度壓力耦合采用SIMPLEC算法，計算收斂精度設置為10-4。

1.3 滴灌實驗材料及方法

實驗室滴灌實驗選用額定流量分別為1.4、1.75、2.2L·h-1的三種內鑲貼片迷宮式滴灌帶。實驗選用滴灌帶長度均為66cm，含2個滴頭，實驗裝置如圖3所示。實驗使用內蒙古自治區巴彥淖爾黃河水源段泥沙經300目篩網經過濾、烘干后配制成不同濃度的滴灌水源。本實驗使用LS230激光粒度分析儀測試滴灌水源和滴頭出水顆粒粒徑的分布，其泥沙顆粒分布情況如下：d<5μm占18.31%，5μm≤d<10μm占32.45%，10μm≤d<15μm占49.22%，其中位值粒徑為9.86μm，平均粒徑為8.52μm。根據滴頭堵塞的成因可分為生物堵塞、物理堵塞，其中物理堵塞多由自毛管進入滴頭內部泥沙顆粒的沉積、凝聚或直接堵塞流道引起，本文主要研究進入滴頭的泥沙顆粒引起的物理堵塞?！安煌芑亓髁魉贄l件下泥沙顆粒輸移實驗”；同時為研究毛管回流流速對滴灌系統灌水周期的影響，進行了“不同毛管回流流速條件下間歇灌水實驗”。

1.水沙混合桶；2.吸水管；3.水泵；4.閥門；5.旁通管；6.壓力表；7.滴灌帶；8.流量計；9.回流管；10.水槽排水管；11.支架；12.水槽

1.mixed bucket； 2.suction pipe； 3.pump； 4.valve； 5.bypass pipe； 6.pressure gauge; 7.drip irrigation tape; 8.flowmeter; 9.Return pipe; 10.discharge pipe; 11.bracket; 12.Storage tank

圖3 滴灌系統簡化裝置測試平臺

Fig.3 Test platform for simplified device of drip irrigation system

在“不同毛管回流流速條件下泥沙顆粒輸移實驗”中，配制泥沙濃度分別為1、2、4 kg·m-3的3種滴灌水源在回流流速分別為0.05、0.1、0.2、0.4 m·s-1的條件下進行共12種工況的滴灌實驗。首先調節毛管末端閥門和系統首端閥門的開啟程度控制末端毛管水流流速分別為0.05 m·s-1，同時保證系統首端壓力表讀數為1.0×106Pa。隨后通過位于滴頭下方的集水器收集滴頭出水水樣20 min，測試滴頭出水中的粒度分布，更新滴灌帶，實驗結束。依次進行另外三種毛管流速條件下以及支狀滴灌系統工況的實驗。

在“不同毛管回流流速條件下顆粒輸移實驗”中，使用泥沙濃度為4 kg·m-3的配制水樣，控制滴灌毛管末端的水流流速為0.05 m·s-1，同時保證系統首端壓力表讀數為1.0×106Pa，實驗裝置每天8∶00—16∶00運行一個灌水周期。在每個灌水周期內，通過位于滴頭下方的集水器收集滴頭出水水樣20 min，記算滴頭流量。當滴頭流量值小于額定流量的75%時，更換滴灌帶，結束實驗。按照同樣的方法依次進行滴灌毛管末端流速為0.10、0.20、0.40 m·s-1條件下的滴灌系統灌水實驗，記錄滴灌系統運行的時間。

2 結果與分析

2.1 毛管水流流速與顆粒遷移運動關系

圖4所示為不同毛管水流流速條件下計算區域泥沙顆粒遷移運動的軌跡。由圖4可知，當水流流速為0.05 m·s-1時，滴頭位置處毛管內顆粒跡線雜亂、無序，顆?？裳馗鱾€方向經流道入口進入滴頭；當水流流速提高為0.10 m·s-1時，滴頭流道入口處顆粒跡線同樣呈漩渦狀，但較流速為0.05 m·s-1時顆粒運動跡線更規則、有序，且進入滴頭內部的顆粒數量明顯減少。當水流流速提高為0.2 m·s-1時，顆粒運動軌跡與毛管水流方向一致，當流速繼續增加至0.4 m·s-1時，顆粒跡線無明顯變化。

