盧金鎖，路澤星，于 健，史吉?jiǎng)?/p>

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

回流滴灌系統(tǒng)毛管泥沙輸移規(guī)律模擬及實(shí)驗(yàn)研究

盧金鎖1，2，路澤星1，于 健3，史吉?jiǎng)?

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

為探究回流滴灌系統(tǒng)滴灌毛管的輸沙潛力和抗堵塞性能，本試驗(yàn)通過CFD模擬和室內(nèi)滴灌實(shí)驗(yàn)探究滴灌系統(tǒng)中泥沙顆粒輸移規(guī)律和水流運(yùn)動(dòng)特性。CFD模擬結(jié)果表明：當(dāng)毛管內(nèi)水流流速小于0.2 m·s-1時(shí)，隨流速的增加，自毛管進(jìn)入滴頭的泥沙數(shù)量明顯減少，且毛管內(nèi)水流紊流強(qiáng)度大小與紊流區(qū)域范圍逐漸減??；當(dāng)毛管內(nèi)水流流速大于0.2 m·s-1時(shí)，流速的增加對(duì)進(jìn)入滴頭內(nèi)的顆粒數(shù)量和水流狀態(tài)無明顯影響。室內(nèi)滴灌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：回流滴灌系統(tǒng)毛管水流流速增加時(shí)，滴頭出水中的泥沙顆粒數(shù)量較支狀系統(tǒng)減少約30%，而當(dāng)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(tǒng)分別提高50%、38%、41%，繼續(xù)提高流速對(duì)提高灌水周期影響不大?；亓鞯喂嘞到y(tǒng)較傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)可以顯著提高毛管的輸沙排沙能力，減少進(jìn)入滴頭內(nèi)的泥沙數(shù)量，提高系統(tǒng)抗堵塞性能，延長(zhǎng)滴灌系統(tǒng)的運(yùn)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(jié)水、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合在干旱缺水地區(qū)推廣。但由于滴灌系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求較高[1]，而在我國(guó)西北內(nèi)陸黃河灌區(qū)黃河水含沙量普遍較高，處理達(dá)到滴灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)成本較高，否則極易造成滴頭堵塞，從而嚴(yán)重制約滴灌系統(tǒng)的大面積推廣[2-3]。

針對(duì)黃河水泥沙量大和處理成本較高的問題，有學(xué)者研究采用水力旋流器、沉淀池和過濾器等方法對(duì)黃河水進(jìn)行處理[4-5]；還有研究人員通過對(duì)滴頭流道水力特性的CFD模擬和實(shí)驗(yàn)研究，探究滴頭內(nèi)部的水沙運(yùn)動(dòng)特性，并據(jù)此對(duì)滴頭流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了滴頭的輸沙抗堵塞性能[6-11]；還有學(xué)者提出在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過水力沖洗對(duì)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行清洗排沙，從而降低滴灌系統(tǒng)堵塞的幾率和對(duì)水質(zhì)處理的要求[12-14]。

目前，研究人員主要從水質(zhì)凈化、滴頭流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化、滴灌運(yùn)行方式等三個(gè)方面為切入點(diǎn)研究使用黃河水作為水源的滴灌系統(tǒng)的堵塞問題。但對(duì)滴灌毛管的輸沙排沙能力研究較少，并且針對(duì)國(guó)內(nèi)滴灌帶“一年一換”不同于國(guó)外滴灌毛管3至5年的使用周期的特點(diǎn)，現(xiàn)有的水質(zhì)凈化方法的效費(fèi)比較低，因此有必要針對(duì)滴灌毛管內(nèi)的泥沙輸移規(guī)律進(jìn)行研究。

本文提出一種在傳統(tǒng)支狀滴灌系統(tǒng)末端增設(shè)回流管的回流滴灌系統(tǒng)，通過控制回流管流速調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)毛管水流流速。本研究通過CFD模擬和滴灌實(shí)驗(yàn)，研究滴灌毛管水流流速提高后毛管內(nèi)泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)掘滴灌毛管的輸沙、排沙潛力，從而利用經(jīng)簡(jiǎn)易過濾后的原水作為滴灌水源，以實(shí)現(xiàn)提高滴灌系統(tǒng)運(yùn)行周期和降低滴灌系統(tǒng)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(jiǎn)化

