專利名稱：一種含沙水源滴灌用沉沙池及其優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域的沉沙池及其優(yōu)化方法，特別是關(guān)于一種高含沙水源滴灌用沉沙池及其優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
沉沙池是引黃滴灌過程中，沉淀-過濾設(shè)施中初級(jí)過濾的重要一環(huán)，具體為利用重力沉降作用，使水中的懸浮固體顆粒自然沉降至池底，降低水中雜質(zhì)含量的除沙裝置。沉 沙池可將高含沙水源中大顆粒初步濾凈，其過濾效率直接影響到整個(gè)沉淀-過濾系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，現(xiàn)有沉沙池沉沙效率低，沉淀泥沙不能及時(shí)排出池外回用，這些均成為制約沉沙池推廣應(yīng)用的瓶頸問題；且黃河水水質(zhì)尤為復(fù)雜，泥沙問題十分突出。黃河三門峽以上多年平均來沙量達(dá)16億噸，多年平均含沙量37. 6kg，居世界名河之首。這些都表明，更加有效提高泥沙沉降率成為引黃滴灌的重中之重。國(guó)內(nèi)外也有部分提出沉沙池形式，如新疆石河子大學(xué)劉煥芳等(專利號(hào)ZL200520135844. 3)公開了一種微灌用沖洗式沉沙池，其通過槽狀通道首部的橫向調(diào)流板、其上分布的緩流孔和尾部的橫向擋流板，提高對(duì)地表水中的泥沙進(jìn)行處理效率，但其并未提出各部位的合理設(shè)計(jì)參數(shù)，有礙于其更大范圍的推廣應(yīng)用。何曉寧等(專利號(hào)ZL200920277217. I)公開了一種條形沉沙過濾池，其通過在懸空過濾室底面上設(shè)置濾網(wǎng)提高濾水效率，并且使系統(tǒng)故障率降低，但并未提出合理的泥沙清除措施及防止濾網(wǎng)堵塞的適用措施?，F(xiàn)有的沉沙池設(shè)計(jì)存在的問題是泥沙沉降效率及回用率較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺少合理的理論基礎(chǔ)，關(guān)鍵是缺乏有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及設(shè)計(jì)參數(shù)選擇方法。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算及圖像顯示方法，在時(shí)間和空間上定量的描述流場(chǎng)數(shù)值解，以其本身的適用性、靈活性及在降低設(shè)計(jì)成本、縮短開發(fā)周期方面的優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。但未見應(yīng)用此方法對(duì)引黃滴灌過程中沉沙池進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選擇最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種泥沙沉降率高，能夠及時(shí)排沙，適用范圍廣，且占地少、造價(jià)低、建設(shè)方便的含沙水源滴灌用沉沙池及其優(yōu)化方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于它包括沿水流方向依次設(shè)置的穩(wěn)流消能段、過濾段、靜水沉沙段和集水段；所述穩(wěn)流消能段為一長(zhǎng)條形渠道，其兩側(cè)相對(duì)設(shè)置有若干調(diào)流齒，兩側(cè)的各所述調(diào)流齒間隔交替設(shè)置，且沿水流方向具有一定的傾斜角度；所述過濾段為弧形過濾渠道，連接所述穩(wěn)流消能段和寬于所述穩(wěn)流消能段的靜水沉沙段；所述靜水沉沙段為長(zhǎng)條形渠道，所述靜水沉沙段的底面設(shè)置成逆坡的形式，沿水流方向逐漸變高，所述逆坡上沿水流方向并排設(shè)置有若干斜板，各所述斜板拼接成一層覆蓋在所述逆坡的上表面，所述斜板的表面沿水流方向設(shè)置呈拱形結(jié)構(gòu)，相鄰兩所述斜板之間形成倒三角形的沉沙池；在所述靜水沉沙段的底面泥沙沉積處設(shè)置有若干渦管，各所述渦管沿截?cái)嗨鞯姆较驒M向設(shè)置，從所述靜水沉沙段內(nèi)的一側(cè)傾斜通向另一側(cè)，所述渦管底部的高度低于所述斜板和逆坡的表面，所述渦管的頂部沿渦管軸向開設(shè)有一條形口，所述渦管的兩端均設(shè)置有一副池；所述集水段為長(zhǎng)條形渠道，該段的寬度與所述靜水沉沙段的寬度相同，所述集水段內(nèi)與所述靜水沉沙段的連接處設(shè)置有一直角三角堰，所述直角三角堰上水平間隔設(shè)置有若干條形的取水槽，各所述取水槽位于所述靜水沉沙段的上方，各所述取水槽的側(cè)壁上均設(shè)置有若干進(jìn)水孔，各所述取水槽的頂部設(shè)置有取水口。采用卵石在所述穩(wěn)流消能段的入口處增設(shè)滲濾壩。所述穩(wěn)流消能段的末端與所述過濾段的連接處設(shè)置有攔污柵。所述靜水沉沙段的底面泥沙沉積處，水流沙相體積分?jǐn)?shù)超過 平均含沙量的30%處設(shè)置有若干所述渦管。各所述取水槽的頂部設(shè)置的所述取水口為梯形，下窄上寬。上述一種含沙水源滴灌用沉沙池的優(yōu)化方法，其包括以下步驟1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和操作人員的經(jīng)驗(yàn)，選取穩(wěn)流消能段的長(zhǎng)度、寬度、內(nèi)部調(diào)流齒的長(zhǎng)度Lia、調(diào)流齒的數(shù)目η
范圍、同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒之間的間距Sia范圍、調(diào)流齒與水流前進(jìn)方向的夾角Θ 范圍；選取靜水沉沙段的長(zhǎng)度，寬度；逆坡的坡度θ 范圍；斜板的拱形高度11#4范圍，斜板的拱形坡度范圍；潤(rùn)管的直徑Dffi范圍，Dffi= (1/5 l/3)h#，式中山#為靜水沉沙段的所需水深，選取h靜的范圍；渦管頂部的條形口的開口寬度b禍范圍，b禍=D禍sin(i3禍/2)，β禍為渦管與水流前進(jìn)方向之間的夾角，選取β 的范圍；2)根據(jù)步驟I)選取的經(jīng)驗(yàn)值，建立微灌沉沙池分步計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，具體分別為建立消能穩(wěn)流段、靜水沉沙段和所提出的沉沙池整體的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置計(jì)算域的邊界條件；3)采用兩相流模型對(duì)步驟2)中所建立的各三維模型進(jìn)行分步求解，逐級(jí)計(jì)算選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體如下第一步對(duì)穩(wěn)流消能段的模型進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算求解以調(diào)流齒的根部無泥沙淤積且靜水沉沙段的出口流量滿足灌區(qū)所需灌溉用水量，為調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)調(diào)流齒的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行逐級(jí)模擬選擇；內(nèi)部調(diào)流齒的長(zhǎng)度Lia設(shè)置為穩(wěn)流消能段寬度的1/2，其他參數(shù)設(shè)定①在調(diào)流齒數(shù)目nia范圍內(nèi)，選取若干值分別進(jìn)行模擬；基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定nia的最優(yōu)取值區(qū)間在同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒之間的間距Sia范圍內(nèi)，選取若干值分別進(jìn)行模擬；基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒的最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Sia的最優(yōu)取值區(qū)間；③在調(diào)流齒與水流前進(jìn)方向的夾角Θ 