對圖4中進入滴頭內部的顆粒數目統計發現：當毛管水流流速為0.05 m·s-1時，進入滴頭內顆粒數量約占毛管內顆粒數量的12%，當水流流速增加為0.1 m·s-1時，進入滴頭內泥沙顆粒數量約占毛管內顆粒數量的8%；當毛管水流流速繼續增加為0.2 m·s-1和0.4 m·s-1，該值分別為6%、5%。通過上述對毛管內不同水流流速條件下進入滴頭泥沙顆粒數量統計發現，隨毛管水流流速的增加進入滴頭內部的顆粒數量逐漸減少。有研究表明[17]泥沙顆粒在滴頭內的凝聚可造成滴頭的堵塞，上述研究中通過提高毛管流速實現了毛管的輸沙排沙，減少了泥沙顆粒進入滴頭內數量，降低了泥沙顆粒在滴頭內凝聚造成的堵塞現象的發生。

2.2 毛管水流流速與水流狀態關系

圖5為計算區域內水流紊動強度的分布圖。從圖中可以看出，當毛管水流流速為0.05 m·s-1時，毛管內水流紊流強度為20%，紊流區域擴展到毛管整個橫截面區域；當毛管水流流速增加為0.10 m·s-1時，此紊流區的紊流強度減小為16%，紊流的范圍同樣擴展至毛管全部橫截面區域，但略有減??；當毛管水流流速進一步增加為0.20 m·s-1時，毛管內已無明顯的紊流區，紊流區主要集中在滴頭入口處，且該紊流區的最大紊流強度減小為5%；當水流流速繼續增加為0.40 m·s-1時，毛管內紊流區的范圍和紊流強度的大小均無明顯的變化。通過上述的模擬結果可以發現，當毛管水流流速小于0.2 m·s-1時，毛管內的紊流強度和紊流區域的范圍均隨著流速的增加而減小，而當流速繼續增加達到0.4 m·s-1時，流速的改變對紊流范圍和紊流強度的影響不大。

圖4 不同毛管主流流速條件下計算區域顆粒運動跡線圖

Fig.4 Fig.4 The path lines of particle movement under different current velocity

圖5 不同毛管主流流速條件下計算區域紊流強度

Fig.5 Turbulence intensity under different current velocity

將上述毛管內水流流態的變化與進入滴頭內顆粒數量比較發現二者之間存在著明顯的一致性，即當紊流強度和紊流區域較大時，進入滴頭內部的顆粒數量較多，反之則進入滴頭內的顆粒數量減少。袁竹林[18]等人的研究表明，在稀相懸浮體系中，顆粒沿非主流方向的運動主要由流體內大小漩渦團帶動，即顆粒將跟隨紊流渦團而脫離毛管的主流方向進入滴頭內部。上述論述可以說明，當毛管水流的紊流強度和紊流區域范圍隨毛管水流流速增加而減小后，顆粒沿非水流方向的擴散強度也隨之降低，從而使得進入滴頭內部的顆粒數量減少。

2.3 毛管流速與滴頭出水顆粒粒徑分布

通過對室內實驗中支狀滴灌系統和回流流速分別為0.05、0.1、0.2、0.4 m·s-1的回流滴灌系統在滴灌水源含沙量分別為1、2、4 kg·m-3條件下滴頭出水水樣進行粒度分析發現，滴頭出水中99.98%的顆粒直徑均小于15μm，因此顆粒分析粒徑選擇為0～15μm。以支狀滴灌系統滴頭出水中各粒徑范圍內顆粒數量為基準值100%，統計在四種不同的毛管回流流速條件下滴頭出水中泥沙顆粒數量相對于支狀滴灌系統滴頭出水的顆粒百分比，得到滴頭出水中顆粒相對數量分布圖。

滴灌水源含沙量為1 kg·m-3的測試結果表明，當回流流速為0.05 m·s-1時，滴頭出水泥沙顆粒比支狀滴灌毛管減少30%，隨回流流速增加，滴頭出水泥沙顆粒繼續減少，當回流流速為0.4 m·s-1時顆粒數量減少約40%。滴灌水源含沙量為2 kg·m-3的測試結果表明，當回流流速為0.05 m·s-1時，滴頭出水泥沙顆粒較支狀滴灌系統減少約15%，當回流流速繼續增加時滴頭出水顆粒數量減少約30%。滴灌水源含沙量為4 kg·m-3時，回流滴灌系統滴頭出水泥沙顆粒均比支狀系統滴頭減少約30%。上述結果均表明，回流滴灌系統滴灌水源含沙量為1～4 kg·m-3時，提高系統回流流速可以顯著的減少進入滴頭內部的泥沙顆粒。由圖6還可以發現，當系統回流流速增加為0.1 m·s-1時，流速繼續增加對進入滴頭的泥沙顆粒數量影響較小，這與模擬計算顆粒運動跡線和水流紊流狀態相吻合。

圖6 滴頭出水中顆粒相對數量分布箱形圖

Fig.6 The box-plot of particles relative number distribution in the flow of emitter

