大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應用

李東平

(中鐵十四局集團電氣化工程有限公司，濟南 250014)

0 引 言

由于我國幅員遼闊，各地區(qū)的水資源分布呈現(xiàn)出極大的不均勻性，因此農(nóng)業(yè)用水的輸送就成為了亟待解決的問題。我國對于水資源貧乏區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水主要采用管道輸送的方式，即將水資源泛濫流域的水通過長距離管道輸送到水資源短缺的流域，這樣不僅可以減少被輸送區(qū)域泛濫的水資源，另一方面還可以解決輸送區(qū)域的缺水問題。在水利灌溉管網(wǎng)中，由于重力加速度的影響，管壁內(nèi)部的水流通常具有一定的沖擊力，會對管壁造成壓力。因此，管網(wǎng)內(nèi)部經(jīng)常會出現(xiàn)阻力損失，尤其是彎頭部位。由于阻力特性的影響，該區(qū)域受到的水流阻力遠遠大于其他管壁處，也是管道內(nèi)部最易損壞的區(qū)域。為減少管壁壓力，本文設計大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應用方法。

文獻[1]以長距離的輸水管道壓力出發(fā)，在跨流域調(diào)水工程中提出了管網(wǎng)的綜合設計方案，促進了我國的水利工程應用設計。文獻[2]通過Flowmaster仿真軟件，模擬了輸水管道在分叉型案例中的數(shù)值關系，分析輸水管壁的孔隙大小、分叉角度、管壁泄流特性等參數(shù)，將閥門末端的壓力參數(shù)轉化為衰減速度不一致的分叉泄流重力，促成了壓力幅值關系式的完善。文獻[3]結合三維圖形技術，避免了壓力信號對外界造成的影響，并將管道壓力轉化為衰減波，完成了圖形圖案的信號轉化。本文基于以上文獻，綜合分析PVC-M管的管壁厚度以及彎頭角度對管壁沖擊力的影響，并提出可以減緩管壁壓力的管網(wǎng)設計方案。

1 大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應用研究

1.1 建立大口徑給水用PVC-M管道水力方程

聚氯乙烯(PVC)材料是我國使用最為廣泛的一種塑料材料，該塑料制品制作成的管材在建筑、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領域均有十分廣泛的用途[4]。在計算PVC管道內(nèi)的水力損失時，可以將沿水頭方向的損失系數(shù)作為水利分區(qū)的求解公式：

(1)

式中：Gf為液體在管道內(nèi)從一個方向流向另一個方向的動能；Qf為長距離輸水系統(tǒng)內(nèi)，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的節(jié)點能量；gw1-i為測壓管水頭自第1個節(jié)點向第i個節(jié)點的長距離輸水線；ΔPi為水流動能的功率差；Δt為水流在管道內(nèi)流動的總時間；vi和vf分別為彎頭兩側的水流流速；Di和Df則分別為彎頭兩側水壓；zi為節(jié)點管線瞬變流初值；di為單管輸水流量[5]。

此時可以依據(jù)差值矩形網(wǎng)格(圖1)，計算未知量的基本邊界條件。

圖1 差值矩形網(wǎng)格

圖1中，在求解未知量的近似值時，將初始時刻O作為均值的邊界點，將B點作為管路的瞬變流端點的一端，將A點作為瞬變流端點的另一端，以C為端點的穩(wěn)定狀態(tài)的頂點[6-7]。將管路中的閥門作為內(nèi)邊界，可以得到閥門孔口流動示意圖，見圖2。

圖2 閥門孔口流動示意圖

圖2中，左側的A區(qū)域表示閥門前方的管線孔口，右側的B區(qū)域表示閥門后方的管線孔口，上方的C1和C2區(qū)域表示閥門中心的孔口。此時孔口內(nèi)正向流動的水資源流量模型為：

(2)

式中：YC1和YC2分別為接近閥門前端與閥門后端的水頭流速；Fc和Fk為閥門中心孔口位置的邊界參數(shù)；WC1和WC2分別為管道上游與下游在節(jié)點處的流量；λf為水與管道的摩擦系數(shù)；F0為水災管道內(nèi)的碰撞邊界條件；ΔY0為管道閥門前端與后端水頭流速的差值[8-9]。