范圍內(nèi)，選取若干值分別進(jìn)行模擬；基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間；通過對(duì)以上各項(xiàng)參數(shù)的逐級(jí)選擇，確定調(diào)流齒的最優(yōu)數(shù)目Θ 、間距Sia及其與水流前進(jìn)方向夾角Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間；第二步對(duì)靜水沉沙段進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬首先，設(shè)定靜水沉沙段的長(zhǎng)度L11為步驟I)中所提出的長(zhǎng)度的2倍；當(dāng)靜水沉沙段內(nèi)某斷面的沙相含量小于200mg/L時(shí)，認(rèn)為此時(shí)泥沙沉積較完全，此斷面即為靜水沉沙段的終斷面，得到靜水沉沙段的最優(yōu)長(zhǎng)度；設(shè)置靜水沉沙段的設(shè)計(jì)深度H11范圍，H11高于靜水沉沙段的所需深度h#范圍
O.2m O. 5m,根據(jù)H11得到寬深比α !!范圍,在寬深比α !!范圍內(nèi)選取若干值分別進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率確定α #的最優(yōu)取值區(qū)間；然后，靜水沉沙段布設(shè)為最優(yōu)長(zhǎng)度，選取最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)的寬深比，取水槽均勻布設(shè)在段尾，采用梯形取水口進(jìn)行模擬；增設(shè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體為①底面泥沙沉降處水流沙相體積分?jǐn)?shù)大于初始值的30%處增設(shè)渦管，并在渦管的兩端出口處設(shè)置副池；渦管的直徑Dffi= (1/5 1/3)1!# ;渦管頂部條形口的開口寬度bffi=Dffisin(i3 Jt);在渦管的直徑Dffi范圍內(nèi)選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定渦管直徑1^8的最優(yōu)取值區(qū)間；在β 的取值范圍內(nèi)選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定β ^的最優(yōu)取值區(qū)間；②在斜板的拱形高度h#4范圍內(nèi)，選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)斜板間泥沙沉降率確定斜板高度^4的最優(yōu)取值區(qū)間；設(shè)定斜板的拱形坡度范圍1:1 1:2 ;在逆坡的坡度Θ $范圍內(nèi)，選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)底面泥沙沉降率確定逆坡坡度Θ $的最優(yōu)取值區(qū)間；第三步對(duì)穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段整體進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬分別在穩(wěn)流消能段調(diào)流齒的最優(yōu)數(shù)目nia、間距Sia、其與水流前進(jìn)方向夾角Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間和靜水沉沙段的寬深比α,渦管的直徑Dffi、渦管頂部條形口的開口寬度、斜板的拱形高度h#4、斜板的拱形坡度及逆坡坡度Θ $的最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)各選出若干值，組成若干組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率和工程所需精度，最終確定穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段各結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明在穩(wěn)流消能段內(nèi)增設(shè)調(diào)流齒，當(dāng)水流流經(jīng)調(diào)流齒時(shí)，主流區(qū)流速較高部分直接沖頂在調(diào)流齒的迎水面，并沿調(diào)流齒進(jìn)行多次換向流動(dòng)，因此，可以使水流動(dòng)能急劇減小，達(dá)到調(diào)節(jié)水流流態(tài)，提高流體均勻 度的目的。2、本發(fā)明在古河床地區(qū)采用卵石在穩(wěn)流消能段的入口處增設(shè)滲濾壩，因此，可有效降低水流湍動(dòng)能，提高流體均勻度。3、本發(fā)明在靜水沉沙段底面泥沙沉積部位，沙相體積分?jǐn)?shù)超過平均含沙量的30%處增設(shè)渦管，并在渦管出口處設(shè)置副池；當(dāng)沉降的泥沙運(yùn)動(dòng)至渦管處，大部分泥沙隨渠底水流進(jìn)入渦管，入管泥沙在管內(nèi)螺旋流的作用下被卷揚(yáng)，當(dāng)螺旋流達(dá)到一定強(qiáng)度，呈懸移狀態(tài)的泥沙隨螺旋流帶至副池，待副池泥沙自然沉降后，將泥沙取做他用，及時(shí)排沙，有效提高泥沙回用率。4、本發(fā)明將靜水沉沙段底坡設(shè)置為逆坡，在占地面積不變的條件下，增加了泥沙沉降距離；在靜水沉沙段底面除設(shè)置渦管外，還設(shè)置斜板，相鄰兩斜板間分別構(gòu)建為一個(gè)小型沉沙池，此結(jié)構(gòu)可較好地改善顆粒沉降過程中的水力條件，增加泥沙沉降面積并加速泥沙沉降。5、本發(fā)明的取水槽均勻布設(shè)在靜水沉沙段段尾，采用梯形取水口，符合表層清水入槽流態(tài)，增加了清水取用面積。6、本發(fā)明在模擬過程中，充分考慮現(xiàn)有高含沙水源沙相表面因生物膜的生成而產(chǎn)生的黏性對(duì)水沙兩相流動(dòng)的影響，采用兩相流模型對(duì)沉沙池內(nèi)水沙兩相流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算模擬，并在顆粒參數(shù)設(shè)置時(shí)，對(duì)其動(dòng)力黏度進(jìn)行合理選擇；該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，在盡可能符合流體真實(shí)流態(tài)的前提下，使優(yōu)化設(shè)計(jì)更加精確與合理，適應(yīng)于大范圍的推廣與應(yīng)用。7、本發(fā)明的優(yōu)化方法首先對(duì)沉沙池進(jìn)行分段數(shù)值模擬，其次對(duì)其整體進(jìn)行計(jì)算模擬，分布計(jì)算，逐級(jí)尋優(yōu)，最終確定各部件的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；引用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)引黃滴灌過程中沉沙設(shè)施內(nèi)水沙兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到流體內(nèi)部速度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的求解結(jié)果，符合今后農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。本發(fā)明沉沙池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有合理的理論基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)滴灌水體利用自重進(jìn)行大顆粒自然沉降的目的，可有效提高沉沙池泥沙沉降率及回用率，降低水流湍動(dòng)能，提高水流均勻度，具有有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及設(shè)計(jì)參數(shù)選擇方法，可在采用高含沙水源進(jìn)行滴灌的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉領(lǐng)域推廣應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明沉沙池結(jié)構(gòu)俯視示意2是本發(fā)明沉沙池結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖
