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1、 年月 农业机械学报 第卷第期 ： 农业退水分层利用装置设计与数值模拟 孙志林 李众彻 方诗标 许 丹 （浙江大学港口海岸与近海工程研究所，杭州） 摘要：从理论可行性出发，初步设计一种分流装置，再从功能和效率的角度对其进行改进，最后采用计算流体力学 软件对农业退水分流过程进行数值模拟，对比分析不同流速下的盐度场和速度场，结果表明该分流装置可 为最终设计提供参考。试验工况分组进行，设定入口流速作为唯一变量，组试验均假定相同的入口盐度分布函 数。截取个轴剖面的流速场云图和个轴剖面的盐度场云图进行对比分析。结果表明，分流装置可以对不 同盐度的农业退水进行分流。上导流槽得到低盐度农业退水，下导流槽得到
2、较高盐度退水。分流的效率取决于装 置尺寸、分层流流速和盐度分布等因素，可根据实际情况进行调整和优化。 关键词：农业退水；分流装置；排碱渠；数值模拟；盐碱地 中图分类号：￥； 文献标识码： 文章编号： （） （ ， ， ， ，） ： ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 碱地。水利工程治理措施主要是修建水库、排水渠 引言 土地盐碱化严重制约南疆地区的社会发展。农 业部门一般采取水利、生物、化学等治理措施改良盐 道网络，建立较为完善的灌溉系统和现代化排水系 统。生物治理措施主要是培育耐盐植物，利用 生物排水降低地下水位，减少地面蒸发，防止土地表 收稿日期： 修回日期：一一 基金项目：高等
3、学校博士学科点专项科研基金项目（）、中央高校基本科研业务费专项资金项（一）和 水体污染控制与治理科技重大专项（ ） 作者简介：孙志林（一），男，教授，博士生导师，主要从事水沙动力学、河口海岸数值模拟和水资源利用研究， ： 万方数据 害警毒（厂。等叫 。 ： ： 、 农业机械学报 面积盐 。 。化学治理措施则是在盐渍化土地中 施加石膏、矿渣等改良剂，降低土地中的盐碱含 量 。 ” 。迄今为止，南疆大面积改良土地盐渍化的 方式仍是以 “ 排水洗盐 ” 为主。然而大面积推广使 用 “ 排水洗盐 ” 会使未经处理的盐碱水随意排放，不 仅闲置有限的水资源，而且威胁周围生态环境。因 此，需要通过更为科学合
4、理的技术措施将盐碱水的 矿化度降低，以减轻废弃盐碱水对环境的恶劣影响。 南疆地区的排碱干渠有着多个人水口，各个支 排的退水盐度高低不一，且常年处于太阳高温辐射 量下，具备形成分层流的条件。关于分层流的数值 模拟，国内学者已经进行了初步的探索，并取得一定 成果。包芸等口钊运用三维斜压模型对珠江口伶仃 洋区域盐度分层进行了数值模拟，模拟结果与实测 资料基本吻合。胡振红等建立了温度和盐度分 方程为 去础，毒础，毒（鲁）鸶卜 一 （） 其中 肛。 。 式中 湍动能 。 涡粘性系数 。 由层流速度梯度而产生的湍流动能 。 浮力而产生的湍流动能 扩散产生的波动 。 用户自定义源项 盯 方程的湍流数，取 湍
5、流耗散率 方程为 去占，蠹观，专（卢鲁）毒】 层流的 模型，进行了数值模拟计算，计算结果 正确地反映了分层及紊动特征，与实测结果吻合较 好。 本文设计水体分流装置 引，该装置可将分层水 体以一种纯物理方式分流。在此基础上，进一步改 进装置，提高水体分离的精度并实现完全自动化。 通过计算流体力学软件对分层流体流经分流 装置的过程进行数值模拟，对比分析不同流速下的 盐度场和速度场，为装置实际使用提供优化建议。 数学模型 ，盯（。）一。 其中。 。 。 ，一 式中 。一：。、，。 常数项 ， 沿重力方向速度分量 平行重力方向速度分量 。 用户自定义源项 盯。 方程的湍流数，取 盐度控制方程为 。 （
