農業退水分層利用裝置設計與數值模擬

孫志林 李眾徹 方詩標 許 丹

(浙江大學港口海岸與近海工程研究所, 杭州 310058)

農業退水分層利用裝置設計與數值模擬

孫志林 李眾徹 方詩標 許 丹

(浙江大學港口海岸與近海工程研究所, 杭州 310058)

從理論可行性出發，初步設計一種分流裝置，再從功能和效率的角度對其進行改進，最后采用計算流體力學軟件Fluent對農業退水分流過程進行數值模擬，對比分析不同流速下的鹽度場和速度場，結果表明該分流裝置可為最終設計提供參考。試驗工況分3組進行，設定入口流速作為唯一變量，3組試驗均假定相同的入口鹽度分布函數。截取2個Y軸剖面的流速場云圖和4個X軸剖面的鹽度場云圖進行對比分析。結果表明，分流裝置可以對不同鹽度的農業退水進行分流。上導流槽得到低鹽度農業退水，下導流槽得到較高鹽度退水。分流的效率取決于裝置尺寸、分層流流速和鹽度分布等因素，可根據實際情況進行調整和優化。

農業退水； 分流裝置； 排堿渠； 數值模擬； 鹽堿地

引言

土地鹽堿化嚴重制約南疆地區的社會發展。農業部門一般采取水利、生物、化學等治理措施改良鹽堿地。水利工程治理措施主要是修建水庫、排水渠道網絡，建立較為完善的灌溉系統和現代化排水系統[1-10]。生物治理措施主要是培育耐鹽植物，利用生物排水降低地下水位，減少地面蒸發，防止土地表面積鹽[11-15]。化學治理措施則是在鹽漬化土地中施加石膏、礦渣等改良劑，降低土地中的鹽堿含量[16-19]。迄今為止，南疆大面積改良土地鹽漬化的方式仍是以“排水洗鹽”為主。然而大面積推廣使用“排水洗鹽”會使未經處理的鹽堿水隨意排放，不僅閑置有限的水資源，而且威脅周圍生態環境。因此，需要通過更為科學合理的技術措施將鹽堿水的礦化度降低，以減輕廢棄鹽堿水對環境的惡劣影響。

南疆地區的排堿干渠有著多個入水口，各個支排的退水鹽度高低不一，且常年處于太陽高溫輻射量下，具備形成分層流的條件。關于分層流的數值模擬，國內學者已經進行了初步的探索，并取得一定成果。包蕓等[20]運用三維斜壓模型對珠江口伶仃洋區域鹽度分層進行了數值模擬，模擬結果與實測資料基本吻合。胡振紅等[21]建立了溫度和鹽度分層流的k-ε模型，進行了數值模擬計算，計算結果正確地反映了分層及紊動特征，與實測結果吻合較好。

本文設計水體分流裝置[22]，該裝置可將分層水體以一種純物理方式分流。在此基礎上，進一步改進裝置，提高水體分離的精度并實現完全自動化。通過Fluent計算流體力學軟件對分層流體流經分流裝置的過程進行數值模擬，對比分析不同流速下的鹽度場和速度場，為裝置實際使用提供優化建議。

1 數學模型

1.1 控制方程

控制方程采用雷諾平均方程組(RANS)，連續方程與動量方程為笛卡爾坐標系下的張量形式，湍流模型采用標準k-ε模型，鹽度計算采用組分輸運方程[23]。

連續性方程為

(1)

式中ρ——流體密度t——時間ui——速度分量xi——笛卡爾坐標系下對應的方向

動量方程為

(2)

式中p——壓力u′i、u′j——速度脈動量μ——動力粘性系數δij——狄克拉函數uj——速度分量xj、xl——笛卡爾坐標系下對應的方向

k方程為

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

其中

μt=ρCμk2ε-1Cμ=0.09

式中k——湍動能μt——渦粘性系數Gk——由層流速度梯度而產生的湍流動能Gb——浮力而產生的湍流動能YM——擴散產生的波動Sk——用戶自定義源項σk——k方程的湍流Prandtl數，取1.0ε——湍流耗散率

ε方程為

(4)

其中C1ε=1.44C2ε=1.92C3ε=tanh|vu-1|

式中C1ε、C2ε、C3ε——常數項v——沿重力方向速度分量u——平行重力方向速度分量Sε——用戶自定義源項σε——ε方程的湍流Prandtl數，取1.32

鹽度c控制方程為

(5)