圖3是現(xiàn)有技術(shù)中沉沙池穩(wěn)流消能段的橫截面速度矢量4是本發(fā)明沉沙池穩(wěn)流消能段設(shè)置調(diào)流齒后的橫截面速度矢量5是現(xiàn)有技術(shù)中沉沙池靜水沉沙段底面沙相體積分?jǐn)?shù)6是本發(fā)明沉沙池靜水沉沙段底面沙相體積分?jǐn)?shù)圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖I、圖2所示，本發(fā)明的沉沙池包括沿水流方向依次設(shè)置的穩(wěn)流消能段I、過濾段2、靜水沉沙段3和集水段4?！?br> 本發(fā)明的穩(wěn)流消能段I為一長(zhǎng)條形渠道，穩(wěn)流消能段I的兩側(cè)相對(duì)設(shè)置有若干調(diào)流齒11，各調(diào)流齒11豎向設(shè)置，兩側(cè)的各調(diào)流齒11間隔交替設(shè)置，且沿水流方向具有一定的傾斜角度。穩(wěn)流消能段I設(shè)置的各調(diào)流齒11可有效降低水流湍動(dòng)能，調(diào)節(jié)水流流態(tài)，提高流體均勻度。穩(wěn)流消能段I的末端與過濾段2的連接處設(shè)置有攔污柵12。本發(fā)明的過濾段2為弧形過濾渠道，連接穩(wěn)流消能段I和寬于穩(wěn)流消能段I的靜水沉沙段3。本發(fā)明的靜水沉沙段3為長(zhǎng)條形渠道，且該段的寬度寬于穩(wěn)流消能段I的寬度。靜水沉沙段3的底面設(shè)置成逆坡31的形式，沿水流方向逐漸變高，在占地面積不變的條件下，增加了泥沙沉降距離。在逆坡31上沿水流方向并排設(shè)置有若干斜板32，各斜板32拼接成一層覆蓋在逆坡31的上表面，斜板32的表面沿水流方向設(shè)置呈拱形結(jié)構(gòu)，即斜板32的橫截面為拱形，相鄰兩斜板32之間形成倒三角形的小型沉沙池，可以增加泥沙沉降面積并加速泥沙沉降。在靜水沉沙段3的底面泥沙沉積處，水流沙相體積分?jǐn)?shù)超過平均含沙量的30%處設(shè)置有若干渦管33，各渦管33沿截?cái)嗨鞯姆较驒M向設(shè)置，從靜水沉沙段3內(nèi)的一側(cè)傾斜通向另一側(cè)，渦管33底部的高度低于斜板32和逆坡31的表面，渦管33的頂部沿渦管軸向開設(shè)有條形口，渦管33的兩端均設(shè)置有一副池34，絕大部分泥沙隨渠底水流通過渦管33頂部的條形口進(jìn)入渦管33內(nèi)，并利用水流螺旋排沙技術(shù)將大量沉積的泥沙及時(shí)通過渦管33排入副池34，達(dá)到排出靜水沉沙段3的目的，以避免淤積泥沙。本發(fā)明的集水段4為長(zhǎng)條形渠道，該段的寬度與靜水沉沙段3的寬度相同，集水段4內(nèi)與靜水沉沙段3的連接處設(shè)置有一直角三角堰41，直角三角堰41向上方凸起，且在直角三角堰41上水平間隔設(shè)置有若干條形取水槽42，各取水槽42位于靜水沉沙段3的上方，各取水槽42的側(cè)壁上均設(shè)置有若干進(jìn)水孔43，各取水槽42的頂部設(shè)置為梯形取水口，下窄上寬。通過靜水沉沙段3的水流通過直角三角堰41進(jìn)入集水段4。上述實(shí)例中，在古河床地區(qū)，可采用卵石在穩(wěn)流消能段I的入口處增設(shè)滲濾壩5，以便有效降低水流湍動(dòng)能，提高流體均勻度。本發(fā)明沉沙池的水流流向?yàn)镮)水流首先進(jìn)入穩(wěn)流消能段1，在流經(jīng)穩(wěn)流消能段I內(nèi)的調(diào)流齒11時(shí)，主流區(qū)流速較高部分的水流直接沖頂在調(diào)流齒11的迎水面上，并沿各調(diào)流齒11進(jìn)行多次換向流動(dòng)，水流動(dòng)能急劇減小，達(dá)到調(diào)節(jié)水流流態(tài)，提高流體均勻度的目的。2)水流通過過渡段2進(jìn)入靜水沉沙段3，靜水沉沙段3內(nèi)設(shè)置逆坡31，可加速泥沙沉降，并在占地面積不變的條件下，增加了泥沙的沉降距離；靜水沉沙段3內(nèi)的逆坡上31設(shè)置有斜板32，相鄰兩斜板32間分別構(gòu)建為一個(gè)小型沉沙池，此結(jié)構(gòu)能夠較好地改善顆粒沉降過程中的水利條件，增加泥沙沉降面積并加速泥沙沉降；當(dāng)沉降的泥沙運(yùn)動(dòng)至渦管33處，絕大部分泥沙隨渠底水流進(jìn)入渦管33，入管泥沙在管內(nèi)螺旋流的作用下被卷揚(yáng)，當(dāng)螺旋流達(dá)到一定強(qiáng)度，呈懸移狀態(tài)的泥沙隨螺旋流帶至副池34，待副池34內(nèi)的泥沙自然沉降后，將泥沙取做他用。3)水流通過靜水沉沙段3后進(jìn)入直角三角堰41，直角三角堰41上設(shè)置取水槽42，相對(duì)干凈的水流通過取水槽42上的進(jìn)水孔43進(jìn)入取水槽42，通過取水槽42頂部的梯形取水口進(jìn)行取水用于滴灌，同時(shí)高出直角三角堰41的水流入集水段4。4)集水段4內(nèi)儲(chǔ)存已進(jìn)行初步沉沙過濾、從表層收集的清水，該段內(nèi)的水可以待取用或進(jìn)行再次過濾。本發(fā)明沉沙池的優(yōu)化方法，包括以下步驟
I)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和操作人員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置沉沙池模型，該模型的穩(wěn)流消能段I的長(zhǎng)度為4m，寬度為lm，內(nèi)部調(diào)流齒11的長(zhǎng)度Lia設(shè)置為穩(wěn)流消能段I寬度的1/2，調(diào)流齒11的數(shù)目nia—般在16個(gè)以內(nèi)，兩側(cè)交替間隔均勻分布，同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒11之間的間距s調(diào)取值范圍為L(zhǎng)ia 2Lia，調(diào)流齒11與水流前進(jìn)方向的夾角0ia的取值范圍為65° 75°。靜水沉沙段3的長(zhǎng)度為6m，寬度為3m。逆坡31的坡度Θ逆范圍為3° 5。。斜板32的拱形高度h#4范圍為O. Im O. 3m，斜板32的拱形坡度r Λ范圍為I: I 1: 2。在水流沙相體積分?jǐn)?shù)超過平均含沙量(初始值，初始值一般選用平均含沙量)的30%處設(shè)置有若干渦管33，渦管33的直徑Dffi由經(jīng)驗(yàn)公式Dffi= (1/5 1/3) h#確定，式中h#為靜水沉沙段3的所需水深。根據(jù)、=0^111(0禍/2)確定渦管33頂部的條形口的開口寬度，其中β ffi=60° 90°，為渦管33與水流前進(jìn)方向之間的夾角。上述數(shù)值的選取是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和操作人員的經(jīng)驗(yàn)，因此，現(xiàn)場(chǎng)情況不同，選取的經(jīng)驗(yàn)值也可以不同。