6、） （） 控制方程 控制方程采用雷诺平均方程组（），连续 方程与动量方程为笛卡尔坐标系下的张量形式，湍 流模型采用标准一占模型，盐度计算采用组分输运 望 旦 、 鲁警毒（厂等一训 “ ； 、 ； 、。 式中 ， 盐度扩散系数 ， 盐度源项 边界条件 人口边界设置为速度入口，速度通过用户自定 方程 。 义函数（ ，）设置为充分发展 连续性方程为 （） （ 式中 流体密度 时间 速度分量 。 笛卡尔坐标系下对应的方向 动量方程为 、 流动状态，湍动强度设置为，同时盐度在人口处 通过按照设计浓度分别加入计算系统。 出口边界为无回流自由出口。 在固体壁面附近的粘性底层内用标准壁面函数 来处理 。 数值
7、方法 在笛卡尔坐标系下，式（）一（）可写成统一形 警一毒毒卷詈一争。差）】 意（一 “ 蟛） 式中 压力 “ ：、 “ ，速度脉动量 （ 式 式中 妒 。、占 源项 ， 广义扩散系数 。 （） 弘 动力粘性系数 ；， 狄克拉函数 ， 速度分量 戈，、茗。 笛卡尔坐标系下对应的方向 万方数据 采用有限控制体积法来离散计算区域，然后在 每个控制体积中对微分方程进行积分，再把积分方 程线性化，得到各未知变量的代数方程组，最后求解 第期 孙志林等：农业退水分层利用装置设计与数值模拟 方程组即可求出各未知变量。采用算法对 压力和速度场进行耦合计算。流场迭代稳定后计算 盐度场，模拟中采用单向耦合，盐度计算
8、不影响流场 计算。 模型设计与数值模拟 装置的原理与改进 初始分流装置如图所示，该装置包括左分流 装置和与左分流装置倒置的右分流装置。左分流装 置和右分流装置固定连接且相互平行，固定安装在 河渠的横截面上。因为浮力作用，左浮力球和右浮 力球分别带动左闸门和右闸门上下平移，由于密度 和盐度呈正相关关系，盐度低的水从左闸门上方流 出，盐度高的水从右闸门下方流出，从而实现排碱渠 不同浓度水体的分流。该装置用纯物理方法分流， 具有结构简单、造价低廉等特点，目前已获授权。 图初始分流装置 初始分流装置虽优点明显，但也存在分离精度 不高、无法远程控制等不足，因此在最初的发明专利 基础上做了进一步改进，设计
9、了一种带无线收发功 能的盐水分流装置旧 “ 。如图所示，该装置包括左 分流装置和右分流装置。左分流装置和右分流装置 固定连接且相互平行，固定安装在排碱渠的横截面 上。因上、下层水体的盐度不同，导致置于上、下导 图带无线收发功能的分流装置 万方数据 流槽口边缘的传感器产生不同的电信号，进而驱使 左右电动机箱中的电动机分别带动左闸门和右闸门 进行相应的上下平移，使盐度低的水从左闸门上方 流出，盐度高的水从右闸门下方流出，实现不同浓度 盐水的分流。其后附带的导流槽可将分离后的液体 导流，上层盐度较低的水可以直接投入农业灌溉，下 层较高浓度盐水则可以晒盐、提盐，从而达到防止土 地盐碱化的目的。装置左右
10、均附带无线收发器，具 备实时可监控以及突发情况下可人工干预的功能， 能很好地适应环境变化，达到完全自动化。 研究对象与试验工况 本文的研究对象为置于排碱渠的分流装置，实 际模型简化后的计算模型如图所示，轴方向是 分层流体流动方向，轴方向垂直向上，轴方向和 分层流体流动方向垂直。排碱渠宽 、深 、长 ，其横截面为矩形，在排碱渠方向 处，垂直流体流动方向放置分流装置，分流装 置计算模型简化为一块挡板，在挡板的左上方和右 下方各开个矩形导流槽口，个导流槽口尺寸一 致，宽 、高 ，导流槽口后均连接长 的导流槽，上下导流槽底部为平坡。各导流槽末端 连接水泵，如有需要，可为导流槽中水体的流动提供 持续动力