模擬計(jì)算過程中的控制方程由連續(xù)性方程和Navier-Stokes等方程構(gòu)成，其在直角坐標(biāo)系中的表達(dá)形式為[15-16]：

連續(xù)性方程：

(1)

Navier-Stokes方程：

(2)

(3)

(4)

傳統(tǒng)的支狀滴灌系統(tǒng)布置形式如圖1所示，CFD模擬計(jì)算過程中選取滴灌系統(tǒng)末端毛管為研究對(duì)象。通過設(shè)定末端毛管的不同水流流速模擬回流滴灌系統(tǒng)不同回流流速時(shí)毛管內(nèi)的水沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探究在滴灌毛管末端設(shè)置回流管提高毛管流速后，泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)特征以及毛管內(nèi)水流流速對(duì)水流狀態(tài)的影響。

1.2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分與模型求解

計(jì)算區(qū)域的三維幾何模型構(gòu)建在AutoCAD2010中完成，計(jì)算區(qū)域毛管長(zhǎng)度為66cm，毛管直徑為16mm，滴頭位于計(jì)算區(qū)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(zhǎng)度19.4mm。將幾何模型導(dǎo)入GAMBIT2.3.16劃分計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格， 滴頭區(qū)域采用0.1mm的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，滴頭流道入口處20cm的毛管區(qū)域采用0.3mm的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其余毛管區(qū)域采用1mm的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)約4.5×105個(gè)，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)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(jì)算區(qū)域

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

圖1CFD模擬滴灌系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

Fig.1CFDSimulateddripirrigationsystemsimplifieddiagram

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)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(shè)置為速度入口形式，共設(shè)0.05、0.10、0.20、0.40m·s-1四個(gè)流速梯度。毛管出口設(shè)為壓力出口形式，壓力值為1.01×106Pa。滴頭流道出口設(shè)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(shè)定為交界面形式，并在FLUENT6.3.26中將交界面創(chuàng)建為網(wǎng)格交界面。近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對(duì)壁面進(jìn)行處理，并根據(jù)滴灌實(shí)驗(yàn)選用的滴灌帶材料特性將壁面粗糙高度設(shè)為0.01mm，粗糙系數(shù)設(shè)為0.5。壓力項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，速度壓力耦合采用SIMPLEC算法，計(jì)算收斂精度設(shè)置為10-4。

1.3 滴灌實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)室滴灌實(shí)驗(yàn)選用額定流量分別為1.4、1.75、2.2L·h-1的三種內(nèi)鑲貼片迷宮式滴灌帶。實(shí)驗(yàn)選用滴灌帶長(zhǎng)度均為66cm，含2個(gè)滴頭，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾黃河水源段泥沙經(jīng)300目篩網(wǎng)經(jīng)過濾、烘干后配制成不同濃度的滴灌水源。本實(shí)驗(yàn)使用LS230激光粒度分析儀測(cè)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(jù)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(jìn)入滴頭內(nèi)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(jìn)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(shí)驗(yàn)”；同時(shí)為研究毛管回流流速對(duì)滴灌系統(tǒng)灌水周期的影響，進(jìn)行了“不同毛管回流流速條件下間歇灌水實(shí)驗(yàn)”。

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(jì)；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(tǒng)簡(jiǎn)化裝置測(cè)試平臺(tái)

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(shí)驗(yàn)”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(jìn)行共12種工況的滴灌實(shí)驗(yàn)。首先調(diào)節(jié)毛管末端閥門和系統(tǒng)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(shí)保證系統(tǒng)首端壓力表讀數(shù)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(cè)試滴頭出水中的粒度分布，更新滴灌帶，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。依次進(jìn)行另外三種毛管流速條件下以及支狀滴灌系統(tǒng)工況的實(shí)驗(yàn)。