基于以上方法，可以建立一個大口徑給水用PVC-M管道水力方程。

1.2 計算農(nóng)田水利灌溉流量

現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，在保證產(chǎn)量的前提下，離不開水利灌溉。而在水利灌溉過程中，就一定會使用塑膠管道作為水資源的運輸通路。在保證省時、節(jié)水、節(jié)能的基礎上，大口徑給水管在農(nóng)田水利灌溉中已經(jīng)得到廣泛的應用。使用大口徑給水管道灌溉農(nóng)田，需要提前計算好農(nóng)田水利的灌溉總量，以制定因地制宜的灌水方案，既能夠保證農(nóng)田水利灌溉的有效性，還可以在一定程度上保護大口徑管道，延長其使用壽命[10-11]。灌溉前，需要提前確定好當?shù)氐臍夂驐l件、土壤環(huán)境、農(nóng)業(yè)技術以及作物種類，再以此計算本年度需要在農(nóng)田中灌溉的水量多少以及最佳的流量單位，制定好灌水方案，包括灌水次數(shù)、管道流量、灌水定額等。見表1。

表1 農(nóng)田水利灌水參數(shù)

根據(jù)表1中的農(nóng)田水利灌水參數(shù)，可以得到灌水次數(shù)、管道流量、灌水定額的計算公式：

(3)

式中：Wg為灌水定額；fg為一年內(nèi)的灌水次數(shù)；Qg為管道流量；Hp為干層土壤與濕潤土壤的容重比；αmax和αmin分別為當?shù)赝寥篮畬拥纳舷夼c下限；Et為該農(nóng)作物種類在一段時間內(nèi)所需要的灌溉水量；kn和Nd分別為該管道控制范圍內(nèi)的灌溉水口數(shù)量與整個系統(tǒng)的灌溉水口數(shù)量；Q0為系統(tǒng)的總水流量[12]。

通過式(3)，可以直接得到農(nóng)田水利灌溉流量以及大口徑給水管所承受的壓力。

1.3 設計大口徑給水管網(wǎng)布設方法

設計大口徑的給水管網(wǎng)絡，需要選擇與布置相符的管徑與材料。本文使用的是給水用抗沖改性PVC-M管，具備優(yōu)秀的負載能力與抗開裂能力，同時還有強大的抗沖擊性與堅韌性。這些性能體現(xiàn)在灌溉水管上，可以延長給水管的使用壽命，保證農(nóng)田水利工程不需要經(jīng)常更換管路以及開挖施工，極大地提高了PVC-M管的經(jīng)濟效益[13-14]。在給水管網(wǎng)內(nèi)部，彎頭連接處是最易受損的部位，為更好地保護大口徑給水管的安全性能，設計圖3所示的技術路線。

圖3 數(shù)值模擬方法

圖3中，將彎頭連接分為90°彎頭與45°彎頭兩種，除此以外還有135°彎頭、60°彎頭、25°彎頭等少數(shù)角度，本文不作論述。建立不同角度管壁的水力沖擊模型，并相應地設定邊界條件。分別在該模型下計算局部阻力系數(shù)、水流能量損耗、管徑比與阻力系數(shù)之比、彎頭處能量損失等，然后通過以上公式總結阻力規(guī)律，得到最終的數(shù)值模擬解析值[15]。基于該方法，可以基于任意條件得到大口徑給水管網(wǎng)的布設方法。

2 實例分析

2.1 工程實例方案

引大濟湟工程主要是從大通河中將水資源引入湟水之中，是十分典型的跨流域水資源調(diào)用工程，目的是將水資源較為豐富區(qū)域的水流通過管道傳輸?shù)剿Y源較為貧瘠的區(qū)域。該工程主要包括“一總、兩庫、三干渠”，年調(diào)水量可以達到 7.5×108m3，工程完成后，可以在黃河流域完成超過6.667×104hm2田地的灌溉。在該工程中，水資源的運輸主要通過大口徑的給排水管道。本文使用大口徑給水用抗沖改性PVC-M管作為水資源流動的載體，通過計算管網(wǎng)水力的安全與經(jīng)濟，盡量減少水資源在管道內(nèi)的能量損耗以及連接處的沖擊力。尤其是在管道的彎頭處，由于調(diào)動水資源的管道經(jīng)常會出現(xiàn)一些分支或轉彎，以改變水流方向，因此大口徑給水用抗沖改性PVC-M管中的彎頭是必不可少的，此處也是該管道中最易受到力學沖擊的地方。

在該工程實例中主要存在兩種轉彎趨勢，分別為90°角和45°角。為測試兩種轉彎處的彎頭受力結果，布置圖4所示的彎頭試驗方案，分別對90°彎頭與45°彎頭進行受力效果的分析。

