环形沉沙过滤系统水流状态模拟分析

魏妍彬，王 冲，李文多，贾俊喜

（大禹节水集团股份有限公司，735000，酒泉）

沉沙过滤池是一种将水中的泥沙沉淀并排出池外的装置，随着滴灌系统的普及，近年沉沙过滤池在农田水利工程中得到广泛应用。 采用沉沙池过滤的主要原理是水流经引渠进入环形沉沙池后， 通过逐级滤网过滤，使得流速显著减缓，水流挟沙力大大降低，改变原有水流泥沙的运动状态，从而达到沉沙的目的。 西部牧区大部分地区输配水系统纵坡大，渠道挟沙能力强，又处于风沙区，风沙将大量性质各异、成分不同的漂浮物带入水中，增加了水质处理难度。 根据此沉沙理论，通过CFD 软件模拟和分析环形沉沙过滤系统内的流场分布情况，其流场分布越均匀，就越有利于泥沙的沉降，沉沙池的沉淀效果就越好。

一、模型建立

1.系统结构

利用CAD 软件对其进行构建，确定沉沙池为带有不同过滤等级滤网的圆环形结构，如图1 所示。 其中流道宽度为2 m， 流道外径为10 m，中径为8 m，小径为6 m，中径作为此沉沙池的有效长度，计算可得沉沙池有效工作长度为25 m。 过滤斜网分为五段，每段都由不同目数、不同深度的滤网组成， 形成逐级过滤的系统，并在池底设有排污口，池壁设有溢流网。

对于沉沙过滤系统的数值模拟，利用Gambit 软件进行建模，对不同边界（进出口、池壁等）设置相应的边界条件类型。 由于过滤网的存在，若采用真实滤网模型进行模拟计算，其流动状态及边界条件的设置将极为复杂，相对的计算量也随之增大。 为了简化研究难度， 降低模拟计算量，对模型滤网部分进行局部简化处理，将各级过滤网简化为具有等效水阻效应、过流通路逐渐变化的挡板，如图2所示。

图1 三维结构设计图

2.计算域、流体子域的划分

计算域包含整个模型的空间占有域，而流体子域为计算域中充满流体的区域， 也是CFD 模拟的计算区域，模型计算域及流体子域的划分如图3 所示。

3.边界条件与网格划分

（1）进出口边界条件设置

在沉沙过滤池模型计算中，假定池体为满流状态， 尤其是进水渠道，由于设置沉沙池的容积是一定的，并没有考虑进水流速的变化对池体液位高度的影响，因此在整个数值模拟过程中，池体的计算域体积不变。 本文在研究进水流速对沉沙池运行效果的过程中，并未与水力停留时间相联系。

入口边界条件：以速度入口作为其边界条件类型，速度方向垂直于入口边界。

出口边界条件：以压力出口作为其边界条件类型，在求解中，当指定较真实的回流方向时，可以将收敛困难程度降到最低。

（2）网格划分

网格质量对CFD 计算精度、收敛性和计算效率有重要影响。 实验针对沉沙池三维流场进行数值模拟，由于沉沙池结构较复杂， 存在过滤网、溢流网、进水渠、出水渠与池体相接等，合理划分网格（即网格质量）将影响计算精度及收敛性。 因此，网格划分必须综合考虑计算精度和计算强度。

二、水力特性模拟

1.流速分布

将沉沙过滤池自下而上等距分为6 部分，分析不同横断面的流速分布，如图4（a）～（f）所示。 图4（a）为池底附近的横断面流速分布，4（f）为池顶附近的横断面流速分布，（b）、（c）、（d）、（e）分别为距池底逐渐上升的横断面流速分布。 由图可知，水流由进口流入环形水池， 流速逐渐降低，由于过滤网的加入，水流流速自下而上也逐渐降低。

图2 三维简化模型图

图4 断面流速分布

2.湍流强度分布

湍流强度是表征湍流发展强度的量，是度量相对于流速值而波动的湍流量的大小。 模拟同样选取池底附近至池顶附近各等距横断面进行湍流强度分布。 模拟结果（图略）显示，较大的湍流强度出现在水池进口池底偏上及直端与环形流道衔接处。 随着水流流经环形流道，湍流强度降低并趋于平稳，非常有利于颗粒泥沙的沉降。

3.固体颗粒分布

由模拟的固体颗粒分布可知，固体颗粒随水流进入沉沙池，固体颗粒运动速度逐渐减小，并在重力作用下逐步向池底运动。 粒径较大的颗粒首先在水池前端沉降，而粒径较小的颗粒则会在整个池底沉降。 由于过滤网的存在，在池顶溢流区很少有颗粒杂质分布。 在水流由引水渠进入水池后，由于过流断面逐渐扩大，流速降低，大颗粒杂质会大量淤积在水池进水段。

粒径分别为0.105 mm、0.125 mm、0.149 mm、0.177 mm、0.250 mm、0.420 mm的固体颗粒沉降图如图5（a）～（f）所示。由图可知， 颗粒杂质沉降范围随着颗粒粒径的增大而逐渐减小， 当粒径小于0.105 mm 时，其沉降范围将会增大到整个池底，随着粒径进一步减小，沉降效果越来越差，微小粒子会进入水池表层水域。当粒径大于0.420 mm时，沉降速度极快，基本上在水池进口处就完成沉降。目前滴灌推荐过滤精度为120 目（杂质粒径≤0.125 mm），而当粒径≤0.125 mm 时， 颗粒会在整个水池流道的3/4 处基本完成沉降，再加上120 目溢流网设置，完全能够保证水池过滤水满足滴灌使用要求。

三、结 论

通过对环形沉沙过滤池系统进行建模，对水流特性进行模拟分析，得出沉沙过滤系统沉淀过滤效果明显，粒径较大的颗粒首先在水池前段沉降， 而粒径较小的颗粒则会在整个池底沉降。 粒径范围在0.075～0.125 mm时， 沉淀过滤效率为93.7%； 粒径在0.125mm 以上，沙粒去除率达到99.3%，已达到微灌的水质要求。

图5 不同粒径固体颗粒分布