11、。 ； 【 拆悦。 图 排碱渠放置分流装置三视图（单位：） 对流体计算域采用六面体网格划分，考虑在壁 面附近和挡板水流分离处流场参数变化梯度比较 大，因此网格划分时，此部分采用网格加密处理，在 边界第层网格设置为 ，网格扩展比为 ，经过验证，设置符合壁面网格符合标准壁面函 数使用条件。通过网格无关性验证。 模拟分组试验工况，第、组的入口流速 分别为 ， ， ，这 摅 农业机械学报 个流速为典型试验工况，分别模拟排碱渠中流体 在枯水季节、一般季节和旺水季节种情况下的流 动。每组试验除流速条件不一样外，其他条件均一 致。入口盐度的分布设置采用有关文献的实测结 果，取底部盐度是表面盐度的倍 。分层流
12、体盐 度变化函数较好地刻画了盐度渐进变化规律，函数 曲线如图所示。由函数关系式可知，水表面（ ）盐度为 ；水底（ ）盐度为 。水底盐度取 左右，基于绝大多数 植物都不能在此浓度盐水灌溉下存活的考虑，因此 当浓度接近 时，已经不适合灌溉，而应该分 离后作他用。 与水向的垂直距离， 类似，因为分流装置下部的截流板将分流装置迎水 面左边浓度较高的盐水截流。 赢速（ 、 ） 图第组（ “ ）轴剖面的流速场 （ ） 流速（ ， ） （） 图入口盐度分布函数 结果与分析 蚧 【仁 图第组（ ： ）轴剖面的流速场 图 是组不同工况下，分层流体达到稳 态时，流速和盐度分布图。其中，图为下导流 槽（ 剖面）和上
13、导流槽（ 剖面）在 轴方向上达到稳态时的流速分布情况。图 分别是为、 个不同剖面下的 盐度分布。 由图可看出，无论是， ，： ， 的何种工况，在上、下导流槽 （ ） 枷虫 。） ， 入口处（也就是 处附近），盐水的流速快 速增加，均达到各工况下入口流速的倍左右，但盐 水在导流槽的后续流动中，速度基本没有变化。这 ， （） 图第组（ “ ， ）轴剖面的流速场 是由于上、下导流槽横截面变小，且上、下导流槽都 是管流，不存在盐碱水溢出的可能。排碱渠的宽 、高 ，横截面积 ，而分流装置上、下 导流槽宽、高 ，横截面积之和 ，因此 根据流体的质量守恒定律和连续性假设，流量不变， 面积减小，必然导致流速增
14、加。 在 处上部，可以明显看出盐水的流速 快速下降为零，这是由于分流装置的右截流板发挥 了截流的作用，将分流装置迎水面右边浓度较低的 稀盐水截流，因此速度快速降为零。图的 图，在 处流速快速降为零，原因和图 万方数据 （ ） 由图可以看出，分流装置能实现分流的 功能：上导流槽的平均盐度低于下导流槽的平均盐 度，上导流槽分流出低盐度的水，下导流槽分流出较 高盐度的水。流速越快的盐水，其剖面的盐度分 布趋于稳定的时间也越长。 根据图所示盐度变化函数，当与水面的垂直 距离为 时，对应的盐度为 。组工况 下，上导流槽轴横截面上盐水的平均盐度约等于 上导流槽槽底对应深度的盐度。该现象说明，上导 一 度一
15、 “、 ） 一二 第期 孙志林等：农业退水分层利用装置设计与数值模拟 流槽分流后的盐水盐度分布基本取决于人口处的盐 度分布函数和上导流槽槽底对应深度。因此，在排 碱渠中使用分流装置时，如果要提取低于某一盐度 的分层流体，则应该调高分流装置上导流槽，使上导 流槽槽底对应深度的盐度低于该值，否则提取的分 及含有物的浓度扩散速率都会增大。这样的流动会 破坏原来的盐度分层现象，使得分流装置的分流作 用减弱 明 层流体容易盐度过高，影响分流效果。 口 上 ，（） ，一 氏 ，一 （ 罂二二 们 （， 卧 薰 ） ； 二 ） ， （） 图 组不同流速下， 剖面的盐度场 （） ， 图 组不同流速下， 剖面的