在“不同毛管回流流速條件下顆粒輸移實(shí)驗(yàn)”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(shí)保證系統(tǒng)首端壓力表讀數(shù)為1.0×106Pa，實(shí)驗(yàn)裝置每天8∶00—16∶00運(yùn)行一個(gè)灌水周期。在每個(gè)灌水周期內(nèi)，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(dāng)?shù)晤^流量值小于額定流量的75%時(shí)，更換滴灌帶，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。按照同樣的方法依次進(jìn)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(tǒng)灌水實(shí)驗(yàn)，記錄滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛管水流流速與顆粒遷移運(yùn)動(dòng)關(guān)系

圖4所示為不同毛管水流流速條件下計(jì)算區(qū)域泥沙顆粒遷移運(yùn)動(dòng)的軌跡。由圖4可知，當(dāng)水流流速為0.05 m·s-1時(shí)，滴頭位置處毛管內(nèi)顆粒跡線雜亂、無序，顆?？裳馗鱾€(gè)方向經(jīng)流道入口進(jìn)入滴頭；當(dāng)水流流速提高為0.10 m·s-1時(shí)，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(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)跡線更規(guī)則、有序，且進(jìn)入滴頭內(nèi)部的顆粒數(shù)量明顯減少。當(dāng)水流流速提高為0.2 m·s-1時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與毛管水流方向一致，當(dāng)流速繼續(xù)增加至0.4 m·s-1時(shí)，顆粒跡線無明顯變化。

對(duì)圖4中進(jìn)入滴頭內(nèi)部的顆粒數(shù)目統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)毛管水流流速為0.05 m·s-1時(shí)，進(jìn)入滴頭內(nèi)顆粒數(shù)量約占毛管內(nèi)顆粒數(shù)量的12%，當(dāng)水流流速增加為0.1 m·s-1時(shí)，進(jìn)入滴頭內(nèi)泥沙顆粒數(shù)量約占毛管內(nèi)顆粒數(shù)量的8%；當(dāng)毛管水流流速繼續(xù)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(duì)毛管內(nèi)不同水流流速條件下進(jìn)入滴頭泥沙顆粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨毛管水流流速的增加進(jìn)入滴頭內(nèi)部的顆粒數(shù)量逐漸減少。有研究表明[17]泥沙顆粒在滴頭內(nèi)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(shí)現(xiàn)了毛管的輸沙排沙，減少了泥沙顆粒進(jìn)入滴頭內(nèi)數(shù)量，降低了泥沙顆粒在滴頭內(nèi)凝聚造成的堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 毛管水流流速與水流狀態(tài)關(guān)系

圖5為計(jì)算區(qū)域內(nèi)水流紊動(dòng)強(qiáng)度的分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)毛管水流流速為0.05 m·s-1時(shí)，毛管內(nèi)水流紊流強(qiáng)度為20%，紊流區(qū)域擴(kuò)展到毛管整個(gè)橫截面區(qū)域；當(dāng)毛管水流流速增加為0.10 m·s-1時(shí)，此紊流區(qū)的紊流強(qiáng)度減小為16%，紊流的范圍同樣擴(kuò)展至毛管全部橫截面區(qū)域，但略有減?。划?dāng)毛管水流流速進(jìn)一步增加為0.20 m·s-1時(shí)，毛管內(nèi)已無明顯的紊流區(qū)，紊流區(qū)主要集中在滴頭入口處，且該紊流區(qū)的最大紊流強(qiáng)度減小為5%；當(dāng)水流流速繼續(xù)增加為0.40 m·s-1時(shí)，毛管內(nèi)紊流區(qū)的范圍和紊流強(qiáng)度的大小均無明顯的變化。通過上述的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛管水流流速小于0.2 m·s-1時(shí)，毛管內(nèi)的紊流強(qiáng)度和紊流區(qū)域的范圍均隨著流速的增加而減小，而當(dāng)流速繼續(xù)增加達(dá)到0.4 m·s-1時(shí)，流速的改變對(duì)紊流范圍和紊流強(qiáng)度的影響不大。