2)根據(jù)步驟I)確定的經(jīng)驗(yàn)值，建立微灌沉沙池分步計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，具體分別為建立消能穩(wěn)流段I、靜水沉沙段2和所提出的沉沙池整體的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置計(jì)算域的邊界條件，具體如下采用針對(duì)用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)UG NX6. O軟件創(chuàng)建沉沙池分段三維模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)前處理軟件GAMBIT對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用Hex/Wedge形式，對(duì)物理邊界變化較大區(qū)域，如取水槽等部分進(jìn)行網(wǎng)格加密。入口采用速度入口，出口設(shè)置為壓力出口。3)應(yīng)用CFD商用軟件FLUENT，采用兩相流模型對(duì)步驟2)中所建立的各三維模型進(jìn)行分步求解，逐級(jí)計(jì)算選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體如下。沉沙池內(nèi)部流體流動(dòng)可視為典型的粘性不可壓縮流動(dòng)，滿足連續(xù)方程和動(dòng)量方程，采用兩相流模型對(duì)沉沙池內(nèi)水沙兩相流動(dòng)進(jìn)行求解。求解過程中充分考慮沙相的粒徑及表面黏度對(duì)兩相流動(dòng)的影響。沉沙池水面表層設(shè)置為無剪切力的自由表面，其余壁面設(shè)置為無滑移壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來求解近壁面區(qū)域的流動(dòng)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用非定長(zhǎng)耦合隱式計(jì)算方法，壓力項(xiàng)為二階迎風(fēng)格式，采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力速度耦合。具體為按照以下四步進(jìn)行求解第一步對(duì)穩(wěn)流消能段I的模型進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算求解。以調(diào)流齒11的根部無泥沙淤積且靜水沉沙段3的出口流量滿足灌區(qū)所需灌溉用水量，例如150m3/s 300m3/s，為調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)調(diào)流齒11的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行逐級(jí)模擬選擇。調(diào)流齒11的長(zhǎng)度Lia設(shè)定為穩(wěn)流消能段I寬度的1/2，其他參數(shù)設(shè)定①調(diào)流齒數(shù)目η調(diào)，在16個(gè)以內(nèi)(兩側(cè)均勻分布)，初次模擬可設(shè)定為6個(gè)、12個(gè)和18個(gè)分別進(jìn)行模擬。基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定nia的最優(yōu)取值區(qū)間同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒11之間的間距s調(diào)的取值范圍為L(zhǎng)ia 2Lia，初次模擬可取Sia為L(zhǎng)ia、l. 5Lia和2Lia分別進(jìn)行模擬?；谀M結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒11的最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Sia的最優(yōu)取值區(qū)間調(diào)流齒11與水流前進(jìn)方向的夾角Qia的取值范圍為65° 75°，初次模擬可取9_為65°、70°和75°分別進(jìn)行模擬?；谀M結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒11最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間。通過對(duì)以上各項(xiàng)參數(shù)的逐級(jí)選擇，確定調(diào)流齒11的最優(yōu)數(shù)目Θ 、間距(同側(cè))Sia及其與水流前進(jìn)方向夾角Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間。第二步對(duì)靜水沉沙段3進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬。首先，靜水沉沙段3的長(zhǎng)度L11設(shè)置為步驟I)中所提出的長(zhǎng)度的2倍，即12m進(jìn)行計(jì)算模擬。當(dāng)靜水沉沙段3內(nèi)某斷面的沙相 含量小于200mg/L時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)泥沙沉積較完全，此斷面即為靜水沉沙段3的終斷面，得到靜水沉沙段3的最優(yōu)長(zhǎng)度。靜水沉沙段3的設(shè)計(jì)深度H11范圍為3 8m，寬深比α #范圍為O. 5 I. 5，分別取O. 5、I. O和I. 5進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率確定α #的最優(yōu)取值區(qū)間。然后，靜水沉沙段3布設(shè)為最優(yōu)長(zhǎng)度，選取最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)的寬深比，取水槽42均勻布設(shè)在段尾，采用梯形取水口進(jìn)行模擬。分析靜水沉沙段3的底面泥沙沉降較多位置及取水槽42等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泥沙沉降效率的影響，并增設(shè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體為①底面泥沙沉降處水流沙相體積分?jǐn)?shù)大于初始值的30%處增設(shè)渦管33，并在渦管33的兩端出口處設(shè)置副池34。渦管33的直徑Dffi由經(jīng)驗(yàn)公式Dffi= (1/5 1/3)h#確定，式中h#為靜水沉沙段3的所需水深，低于靜水沉沙段3的設(shè)計(jì)深度H#0. 2m O. 5m，根據(jù)灌區(qū)所需用水量的實(shí)際情況設(shè)定。根據(jù)bffi=Dffisin(i3 m/2)確定渦管33頂部條形口的開口寬度，其中β禍=60。 90°。分別取DffiS IAhifUAhl^PlZShll進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定渦管直徑Dffi的最優(yōu)取值區(qū)間。分別取0#為60°、75。和90°進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定β ^的最優(yōu)取值區(qū)間；②斜板32的拱形高度(拱形橫斷面頂點(diǎn)到底邊的垂直距離)1^4范圍為O. Im O. 3m,分別取h斜為O. lm、0. 2m和O. 3m進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)斜板32間泥沙沉降率確定斜板高度h#4的最優(yōu)取值區(qū)間。斜板32的拱形坡度范圍為I: I 1:2。逆坡31的坡度θ$范圍為3° 5°，分別取0$為3°、4°和5°分別進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)底面泥沙沉降率確定逆坡坡度Θ $的最優(yōu)取值區(qū)間。