上述規律說明：當回流滴灌系統回流流速為0.05～0.4 m·s-1時，0～15μm粒徑范圍的泥沙顆粒進入滴頭內部的數量較傳統的支狀滴灌系統明顯減少，從而降低傳統支狀滴灌系統中由于泥沙過多進入滴頭內部積累、凝聚進而堵塞滴頭現象的發生。上述實驗結果論證了回流滴管系統通過設置回流管提高滴灌系統毛管水流流速，增強毛管的輸沙排沙能力，使泥沙顆粒隨毛管運動排出滴灌系統，減少自滴頭排出泥沙顆粒。

2.4 毛管回流流速與滴頭灌水周期關系

圖7為周期灌水實驗中額定流量為1.4、1.75、2.2 L·h-1的三種滴頭在不同的回流流速條件下滴頭發生嚴重堵塞(滴頭流量降低為額定流量75%以下)時系統灌水周期。由圖可知，額定流量為1.75 L·h-1的支狀滴灌帶在第16個灌水周期結束之后滴頭發生堵塞，而回流流速為0.05 m·s-1時，灌水周期延長為22次。當回流流速繼續增加為0.1、0.2、0.4 m·s-1時灌水周期分別為26、26、25。額定流量為1.4 L·h-1的滴頭也呈現出隨回流流速的增加灌水次數逐漸增加的趨勢，支狀條件下灌水次數為12次，而四種不同回流流速條件下灌水次數分別為18、21、22、23；而流量為2.2 L·h-1的滴頭在相同的條件下灌水次數分別為17、24、27、26、27。通過對灌水周期的分析還可以發現在相同的回流流速條件下，大流量的滴頭發生堵塞時的灌水周期更長。

通過上述分析發現，當毛管末端流速為0.1 m·s-1時，三種滴頭灌水周期相比支狀系統分別提高50%、38%、41%，流速的增加對灌水周期的提高作用明顯，而當流速大于0.1 m·s-1時，毛管末端流速的增加對灌水周期的延長無明顯影響，反而會使得滴灌系統的運行能耗提高，因此設定回流滴灌系統回流管流速為0.1 m·s-1，可以平衡回流滴灌系統的運行能耗和灌水周期。

圖7 不同回流流速時滴頭堵塞時灌水周期

Fig.7 The irrigation period of emitter clogging at different flow rate

發生上述現象一方面是由于隨毛管流速的增加顆粒沿毛管主流方向遷移，受重力作用沉積在毛管底部的顆粒數量減少，從而降低了毛管底部泥沙受水流沖擊重新進入滴頭的幾率；另一方面是由于隨水流流速的增加，顆粒受到毛管水流的影響明顯大于滴頭入口水流對顆粒的影響，從而使顆粒隨水流運動而不易經滴頭流道入口進入滴頭內部。上述結果進一步的驗證了通過在支狀滴灌系統毛管末端設置回流管的回流滴灌系統，可以顯著提高滴灌系統的灌水周期。

3 結 論

為探究回流滴灌系統中毛管輸沙排沙特性和系統抗堵塞性能，本文通過對滴灌毛管和滴頭的CFD模擬計算和室內滴灌實驗綜合分析結果得到如下結論：

1) CFD模擬計算表明，當毛管水流流速為0.05～0.2 m·s-1時隨水流流速的增加，進入滴頭的泥沙顆粒數量逐漸減少，當流速為0.2～0.4 m·s-1時，流速的改變對進入滴頭內顆粒的數量影響較小。當毛管流速為0.05～0.4 m·s-1時，毛管內水流紊流強度和紊流區域范圍均隨水流流速增加而減小，紊流強度越大沿毛管非主流方向遷移進入滴頭內部的顆粒數量越多。

2) 室內滴灌實驗表明，回流滴灌系統回流流速為0.1～0.4 m·s-1時，可以將滴頭出水中的泥沙顆粒數量減少約30%，驗證了毛管流速的增加可提高毛管的輸沙排沙能力，減少泥沙顆粒進入滴頭的數量，降低了由于進入滴頭內部的泥沙數量較多而導致的物理堵塞。

3) 綜合考慮滴灌系統的運行能耗和灌水周期，將末端回流滴灌系統的回流流速設置為0.1 m·s-1時，三種滴頭的灌水次數分別延長50%、38%、41%，明顯提高系統的灌水周期，可以取得較好的效果。

[1] Nakayama F S, Bucks D A. Water quality in drip/trickle irrigation: a review[J]. Irrigation Science, 1991,12(4):187-192.

[2] 李云開,宋 鵬,周 博.再生水滴灌系統灌水器堵塞的微生物學機理及控制方法研究[J].農業工程學報，2013,29(15):98-107.