圖4 不同毛管主流流速條件下計(jì)算區(qū)域顆粒運(yùn)動(dòng)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(jì)算區(qū)域紊流強(qiáng)度

Fig.5 Turbulence intensity under different current velocity

將上述毛管內(nèi)水流流態(tài)的變化與進(jìn)入滴頭內(nèi)顆粒數(shù)量比較發(fā)現(xiàn)二者之間存在著明顯的一致性，即當(dāng)紊流強(qiáng)度和紊流區(qū)域較大時(shí)，進(jìn)入滴頭內(nèi)部的顆粒數(shù)量較多，反之則進(jìn)入滴頭內(nèi)的顆粒數(shù)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(yùn)動(dòng)主要由流體內(nèi)大小漩渦團(tuán)帶動(dòng)，即顆粒將跟隨紊流渦團(tuán)而脫離毛管的主流方向進(jìn)入滴頭內(nèi)部。上述論述可以說明，當(dāng)毛管水流的紊流強(qiáng)度和紊流區(qū)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(kuò)散強(qiáng)度也隨之降低，從而使得進(jìn)入滴頭內(nèi)部的顆粒數(shù)量減少。

2.3 毛管流速與滴頭出水顆粒粒徑分布

通過對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中支狀滴灌系統(tǒng)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(tǒng)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(jìn)行粒度分析發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)滴頭出水中各粒徑范圍內(nèi)顆粒數(shù)量為基準(zhǔn)值100%，統(tǒng)計(jì)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(shù)量相對(duì)于支狀滴灌系統(tǒng)滴頭出水的顆粒百分比，得到滴頭出水中顆粒相對(duì)數(shù)量分布圖。

滴灌水源含沙量為1 kg·m-3的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)回流流速為0.05 m·s-1時(shí)，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(xù)減少，當(dāng)回流流速為0.4 m·s-1時(shí)顆粒數(shù)量減少約40%。滴灌水源含沙量為2 kg·m-3的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)回流流速為0.05 m·s-1時(shí)，滴頭出水泥沙顆粒較支狀滴灌系統(tǒng)減少約15%，當(dāng)回流流速繼續(xù)增加時(shí)滴頭出水顆粒數(shù)量減少約30%。滴灌水源含沙量為4 kg·m-3時(shí)，回流滴灌系統(tǒng)滴頭出水泥沙顆粒均比支狀系統(tǒng)滴頭減少約30%。上述結(jié)果均表明，回流滴灌系統(tǒng)滴灌水源含沙量為1～4 kg·m-3時(shí)，提高系統(tǒng)回流流速可以顯著的減少進(jìn)入滴頭內(nèi)部的泥沙顆粒。由圖6還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)回流流速增加為0.1 m·s-1時(shí)，流速繼續(xù)增加對(duì)進(jìn)入滴頭的泥沙顆粒數(shù)量影響較小，這與模擬計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)跡線和水流紊流狀態(tài)相吻合。

圖6 滴頭出水中顆粒相對(duì)數(shù)量分布箱形圖

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

上述規(guī)律說明：當(dāng)回流滴灌系統(tǒng)回流流速為0.05～0.4 m·s-1時(shí)，0～15μm粒徑范圍的泥沙顆粒進(jìn)入滴頭內(nèi)部的數(shù)量較傳統(tǒng)的支狀滴灌系統(tǒng)明顯減少，從而降低傳統(tǒng)支狀滴灌系統(tǒng)中由于泥沙過多進(jìn)入滴頭內(nèi)部積累、凝聚進(jìn)而堵塞滴頭現(xiàn)象的發(fā)生。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了回流滴管系統(tǒng)通過設(shè)置回流管提高滴灌系統(tǒng)毛管水流流速，增強(qiáng)毛管的輸沙排沙能力，使泥沙顆粒隨毛管運(yùn)動(dòng)排出滴灌系統(tǒng)，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(guān)系