16、盐度场 盐一 度一 ） ，一 ；一诗 盐 度一 旷 盘 五 “ ， ，一 ，一 一 商 】 二 、 【】 （） （） 二 】 图 组不同流速下， 剖面的盐度场 （） 图 组不同流速下， 剖面的盐度场 相同的轴截面，不同流速对比可以看出， 工况的分流效果要优于， 和 ， 工况，进一步观察可以发现： 和， 工况之间的分流效果差别不大。该 现象说明，为了使上导流槽尽可能分流出浓度较低 的盐水，在实际的排碱渠中使用分流装置时，应当适 当调低上导流槽的流速，因为流体流速越大越容易 从层流向紊流发展，这会导致流体质点的运动极不 规则，由于脉动的急剧混掺，流体动量、能量、温度以 万方数据 下导流槽的盐水流动
17、速度沿程均比较稳定，变 化不明显，但是可以看出，随着盐水的流动，个工 况下的下导流槽截面的盐度均有所下降。分流 装置下导流槽设置的目的是为了分流较高浓度的盐 水，若盐水浓度变小，则会与设想的结果背道而驰。 进一步深入比较各个工况下导流槽的盐度分布可以 看出， 工况的下导流槽盐度分布比： 和 “ ， 工况要稳定，沿程流动中， 盐水浓度更不易变小。其原因和上导流槽类似，因 为流体流速越大，液体质点作不规则运动，互相混 掺，轨迹越曲折混乱，下方较高浓度的盐水和上方低 农业机械学报 正 浓度盐水掺混，致使下方导流槽分流出的盐水浓度 变低。为了提高下导流槽的分流效率，可以减小下 导流槽横截面的宽度。 结
18、论 （）分流装置上导流槽旨在分流低盐度的水 体，上导流槽分流后的退水浓度很大部分取决于入 口处盐度分布和上导流槽槽底对应的深度。因此， 在排碱渠中使用分流装置时，若想充分降低上导流 槽分流出的盐水浓度，在实际工作条件允许的情况 下，可以选择抬高上导流槽的槽底。 （）降低下导流槽槽底可以提高下导流槽的分 流效果，使得其分流的盐水浓度得到提高，但是这样 会使得下导流槽的横截面积变小，影响截面的流量， 降低分流效率，在实际使用中需要综合考虑。 （）无论对于上导流槽还是下导流槽，降低退 水流速都是提高分流效果的有效手段，因此入口处 分层盐水流动速度不应过快，否则退水会在流动中 快速掺混，分流装置达不到
19、分流的目的。但是人口 处流速过低，则会导致分流的效率降低。故在实际 使用过程中，需要在分流效率和分流效果方面做一 定的权衡。 参 考 文 献 张珂萌，牛文全，汪有科，等微咸水微润灌溉下土壤水盐运移特性研究农业机械学报，（）： ： ？ ： ， ， ， ，（）： （ ） ， ，（）： 姚宝林，李光永，叶含春，等干旱绿洲区膜下滴灌棉田土壤盐分时空变化特征研究农业机械学报， （）： ： ？ ： ， ， ， ， （）： （ ） ， ， ， ： ，（）： ， ， ， ，（）： 郭丽，郑春莲，曹彩云，等长期咸水灌溉对小麦光合特性与土壤盐分的影响农业机械学报，（）： ： ？ ： ， ， ， ，（）： （ ） 王振华，裴磊，郑旭荣，等盐碱地滴灌春小麦光合特性与耐盐指标研究农业机械学报，（）： ， ： ？ ： ， ， ， ，（）： ，（ ） ， ， ： ，（）： ， ： ，（）： ， ， （）： ， ， ， （） ，（）： ， ， ， ，（）： 万方数据 第期 孙志林等：农业退水分层利用装置设计与数值模拟 ， ， ， ，（）： ， ， ，