第三步對(duì)穩(wěn)流消能段I和靜水沉沙段3整體進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬。分別在穩(wěn)流消能段I的調(diào)流齒11最優(yōu)數(shù)目nia、間距(同側(cè))Sia、其與水流前進(jìn)方向夾角θ 的最優(yōu)取值區(qū)間和靜水沉沙段3的寬深比α #、渦管33的相關(guān)參數(shù)、斜板的拱形高度h#4、斜板的拱形坡度1^4及底面逆坡坡度Θ $的最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)各選出多個(gè)值，組成多組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率和工程所需精度等，最終確定穩(wěn)流消能段I和靜水沉沙段3各結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。4)如圖3 6所示，分別對(duì)所現(xiàn)有技術(shù)中的沉沙池整體結(jié)構(gòu)和采用本發(fā)明優(yōu)化后的沉沙池整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，得到優(yōu)化前后的流速場(chǎng)、相體積分布等參數(shù)變化情況，通過對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)和采用本發(fā)明優(yōu)化后的靜水沉沙段出口處沙相體積分?jǐn)?shù)，確定本發(fā)明沉沙池內(nèi)泥沙沉降效率的提聞。下面以河套灌區(qū)某灌溉面積引黃滴灌用沉沙池為例，具體說明沉沙池結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)步驟如圖I和圖2所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置沉沙池模型，該模型的穩(wěn)流消能段長(zhǎng)度為4m，寬度為lm，內(nèi)部調(diào)流齒的長(zhǎng)度Lia設(shè)置為穩(wěn)流消能段寬度的1/2，調(diào)流齒的數(shù)目nia—般在16個(gè)以內(nèi)，兩側(cè)交替間隔均勻分布，同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒之間的間距Sia取值范圍為L(zhǎng)ia 2Lia，調(diào)流齒與水流前進(jìn)方向的夾角Qia的取值范圍為65° 75°。靜水沉沙段的長(zhǎng)度為6m，寬度為3m。逆坡的坡度Θ $范圍為3° 5°。斜板的拱形高度h#4范圍為O. Im O. 3m,斜板的拱形坡度r Λ范圍為I: I 1: 2。水流沙相體積分?jǐn)?shù)超過平均含沙量的30%處設(shè)置有若干渦管，渦管的直徑Dffi由經(jīng)驗(yàn)公式Dffi = ( 1/5 1/3)h#確定，式中h#為靜水沉沙段內(nèi)的水深。根據(jù)bffi=Dffisin(i3禍/2)確定渦管頂部的開口寬度，其中β禍=60。 90°。 然后，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的靈活性及可視化優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)沉沙池重要部位(穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段)進(jìn)行分步數(shù)值模擬，逐級(jí)選擇所提出沉沙池結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。具體操作步驟如下( I)基于提出的沉沙池模型，建立微灌沉沙池分步結(jié)構(gòu)模型,具體為分別建立穩(wěn)流消能段、靜水沉沙段和所提出沉沙池整體的模型。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置計(jì)算域的邊界條件。采用針對(duì)用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)UG ΝΧ6. O軟件創(chuàng)建沉沙池分段三維模型，采用CFD前處理軟件GAMBIT對(duì)整模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用Hex/Wedge形式，對(duì)物理邊界變化較大區(qū)域，如取水槽等部分進(jìn)行網(wǎng)格加密。入口采用速度入口，水相速度設(shè)置為
I.5m/s,沙相速度設(shè)置為I. Om/s,出口設(shè)置為壓力出口。(2)應(yīng)用CFD商用軟件FLUENT軟件，采用兩相流模型對(duì)步驟(I)中所建各模型分步進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算求解，逐級(jí)計(jì)算選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。沉沙池內(nèi)部流體流動(dòng)可視為典型的粘性不可壓縮流動(dòng)，滿足連續(xù)方程和動(dòng)量方程，采用歐拉模型對(duì)沉沙池內(nèi)水沙兩相流動(dòng)進(jìn)行求解?？紤]沙相的粒徑及表面黏度對(duì)兩相流動(dòng)的影響，顆粒粒徑設(shè)置為5X 10_5m，顆粒動(dòng)力黏度設(shè)置為I. 003X 10_3kg/m · S。沉沙池水面表層設(shè)置為無剪切力的自由表面，其余壁面設(shè)置為無滑移壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來求解近壁面區(qū)域的流動(dòng)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用非定長(zhǎng)耦合隱式計(jì)算方法，壓力項(xiàng)為二階迎風(fēng)格式，采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力速度耦合。具體為按照以下四步進(jìn)行求解第一步對(duì)穩(wěn)流消能段模型進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算求解。如圖3所示，在穩(wěn)流消能段內(nèi)未增設(shè)調(diào)流齒時(shí)，水流流經(jīng)穩(wěn)流消能段后，其流速整體介于O. 8m/s I. 5m/s間，較初始狀態(tài)未發(fā)生顯著變化，泥沙仍處于積極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不利于泥沙的沉降。如圖4所示，穩(wěn)流消能段內(nèi)部增設(shè)調(diào)流齒后，水流流經(jīng)調(diào)流齒時(shí)，主流區(qū)流速較高部分直接沖頂在調(diào)流齒迎水面，并沿調(diào)流齒多次換向流動(dòng)，水流動(dòng)能急劇減小，調(diào)節(jié)水流流態(tài)，提高流體均勻度。以調(diào)流齒的根部無泥沙淤積且靜水沉沙段的出口流量滿足灌區(qū)所需灌溉用水量，即213. 65m3/s為調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)調(diào)流齒的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行逐級(jí)模擬選擇。調(diào)流齒長(zhǎng)度Lia設(shè)定為穩(wěn)流消能段寬度的1/2，即O. 5m，其他參數(shù)設(shè)定①調(diào)流齒數(shù)目nia，在16個(gè)以內(nèi)(兩側(cè)均勻分布)，初次模擬可取Θ ia=6個(gè)、12個(gè)和18個(gè)分別進(jìn)行模擬。