圖7為周期灌水實(shí)驗(yàn)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(fā)生嚴(yán)重堵塞(滴頭流量降低為額定流量75%以下)時(shí)系統(tǒng)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(gè)灌水周期結(jié)束之后滴頭發(fā)生堵塞，而回流流速為0.05 m·s-1時(shí)，灌水周期延長(zhǎng)為22次。當(dāng)回流流速繼續(xù)增加為0.1、0.2、0.4 m·s-1時(shí)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(xiàn)出隨回流流速的增加灌水次數(shù)逐漸增加的趨勢(shì)，支狀條件下灌水次數(shù)為12次，而四種不同回流流速條件下灌水次數(shù)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(shù)分別為17、24、27、26、27。通過對(duì)灌水周期的分析還可以發(fā)現(xiàn)在相同的回流流速條件下，大流量的滴頭發(fā)生堵塞時(shí)的灌水周期更長(zhǎng)。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛管末端流速為0.1 m·s-1時(shí)，三種滴頭灌水周期相比支狀系統(tǒng)分別提高50%、38%、41%，流速的增加對(duì)灌水周期的提高作用明顯，而當(dāng)流速大于0.1 m·s-1時(shí)，毛管末端流速的增加對(duì)灌水周期的延長(zhǎng)無明顯影響，反而會(huì)使得滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行能耗提高，因此設(shè)定回流滴灌系統(tǒng)回流管流速為0.1 m·s-1，可以平衡回流滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和灌水周期。

圖7 不同回流流速時(shí)滴頭堵塞時(shí)灌水周期

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

發(fā)生上述現(xiàn)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(shù)量減少，從而降低了毛管底部泥沙受水流沖擊重新進(jìn)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(duì)顆粒的影響，從而使顆粒隨水流運(yùn)動(dòng)而不易經(jīng)滴頭流道入口進(jìn)入滴頭內(nèi)部。上述結(jié)果進(jìn)一步的驗(yàn)證了通過在支狀滴灌系統(tǒng)毛管末端設(shè)置回流管的回流滴灌系統(tǒng)，可以顯著提高滴灌系統(tǒng)的灌水周期。

3 結(jié) 論

為探究回流滴灌系統(tǒng)中毛管輸沙排沙特性和系統(tǒng)抗堵塞性能，本文通過對(duì)滴灌毛管和滴頭的CFD模擬計(jì)算和室內(nèi)滴灌實(shí)驗(yàn)綜合分析結(jié)果得到如下結(jié)論：

1) CFD模擬計(jì)算表明，當(dāng)毛管水流流速為0.05～0.2 m·s-1時(shí)隨水流流速的增加，進(jìn)入滴頭的泥沙顆粒數(shù)量逐漸減少，當(dāng)流速為0.2～0.4 m·s-1時(shí)，流速的改變對(duì)進(jìn)入滴頭內(nèi)顆粒的數(shù)量影響較小。當(dāng)毛管流速為0.05～0.4 m·s-1時(shí)，毛管內(nèi)水流紊流強(qiáng)度和紊流區(qū)域范圍均隨水流流速增加而減小，紊流強(qiáng)度越大沿毛管非主流方向遷移進(jìn)入滴頭內(nèi)部的顆粒數(shù)量越多。

2) 室內(nèi)滴灌實(shí)驗(yàn)表明，回流滴灌系統(tǒng)回流流速為0.1～0.4 m·s-1時(shí)，可以將滴頭出水中的泥沙顆粒數(shù)量減少約30%，驗(yàn)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(jìn)入滴頭的數(shù)量，降低了由于進(jìn)入滴頭內(nèi)部的泥沙數(shù)量較多而導(dǎo)致的物理堵塞。

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

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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(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)重大水利科技專項(xiàng)(2014-117)

盧金鎖(1977—)，男，甘肅白銀人，教授，博士，主要研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化。 E-mail：lujinsuo@163.com。

S275.6

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