式中Γc——鹽度擴散系數Sc——鹽度源項

1.2 邊界條件

入口邊界設置為速度入口，速度通過用戶自定義函數(User defined function，UDF)設置為充分發展流動狀態，湍動強度設置為5%，同時鹽度在入口處通過UDF按照設計濃度分別加入計算系統。

出口邊界為無回流自由出口。

在固體壁面附近的粘性底層內用標準壁面函數來處理[24]。

1.3 數值方法

在笛卡爾坐標系下，式(1)～(4)可寫成統一形式

(6)

式中φ——ui、k、εS——源項Γ——廣義擴散系數

采用有限控制體積法來離散計算區域，然后在每個控制體積中對微分方程進行積分，再把積分方程線性化，得到各未知變量的代數方程組，最后求解方程組即可求出各未知變量。采用Simple算法對壓力和速度場進行耦合計算。流場迭代穩定后計算鹽度場，模擬中采用單向耦合，鹽度計算不影響流場計算。

2 模型設計與數值模擬

2.1 裝置的原理與改進

初始分流裝置如圖1所示，該裝置包括左分流裝置和與左分流裝置倒置的右分流裝置。左分流裝置和右分流裝置固定連接且相互平行，固定安裝在河渠的橫截面上。因為浮力作用，左浮力球和右浮力球分別帶動左閘門和右閘門上下平移，由于密度和鹽度呈正相關關系，鹽度低的水從左閘門上方流出，鹽度高的水從右閘門下方流出，從而實現排堿渠不同濃度水體的分流。該裝置用純物理方法分流，具有結構簡單、造價低廉等特點，目前已獲授權。

圖1 初始分流裝置Fig.1 Initial shunting device

圖2 帶無線收發功能的分流裝置Fig.2 Shunting device with wireless transceiver function

初始分流裝置雖優點明顯，但也存在分離精度不高、無法遠程控制等不足，因此在最初的發明專利基礎上做了進一步改進，設計了一種帶無線收發功能的鹽水分流裝置[25]。如圖2所示，該裝置包括左分流裝置和右分流裝置。左分流裝置和右分流裝置固定連接且相互平行，固定安裝在排堿渠的橫截面上。因上、下層水體的鹽度不同，導致置于上、下導流槽口邊緣的傳感器產生不同的電信號，進而驅使左右電動機箱中的電動機分別帶動左閘門和右閘門進行相應的上下平移，使鹽度低的水從左閘門上方流出，鹽度高的水從右閘門下方流出，實現不同濃度鹽水的分流。其后附帶的導流槽可將分離后的液體導流，上層鹽度較低的水可以直接投入農業灌溉，下層較高濃度鹽水則可以曬鹽、提鹽，從而達到防止土地鹽堿化的目的。裝置左右均附帶無線收發器，具備實時可監控以及突發情況下可人工干預的功能，能很好地適應環境變化，達到完全自動化。

2.2 研究對象與試驗工況

本文的研究對象為置于排堿渠的分流裝置，實際模型簡化后的計算模型如圖3所示，X軸方向是分層流體流動方向，Z軸方向垂直向上，Y軸方向和分層流體流動方向垂直。排堿渠寬4.0 m、深1.5 m、長12.0 m，其橫截面為矩形，在排堿渠X方向2.0 m處，垂直流體流動方向放置分流裝置，分流裝置計算模型簡化為一塊擋板，在擋板的左上方和右下方各開1個矩形導流槽口，2個導流槽口尺寸一致，寬2.0 m、高0.4 m，導流槽口后均連接長10.0 m的導流槽，上下導流槽底部為平坡。各導流槽末端連接水泵，如有需要，可為導流槽中水體的流動提供持續動力。

圖3 排堿渠放置分流裝置三視圖(單位：m)Fig.3 Three-view graphs of shunting device in alkali draining ditches

對流體計算域采用六面體網格劃分，考慮在壁面附近和擋板水流分離處流場參數變化梯度比較大，因此網格劃分時，此部分采用網格加密處理，在邊界第1層網格設置為0.005 m，網格擴展比為1.2，經過驗證，設置符合壁面網格符合標準壁面函數使用條件。通過網格無關性驗證。