基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定nia的最優(yōu)取值區(qū)間為6 12個(gè)同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒之間的間距Sia的取值范圍為L(zhǎng)調(diào) 2L調(diào)，即O. 5m Im間，初次模擬取sia =O. 5m、O. 75m和Im分別進(jìn)行模擬?；谀M結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Sia的最優(yōu)取值區(qū)間為O. 5m O. 75m;③調(diào)流齒與水流前進(jìn)方向的夾角Θ 的取值范圍為65° 75°，初次模擬可取Θ ia=65°、70°和75°分別進(jìn)行模擬?；谀M結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間為70° 75°。通過對(duì)以上各項(xiàng)參數(shù)的逐級(jí)選擇，確定調(diào)流齒最優(yōu)數(shù)目Θ _最優(yōu)取值區(qū)間為6 12個(gè)、間距(同側(cè))Sia的最優(yōu)取值區(qū)間為O. 5m O. 75m和調(diào)流齒與水流前進(jìn)方向夾角Θ的最優(yōu)取值區(qū)間為70° 75°。第二步對(duì)靜水沉沙段進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬。首先，靜水沉沙段的長(zhǎng)度1^設(shè)置為最開始所提出的長(zhǎng)度的2倍，即Lll=Um進(jìn)行計(jì)算模擬。分析模擬結(jié)果可知，在距靜水沉沙段入口 O. 7L#，即8. 4m斷面處，沙相含量小于200mg/L，可認(rèn)為此時(shí)泥沙沉積較完全，即此斷面為靜水沉沙段的終斷面，得到靜水沉沙段的最優(yōu)長(zhǎng)度Lim=S. 4m。根據(jù)河套灌區(qū)某灌溉面積 的實(shí)際情況，凈水沉沙段內(nèi)的所需水深11#為3m，確定靜水沉沙段深度!1#為3. 5m,寬深比α#介于O. 5 I. 5間，分別取O. 5,1. O和I. 5進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率確定寬深比的最優(yōu)取值區(qū)間為O. 5 I. O。然后，靜水沉沙段的長(zhǎng)度設(shè)置為8. 4m，選取最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)的寬深比O. 8，取水槽均勻布設(shè)在段尾，采用梯形取水口進(jìn)行模擬。分析靜水沉沙段底面泥沙沉降較多位置及取水槽等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泥沙沉降效率的影響，并增設(shè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體為①底面泥沙沉降處水流沙相體積分?jǐn)?shù)大于平均含沙量的30%處增設(shè)渦管，并在渦管出口處設(shè)置副池。由圖5可知，在距靜水沉沙段入口 O. 25L#tt=2. Im和O. 75L#tt=6. 3m處底面水流沙相體積分?jǐn)?shù)分別為4. 03%和4. 06%，均大于平均含沙量的30%，即4%，故分別在這兩處增設(shè)渦管。當(dāng)沉降的泥沙運(yùn)動(dòng)至渦管處，絕大部分泥沙隨渠底水流進(jìn)入渦管，入管泥沙在管內(nèi)螺旋流的作用下被卷揚(yáng)，當(dāng)螺旋流達(dá)到一定強(qiáng)度，呈懸移狀態(tài)的泥沙隨螺旋流帶至副池。待副池泥沙自然沉降后，將泥沙取做他用。渦管的直徑Dffi由經(jīng)驗(yàn)公式Dffi= (1/5 1/3)h#確定，式中h#為靜水沉沙段3內(nèi)的所需水深，即3m。根據(jù)bffi=Dffisin(0 m/2)確定渦管33頂部條形口的開口寬度，其中β禍=60° 90°。分別取0禍=1111、0.75111和0.6111進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定渦管直徑的最優(yōu)取值區(qū)間為O. 75m lm。分別取β禍為60°、75。和90°進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定β 的最優(yōu)取值區(qū)間為60° 75° ;②斜板的拱形高度h斜范圍為O. Im O. 3m，分別取h斜為O. lm、0. 2m和O. 3m進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)斜板間泥沙沉降率確定斜板高度的最優(yōu)取值區(qū)間為O. 2m O. 3m。斜板的拱形坡度范圍為1:1 1:2。相鄰兩斜板間分別構(gòu)建為一個(gè)小型沉沙池，此結(jié)構(gòu)較好改善顆粒沉降過程中的水利條件，增加泥沙沉降面積并加速泥沙沉降。底坡設(shè)置為逆坡，逆坡的坡度θ$范圍為3° 5°，分別取0$為3°、4°和5°分別進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)底面泥沙沉降率確定逆坡坡度的最優(yōu)取值區(qū)間為3° 4°，此設(shè)計(jì)可加速泥沙沉降，并在占地面積不變條件下，增加了泥沙沉降距離。第三步對(duì)穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段整體進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬。分別在穩(wěn)流消能段調(diào)流齒最優(yōu)數(shù)目nia、間距(同側(cè))sia、其與水流前進(jìn)方向夾角Θ 的最優(yōu)取值區(qū)間和靜水沉沙段的寬深比a n、渦管的相關(guān)參數(shù)、斜板的拱形高度11#4、斜板的拱形坡度及底面逆坡坡度Θ $的最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)各選出六個(gè)值，組成六組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬，具體為①nia=6，s調(diào)=0.5m, Θ 調(diào)=70° , α 靜=0. 5, D禍=0. 75m, β 禍=60° , h斜=0. 20m, r斜=1:1, Θ 逆=3.0° ;② η 調(diào)=7, s 調(diào)=0. 55m, Θ 調(diào)=71° , α 靜=0. 6, D禍=0. 80m, β 禍=61° , h斜=0. 22m, r 斜=1:1. 2,Θ 逆=3. 2° !③ η 調(diào)=8, s 調(diào)=0. 6m, θ 調(diào)=72° , α 靜=0. 7, D 禍=0. 85m, β 禍=62° ,h斜=0.24m,r斜=1:1. 4, 0逆=3.4° η調(diào)=9, s調(diào)=0. 65m, Θ 調(diào)=73° , α 靜=0. 8, D渦=0. 90m, β 渦=63° , h斜=0. 26m, r斜=1:1. 6, Θ 逆=3. 6° η調(diào)=10, s 調(diào)=0. 7m, Θ 調(diào)=74° , α 靜=0. 9, Dffi=O. 95m, β禍=64° , h 斜=0. 28m, r 斜=1:1. 8, Θ 逆=3.8° η 調(diào)=11, s 調(diào)=0. 75m, Θ 調(diào)=75° ,α 靜=1.0,D禍=1.0m, β Β=65° , h斜=0. 3Om, r斜=I:2, Θ逆=4.0°。根據(jù)泥沙沉降率等最終確定穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為第五組參數(shù)，即⑤nia=10, Sia=O. 7m, Θ ia=74° , a靜=0. 9, Dig=O. 95m, β Β=64° , h斜=0. 28m, r斜=1:1. 8, Θ 逆=3·8°。