圖4 實驗場地布置

在實驗布置圖中，有兩個水資源的存儲池，其一為恒壓水池，位于試驗場地的上游，通過保持水池壓力的恒定，令水流以相同的壓力不間斷地流向止水閥方向。經(jīng)過電磁流量計后，兩側此時水流速度及其他參數(shù)，分別通過90°彎頭與45°彎頭。然后通過一段回流的管道流向蓄水庫，在此管道上有一個水流數(shù)據(jù)采集裝置。水庫位于試驗場地的下游，其中的水資源通過水泵回流給初始的積水池，令積水池內(nèi)的水保持對下游壓力的恒定性。

2.2 數(shù)值模擬與模型計算

為減小上下游邊界對計算區(qū)域的影響，不僅需要在彎頭與電磁流量計前方放置一個止水閥，還需要采用GAMBIT軟件，通過數(shù)值分析的方式，劃分兩種彎頭模型的網(wǎng)格結構。在四面體網(wǎng)格元素內(nèi)，使用Tgrid作為流體流向的壓力格式。通過網(wǎng)格的數(shù)值模擬，可以得到流體在彎頭階段的壓力損失位置，因此需要在彎頭附近加密模型數(shù)據(jù)，以保證其計算結果的準確性。由于在引大濟湟工程中使用大口徑給水用抗沖改性PVC-M管道，因此水流管道的口徑最小為110 mm，為對比不同口徑對流體流動參數(shù)的影響，將管道的口徑設置為110、130、150和190 mm。其中，DN110彎頭模型所生成的網(wǎng)格數(shù)量為42.3萬，DN130彎頭模型生成的數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)量約為49.6萬，DN150和DN190彎頭模型所生成的數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)量分別為56.5萬和71.2萬。讀入網(wǎng)格文件，并計算其FLUENT解析式，選擇壓力求解器作為隱式算法的三維模型。若絕對速度不支持近壁區(qū)壁面的平均水流速度，則管道壁面可以設置為自由出流的模式，即outflow。若絕對速度支持近壁區(qū)壁面的平均水流速度，則管道壁面需要設置為定向出流模式，即wal1。

在特定的管道內(nèi)，阻力系數(shù)一般與水的流動形態(tài)有關，分別測試彎頭上下游管道內(nèi)的幾個斷面，并分別稱之為上游斷面、中間斷面、下游斷面，見圖3中傳感器測量的3個節(jié)點所示。其中各測點的壓力精度均采用0.1%的硅壓阻壓力傳感器，實驗前需要首先標定壓力傳感器的度數(shù)，在保證數(shù)據(jù)采集精度的前提下，穩(wěn)定電源電壓。在計算流體阻力時，需要首先計算局部阻力系數(shù)，并將阻力系數(shù)與流體模型相連接，得到雷諾數(shù)的參數(shù)特性。計算每個斷面的能量損失，方程為：

(4)

通過以上公式與模型，模擬不同彎頭下雷諾數(shù)與局部阻力系數(shù)的關系，并得到在90°彎頭與45°彎頭下的最佳管徑。

2.3 局部阻力系數(shù)數(shù)值模擬

水溫越高，水分子運動速度越快，對管壁的沖擊力就越大。因此，選擇20℃作為本次實驗的溫度，計算4種管壁直徑下局部阻力系數(shù)，數(shù)值模擬結果見圖5。

圖5 不同管徑彎頭下局部阻力系數(shù)

在90°彎頭的數(shù)值模擬中，所有口徑下局部阻力系數(shù)均以相同的趨勢變化。隨著雷諾數(shù)的增加，局部阻力系數(shù)逐漸趨向于平緩，且各管徑之間的最終數(shù)值差距較小。局部阻力系數(shù)越大，證明該斷面處能量損失越少，即管壁壓力較小，且90°彎頭在同等管徑下所得局部阻力系數(shù)明顯大于45°彎頭。因此可知，水管中的水在DN110的管壁中運動造成的能量損失大于DN190管壁。可見在農(nóng)田水力灌溉過程中，可以盡量選擇口徑較大的水管，并在安設農(nóng)田水利灌溉管網(wǎng)時，盡量布設直角彎，使用90°彎頭。

3 結 語

本文論述了大口徑給水用抗沖改性PVC-M管在農(nóng)田水利灌溉中的應用方法，分析了不同口徑以及不同彎頭角度的管壁對水流沖擊作用的抵抗能力，依據(jù)水力方程以及農(nóng)田灌溉公式，得到了針對大口徑給水管網(wǎng)布設的數(shù)值模擬方法。在實驗中，綜合對比不同管壁直徑以及彎頭角度下管徑中受到的應力，分析最佳布設角度。通過本文方法，能夠大幅度增加大口徑給水管的使用年限，增大其壽命，減少施工成本。