模擬分3組試驗工況，第1、2、3組的入口流速分別為u1=0.1 m/s，u2=0.2 m/s，u3=0.5 m/s，這3個流速為典型試驗工況，分別模擬排堿渠中流體在枯水季節、一般季節和旺水季節3種情況下的流動。每組試驗除流速條件不一樣外，其他條件均一致。入口鹽度的分布設置采用有關文獻的實測結果，取底部鹽度是表面鹽度的3倍[20]。分層流體鹽度變化函數較好地刻畫了鹽度漸進變化規律，函數曲線如圖4所示。由函數關系式可知，水表面(X=0 m)鹽度為1.0 g/L；水底(X=1.5 m)鹽度為3.1 g/L。水底鹽度取3.0 g/L左右，基于絕大多數植物都不能在此濃度鹽水灌溉下存活的考慮，因此當濃度接近3.0 g/L時，已經不適合灌溉，而應該分離后作他用。

圖4 入口鹽度分布函數Fig.4 Distribution function of salinity at inlet

3 結果與分析

圖5～11是3組不同工況下，分層流體達到穩態時，流速和鹽度分布圖。其中，圖5～7為下導流槽(Y=1.0 m剖面)和上導流槽(Y=3.0 m剖面)在X軸方向上達到穩態時的流速分布情況。圖8～11分別是X為2.1、4.0、6.0、8.0 m 4個不同剖面下的鹽度分布。

由圖5～7可看出，無論是u1=0.1 m/s，u2=0.2 m/s，u3=0.5 m/s的何種工況，在上、下導流槽入口處(也就是X=2.0 m處附近)，鹽水的流速快速增加，均達到各工況下入口流速的4倍左右，但鹽水在導流槽的后續流動中，速度基本沒有變化。這是由于上、下導流槽橫截面變小，且上、下導流槽都是管流，不存在鹽堿水溢出的可能。排堿渠的寬4.0 m、高1.5 m，橫截面積6.0 m2，而分流裝置上、下導流槽寬2.0 m、高0.4 m，橫截面積之和1.6 m2，因此根據流體的質量守恒定律和連續性假設，流量不變，面積減小，必然導致流速增加。

在X=2.0 m處上部，可以明顯看出鹽水的流速快速下降為零，這是由于分流裝置的右截流板發揮了截流的作用，將分流裝置迎水面右邊濃度較低的稀鹽水截流，因此速度快速降為零。圖5～7的b圖,在X=2.0 m處流速快速降為零，原因和a圖類似，因為分流裝置下部的截流板將分流裝置迎水面左邊濃度較高的鹽水截流。

圖5 第1組 (u1=0.1 m/s)Y軸剖面的流速場Fig.5 Velocity fields of Y-axis transverse section for the first group (u1=0.1 m/s)

圖6 第2組 (u2=0.2 m/s)Y軸剖面的流速場Fig.6 Velocity fields of Y-axis transverse section for the second group (u2=0.2 m/s)

圖7 第3組 (u3=0.5 m/s)Y軸剖面的流速場Fig.7 Velocity fields of Y-axis transverse section for the third group (u3=0.5 m/s)

由圖8～11可以看出，分流裝置能實現分流的功能：上導流槽的平均鹽度低于下導流槽的平均鹽度，上導流槽分流出低鹽度的水，下導流槽分流出較高鹽度的水。流速越快的鹽水，其X剖面的鹽度分布趨于穩定的時間也越長。

根據圖4所示鹽度變化函數，當與水面的垂直距離為0.4 m時，對應的鹽度為2.08 g/L。3組工況下，上導流槽X軸橫截面上鹽水的平均鹽度約等于上導流槽槽底對應深度的鹽度。該現象說明，上導流槽分流后的鹽水鹽度分布基本取決于入口處的鹽度分布函數和上導流槽槽底對應深度。因此，在排堿渠中使用分流裝置時，如果要提取低于某一鹽度的分層流體，則應該調高分流裝置上導流槽，使上導流槽槽底對應深度的鹽度低于該值，否則提取的分層流體容易鹽度過高，影響分流效果。

圖8 3組不同流速下，X=2.1 m剖面的鹽度場Fig.8 Salinity fields in transverse section of X=2.1 m under three different velocities

圖9 3組不同流速下，X=4.0 m剖面的鹽度場Fig.9 Salinity fields in transverse section of X=4.0 m under three different velocities