[3] Pei Yi-ting, Li Yun-kai, Liu Yao-ze, et al. Eight emitters clogging characteristics and its suitability under on-site reclaimed water drip irrigation[J]. Irrigation Science, 2014,32(2):141-157.

[4] 孫步功,龔 俊,辛 舟.滴灌用黃河水泥沙分離試驗研究[J].農業工程學報,2008,24(8):51-53.

[5] 牛文全,劉 璐.渾水泥沙粒徑與含沙量對迷宮流道堵塞的影響[J].排灌機械工程學報,2011,29(6):547-552.

[6] W Qing-song, L Gang, W Li. Experimental study on the multi-segment regime of the water flow in drip emitters[J]. Journal of Irrigation Engineer, 2010,136(4):254-260.

[7] W Qing-song, L Gang, L Jie. Evaluations of emitter clogging in drip irrigation by two-phase flow simulations and laboratory experiments[J]. Journal Computers and Electronics in Agriculture, 2008,63(2)：294-303.

[8] 吳澤廣,牛文全.泥沙級配對迷宮流道滴頭堵塞及毛管內泥沙沉積的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2014,5:35.

[9] Zhang Jun, ZhaoWan-hua et al. Anti-clogging performance evaluation and parameterized design of emitters with labyrinth channel[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2010,74(1):59-65.

[10] Li Yun-kai, Yang Pei-ling, et al. Hydraulic characterizations of tortuous flow in path drip irrigation emitter[J]. Journal of Hydrodynamics, 2006，(4):449-457.

[11] 劉春景,唐敦兵，等.滴灌三角形迷宮滴頭水力性能穩健性分析[J].農業機械學報,2013,44(1):67-72.

[12] Liu H, Huang G. Laboratory experiment on drip emitter clogging with fresh water and treated sewage effluent[J]. Agricultural water management, 2009,96(5):745-756.

[13] Puig-Bargués, Jaume; Lamm, Freddie R.Effect of flushing velocity and flushing duration on sediment transport in microirrigation driplines[J]. Transactions of the ASABE, 56,(5)：1821-1828.

[14] Puig-Bargués J, Arbat G, Elbana M, et al. Effect of flushing frequency on emitter clogging in microirrigation with effluents[J]. Agricultural Water Management, 2010,97(6):883-891.

[15] John D Anderson. Computational Fluid Dynamics:The basics with application[M]. McGraw—Hill Inc，New York，1995.

[16] Meneveau C, Katz J. Scale-invariance and turbulence models for large-eddy simulation[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2000,32(1):1-32.

[17] 王亞林,朱德蘭,等.滴灌毛管泥沙分布與灌水器堵塞試驗研究[J].農業機械學報,2014,45(6):177-182.

[18] 袁竹林,朱立平.氣固兩相流動與數值模擬[M].南京:東南大學出版社,2013.

Simulation and experimental study on lateral sediment transport in drip irrigation with return pipe

LU Jin-suo1,2, LU Ze-xing1, YU Jian3, SHI Ji-gang3

(1.CollegeofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China;2.KeyLaboratoryofNothWestWaterResourceandEnvironmentEcologyMinistryofEducation,Xi'an,Shaanxi710055,China;3.InnerMongoliaAutonomousinstituteofwaterresourcesresearch,Hohehot, 010020,China)

In order to explore the sediment transport potentials of lateral in drip irrigation system with return pipe, this paper utilized the numerical method by CFD and intermittent drip irrigation method to study the movement regulation of sand particles and movement state of liquid-solid two-phase flow in lateral. The result showed that with the increase of flow velocity in lateral ,the number of particles enter into emitter reduced significantly; when the flow rate is 0.05～0.2 m·s-1, the turbulence intensity and turbulence region in the lateral were reduced with the increase of flow velocity. When the flow rate is 0.2～0.4 m·s-1, the increase of flow rate has no obvious effect on the change of water flow state. When the return pipe is arranged at the end of lateral to increase flow velocity, the number of particles outflow from emitter is reduced by about 30%. When the flow rate of return pipe is 0.1 m·s-1, the irrigation period of three kinds of emitter was improved by 50%, 38% and 41% respectively. These results indicate that to improve the flow rate of lateral can significantly improve the transport capacity of sand, increase the running time of drip irrigation system, reduce the requirements for water treatment facilities.

sand movement； emitter clogging； CFD； return pipe； flow rate of lateral pipe

1000-7601(2017)02-0176-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.28

2016-01-20基金項目：內蒙古自治區重大水利科技專項(2014-117)

盧金鎖(1977—)，男，甘肅白銀人，教授，博士，主要研究方向為水處理技術及系統優化。 E-mail：lujinsuo@163.com。

S275.6

A