則得到沉沙池各部分結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)如下沉沙池穩(wěn)流消能段長(zhǎng)度為4. Om,寬度為I. 0m，調(diào)流齒與來水方向夾角為74°，調(diào)流齒長(zhǎng)度設(shè)定為O. 5m,同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒的間距為O. 7m，調(diào)流齒數(shù)目為10個(gè)(兩側(cè)均勻分布);沉沙池靜水沉沙段長(zhǎng)度設(shè)定為8. 4m,寬深比為O. 9，深度為3. 5m，則寬度為3. 6m。在靜水沉沙段距入口 2. Im和6. 3m處兩側(cè)分別設(shè)置渦管。渦管直徑為O. 95m,由于β ffi=64° 時(shí)沉沙效果最好，故渦管開口寬度=0.95 X s in32° =0. 5m，渦管與水流前進(jìn)方向之間的夾角設(shè)定為60°。副池的長(zhǎng)度設(shè)定為Im,寬為O. 5m。取水槽數(shù)目設(shè)定為4個(gè),槽深設(shè)定為O. lm，槽長(zhǎng)為lm，取水口采用梯形取水口。靜水沉沙段底面逆坡坡度設(shè)置為3. 8°，底面斜板高度設(shè)定為O. 28m,坡度設(shè)定為1:1.8。經(jīng)過優(yōu)化，出口處沙相體積分?jǐn)?shù)由3. 53%降至
I.94%，泥沙沉降效率提高。(3)分別對(duì)所提出沉沙池雛形整體結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后沉沙池整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，得到優(yōu)化前后的流速場(chǎng)、相體積分布等參數(shù)變化情況，通過對(duì)比優(yōu)化前后靜水沉沙段出口處沙相體積分?jǐn)?shù)，確定沉沙池內(nèi)泥沙沉降效率的提高。對(duì)比圖5和圖6可知，經(jīng)過優(yōu)化，出口處沙相體積分?jǐn)?shù)由3. 53%降至I. 94%，泥沙沉降效率提高；原靜水沉沙段泥沙淤積最多位置的沙相體積分?jǐn)?shù)由4. 06降至I. 98%，且靜水沉沙段底面泥沙沉積處沙相體積分?jǐn)?shù)較未設(shè)置渦管時(shí)大幅減少，可見泥沙被有效排入副池，泥沙回用率提高。綜上所示，應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì)方法得到的引黃滴灌用沉沙池最佳設(shè)計(jì)參數(shù)如下沉沙池穩(wěn)流消能段長(zhǎng)度為4. Om,寬度為I. Om，調(diào)流齒與來水方向夾角為74°，調(diào)流齒長(zhǎng)度設(shè)定為O. 5m,同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒的間距為O. 7m，調(diào)流齒數(shù)目為10個(gè)(兩側(cè)均勻分布)；沉沙池靜水沉沙段長(zhǎng)度設(shè)定為8. 4m,寬深比為O. 9，深度為3. 5m,則寬度為3. 15m。在靜水沉沙段距入口 2. Im和6. 3m處兩側(cè)分別設(shè)置渦管。渦管直徑Dffi為O. 95m,由于β禍=64°時(shí)沉沙效果最好，故渦管開口寬度bffi=0.95Xsin32° =0. 5m，渦管與水流前進(jìn)方向之間的夾角設(shè)定為60°。副池的長(zhǎng)度設(shè)定為Im,寬為O. 5m。取水槽數(shù)目設(shè)定為4個(gè),槽深設(shè)定為O. lm，槽長(zhǎng)為lm，取水口采用梯形取水口。靜水沉沙段底面逆坡坡度設(shè)置為3. 8°，底面斜板高度設(shè)定為O. 28m，坡度設(shè)定為I: I. 8。經(jīng)過優(yōu)化，出口處沙相體積分?jǐn)?shù)由3. 53%降至I. 94%，泥沙沉降效率提高。上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式、參數(shù)選擇等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于它包括沿水流方向依次設(shè)置的穩(wěn)流消能 段、過濾段、靜水沉沙段和集水段；所述穩(wěn)流消能段為一長(zhǎng)條形渠道，其兩側(cè)相對(duì)設(shè)置有若干調(diào)流齒，兩側(cè)的各所述調(diào)流 齒間隔交替設(shè)置，且沿水流方向具有一定的傾斜角度；所述過濾段為弧形過濾渠道，連接所述穩(wěn)流消能段和寬于所述穩(wěn)流消能段的靜水沉沙段；所述靜水沉沙段為長(zhǎng)條形渠道，所述靜水沉沙段的底面設(shè)置成逆坡的形式，沿水流方 向逐漸變高，所述逆坡上沿水流方向并排設(shè)置有若干斜板，各所述斜板拼接成一層覆蓋在 所述逆坡的上表面，所述斜板的表面沿水流方向設(shè)置呈拱形結(jié)構(gòu)，相鄰兩所述斜板之間形 成倒三角形的沉沙池；在所述靜水沉沙段的底面泥沙沉積處設(shè)置有若干渦管，各所述渦管 沿截?cái)嗨鞯姆较驒M向設(shè)置，從所述靜水沉沙段內(nèi)的一側(cè)傾斜通向另一側(cè)，所述渦管底部 的高度低于所述斜板和逆坡的表面，所述渦管的頂部沿渦管軸向開設(shè)有一條形口，所述渦 管的兩端均設(shè)置有一副池；所述集水段為長(zhǎng)條形渠道，該段的寬度與所述靜水沉沙段的寬度相同，所述集水段內(nèi) 與所述靜水沉沙段的連接處設(shè)置有一直角三角堰，所述直角三角堰上水平間隔設(shè)置有若干 條形的取水槽，各所述取水槽位于所述靜水沉沙段的上方，各所述取水槽的側(cè)壁上均設(shè)置 有若干進(jìn)水孔，各所述取水槽的頂部設(shè)置有取水口。
2.如權(quán)利要求1所述的一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于采用卵石在所述穩(wěn) 流消能段的入口處增設(shè)滲濾壩。
3.如權(quán)利要求1所述的一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于所述穩(wěn)流消能段的 末端與所述過濾段的連接處設(shè)置有攔污柵。
4.如權(quán)利要求2所述的一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于所述穩(wěn)流消能段的 末端與所述過濾段的連接處設(shè)置有攔污柵。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于所述 靜水沉沙段的底面泥沙沉積處，水流沙相體積分?jǐn)?shù)超過平均含沙量的30%處設(shè)置有若干所 述渦管。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于各所 述取水槽的頂部設(shè)置的所述取水口為梯形，下窄上寬。
7.如權(quán)利要求5所述的一種含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于各所述取水槽的頂 部設(shè)置的所述取水口為梯形，下窄上寬。