相同的X軸截面，不同流速對比可以看出，u1=0.1 m/s工況的分流效果要優于u2=0.2 m/s和u3=0.5 m/s工況，進一步觀察可以發現u2=0.2 m/s和u3=0.5 m/s工況之間的分流效果差別不大。該現象說明，為了使上導流槽盡可能分流出濃度較低的鹽水，在實際的排堿渠中使用分流裝置時，應當適當調低上導流槽的流速，因為流體流速越大越容易從層流向紊流發展，這會導致流體質點的運動極不規則，由于脈動的急劇混摻，流體動量、能量、溫度以及含有物的濃度擴散速率都會增大。這樣的流動會破壞原來的鹽度分層現象，使得分流裝置的分流作用減弱。

圖10 3組不同流速下，X=6.0 m剖面的鹽度場Fig.10 Salinity fields in transverse section of X=6.0 m under three different velocities

圖11 3組不同流速下，X=8.0 m剖面的鹽度場Fig.11 Salinity fields in transverse section of X=8.0 m under three different velocities

下導流槽的鹽水流動速度沿程均比較穩定，變化不明顯，但是可以看出，隨著鹽水的流動，3個工況下的下導流槽X截面的鹽度均有所下降。分流裝置下導流槽設置的目的是為了分流較高濃度的鹽水，若鹽水濃度變小，則會與設想的結果背道而馳。進一步深入比較各個工況下導流槽的鹽度分布可以看出，u1=0.1 m/s工況的下導流槽鹽度分布比u2=0.2 m/s和u3=0.5 m/s工況要穩定，沿程流動中，鹽水濃度更不易變小。其原因和上導流槽類似，因為流體流速越大，液體質點作不規則運動，互相混摻，軌跡越曲折混亂，下方較高濃度的鹽水和上方低濃度鹽水摻混，致使下方導流槽分流出的鹽水濃度變低。為了提高下導流槽的分流效率，可以減小下導流槽橫截面的寬度。

4 結論

(1)分流裝置上導流槽旨在分流低鹽度的水體，上導流槽分流后的退水濃度很大部分取決于入口處鹽度分布和上導流槽槽底對應的深度。因此，在排堿渠中使用分流裝置時，若想充分降低上導流槽分流出的鹽水濃度，在實際工作條件允許的情況下，可以選擇抬高上導流槽的槽底。

(2)降低下導流槽槽底可以提高下導流槽的分流效果，使得其分流的鹽水濃度得到提高，但是這樣會使得下導流槽的橫截面積變小，影響截面的流量，降低分流效率，在實際使用中需要綜合考慮。

(3)無論對于上導流槽還是下導流槽，降低退水流速都是提高分流效果的有效手段，因此入口處分層鹽水流動速度不應過快，否則退水會在流動中快速摻混，分流裝置達不到分流的目的。但是入口處流速過低，則會導致分流的效率降低。故在實際使用過程中，需要在分流效率和分流效果方面做一定的權衡。

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Device Design and Numerical Simulation of Agricultural Wastewater Layered Utilization

SUN Zhilin LI Zhongche FANG Shibiao XU Dan

(InstituteofPort,CoastalandOffshoreEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

The rainfall in the south region of Xinjiang is rare which caused severe problems of soil salinization. The salt leaching of farmland and wastewater draining from irrigating farmland are rich in sodium which indirectly leads to the ecological pollution. To effectively deal with the excessive salinity of agricultural wastewater from alkali draining ditches, a shunting device was invented. Firstly, the feasibility of the theory to design the preliminary device was introduced. Secondly, improvement of the device in its functionality and efficiency was given. Finally, numerical simulation of the streaming process of agricultural wastewater based on the computational fluid dynamics utilizing the software fluent was obtained. The derived results were used for the ultimate design of the shunting device. The test conditions were categorized into three groups. The inlet flow rate was set as the only variable, and the spatial distribution of inlet salinity among three groups was assumed to be identical. TwoY-axis sectional velocity field cloud diagrams and fourX-axis sectional salinity field cloud diagrams were selected for detailed comparison. It showed that the shunting device can separate water based on salinity distribution, and agricultural wastewater with low salinity was obtained from the lower diversion trench, vice versa. The efficiency of the shunting device depended on its size, stratification flow velocity and salinity distribution. Adjustment and optimization should be subjected to the actual situation.

agricultural wastewater； shunting device； alkali draining ditches； numerical simulation； saline land

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.026

2016-09-23

2017-01-20

高等學校博士學科點專項科研基金項目(2120101110108)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(2015XZZX002-01)和水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07424-001)

孫志林(1956—)，男，教授，博士生導師，主要從事水沙動力學、河口海岸數值模擬和水資源利用研究，E-mail： oceansun@zju.edu.cn

S24; TV93

A

1000-1298(2017)06-0203-07