8.一種如權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述含沙水源滴灌用沉沙池的優(yōu)化方法，其包括以下 步驟1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和操作人員的經(jīng)驗(yàn)，選取穩(wěn)流消能段的長(zhǎng)度、寬度、內(nèi)部調(diào)流齒的長(zhǎng)度 Lia、調(diào)流齒的數(shù)目nia范圍、同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒之間的間距Si胃范圍、調(diào)流齒與水流前進(jìn)方 向的夾角9 范圍；選取靜水沉沙段的長(zhǎng)度，寬度；逆坡的坡度9 ffi范圍；斜板的拱形高度h#4范圍，斜板的 拱形坡度r#4范圍；潤(rùn)管的直徑范圍，Ds= (1/5 l/3)h#，式中h#為靜水沉沙段的所 需水深，選取h#的范圍；渦管頂部的條形口的開口寬度1^8范圍，bs= Dssin(@禍/2)，3 s為渦管與水流前進(jìn)方向之間的夾角，選取P s的范圍；2)根據(jù)步驟I)選取的經(jīng)驗(yàn)值，建立微灌沉沙池分步計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，具體分別為建立消能穩(wěn)流段、靜水沉沙段和所提出的沉沙池整體的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置計(jì)算域的邊界條件； 3)采用兩相流模型對(duì)步驟2)中所建立的各三維模型進(jìn)行分步求解，逐級(jí)計(jì)算選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體如下 第一步對(duì)穩(wěn)流消能段的模型進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算求解以調(diào)流齒的根部無泥沙淤積且靜水沉沙段的出口流量滿足灌區(qū)所需灌溉用水量，為調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)調(diào)流齒的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行逐級(jí)模擬選擇；內(nèi)部調(diào)流齒的長(zhǎng)度Lia設(shè)置為穩(wěn)流消能段寬度的1/2，其他參數(shù)設(shè)定①在調(diào)流齒數(shù)目nia范圍內(nèi)，選取若干值分別進(jìn)行模擬；基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定nia的最優(yōu)取值區(qū)間；②在同側(cè)相鄰兩個(gè)調(diào)流齒之間的間距Sia范圍內(nèi)，選取若干值分別進(jìn)行模擬；基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒的最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定Sia的最優(yōu)取值區(qū)間；③在調(diào)流齒與水流前進(jìn)方向的夾角0 范圍內(nèi)，選取若干值分別進(jìn)行模擬；基于模擬結(jié)果，依據(jù)上述調(diào)流齒最優(yōu)布置形式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定e 的最優(yōu)取值區(qū)間；通過對(duì)以上各項(xiàng)參數(shù)的逐級(jí)選擇，確定調(diào)流齒的最優(yōu)數(shù)目0 、間距Sia及其與水流前進(jìn)方向夾角Q ^的最優(yōu)取值區(qū)間； 第二步對(duì)靜水沉沙段進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬首先，設(shè)定靜水沉沙段的長(zhǎng)度L11為步驟I)中所提出的長(zhǎng)度的2倍；當(dāng)靜水沉沙段內(nèi)某斷面的沙相含量小于200mg/L時(shí)，認(rèn)為此時(shí)泥沙沉積較完全，此斷面即為靜水沉沙段的終斷面，得到靜水沉沙段的最優(yōu)長(zhǎng)度；設(shè)置靜水沉沙段的設(shè)計(jì)深度H11范圍，H11高于靜水沉沙段的所需深度h#范圍0. 2m 0. 5m，根據(jù)H11得到寬深比a #范圍，在寬深比a #范圍內(nèi)選取若干值分別進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率確定a#的最優(yōu)取值區(qū)間；然后，靜水沉沙段布設(shè)為最優(yōu)長(zhǎng)度，選取最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)的寬深比，取水槽均勻布設(shè)在段尾，采用梯形取水口進(jìn)行模擬；增設(shè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體為①底面泥沙沉降處 水流沙相體積分?jǐn)?shù)大于初始值的30%處增設(shè)渦管，并在渦管的兩端出口處設(shè)置副池；渦管的直徑Dffi= (1/5 1/3) h靜；渦管頂部條形口的開口寬度b禍=Dffisin(^禍/2);在渦管的直徑Dffi范圍內(nèi)選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定渦管直徑1^8的最優(yōu)取值區(qū)間；在P 的取值范圍內(nèi)選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙排除效果確定P 的最優(yōu)取值區(qū)間；②在斜板的拱形高度h#4范圍內(nèi)，選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)斜板間泥沙沉降率確定斜板高度]1#4的最優(yōu)取值區(qū)間；設(shè)定斜板的拱形坡度范圍1:1 1:2 ;在逆坡的坡度0 $范圍內(nèi)，選取若干值進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)底面泥沙沉降率確定逆坡坡度0 $的最優(yōu)取值區(qū)間； 第三步對(duì)穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段整體進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算模擬分別在穩(wěn)流消能段調(diào)流齒的最優(yōu)數(shù)@nia、間距8_、其與水流前進(jìn)方向夾角0 的最優(yōu)取值區(qū)間和靜水沉沙段的寬深比a #、渦管的直徑Dffi、渦管頂部條形口的開口寬度1^8、斜板的拱形高度斜板的拱形坡度及逆坡坡度0 $的最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)各選出若干值，組成若干組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)泥沙沉降率和工程所需精度，最終確定穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段各結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種含沙水源滴灌用沉沙池及其優(yōu)化方法，其特征在于它包括沿水流方向依次設(shè)置的穩(wěn)流消能段、過濾段、靜水沉沙段和集水段；穩(wěn)流消能段的兩側(cè)相對(duì)間隔交替設(shè)置有若干調(diào)流齒；過濾段連接穩(wěn)流消能段和靜水沉沙段；靜水沉沙段的底面設(shè)置成逆坡的形式，沿水流方向逐漸變高，逆坡上沿水流方向并排設(shè)置有若干斜板，斜板的表面沿水流方向設(shè)置呈拱形結(jié)構(gòu)；靜水沉沙段的底面泥沙沉積處設(shè)置有若干渦管，各渦管沿截?cái)嗨鞯姆较驒M向設(shè)置，渦管底部的高度低于斜板和逆坡的表面，渦管的頂部沿渦管軸向開設(shè)有一條形口，渦管的兩端均設(shè)置有一副池；集水段內(nèi)與靜水沉沙段的連接處設(shè)置有一直角三角堰，直角三角堰上水平間隔設(shè)置有若干條形的取水槽，各取水槽位于靜水沉沙段的上方，各取水槽上均設(shè)置有若干進(jìn)水孔和取水口。
文檔編號(hào)A01G25/02GK102949888SQ201210455280
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者李云開, 馮吉 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)