梭錐管內錐圈水沙分離機理及錐圈設計參數

李 琳,譚義海,楊海華,王 苗,邱秀云

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊 830052)

梭錐管內錐圈水沙分離機理及錐圈設計參數

李 琳,譚義海,楊海華,王 苗,邱秀云

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊 830052)

從梭錐管內特有的泥沙沉降特性出發,根據泥沙運動力學和沉淀理論,重點分析梭錐管內錐圈對泥沙沉降特性的影響。以絮團為研究對象,通過力學分析和數值分析給出了滿足泥沙不淤積且以較大速度沿錐圈內表面下滑的錐圈傾角范圍,并根據沉淀理論推導出錐圈的最佳傾角為45°。理論推導出錐圈長度和錐圈間距,研究這兩個參數對泥沙沉降速度的影響,結果表明在相同的水沙條件下,梭錐管可使更多泥沙發生沉降,其沉降能力大于沒有加錐圈的普通容器。泥沙沉降速度與錐圈長度和錐圈間距的比值有關,比值越大,泥沙沉降速度越大,設計時建議選擇較大的比值。

梭錐管;水沙分離;泥沙沉降;錐圈設計參數

我國北方眾多河流具有高度渾濁的特性,河水的泥沙質量濃度達數十甚至數百kg/m3,并且泥沙粒徑極細,粒徑小于0.03 mm的泥沙占含沙總量的40％以上,處理起來十分困難,致使高含沙流域的水資源有效利用率很低。目前,對于高度渾濁且含極細沙的水,一般都先用自然沉淀的方法進行預處理,再加混凝劑和絮凝劑進行絮凝,繼而通過機械與水力共同作用將絮凝后的泥沙或其他固體顆粒排出,最后得到標準的工農業用水和生活用水。但研究發現,常用的絮凝劑聚丙烯酰胺遇到鐵器極易分離為有毒的單體,水中殘留物對人體健康的危害性很大。另外,排出的淤泥中含有聚丙烯酰胺,呈膠泥狀,目前的處理方法是將其深埋在地下。這不僅占用空間,而且會污染周邊環境。因此,如何高效率、低能耗、低水耗且無化學污染地將高度渾濁水流中的水與沙或水與其他固體顆粒分離,并獲取可以使用的城市用水和工農業用水成為研究人員極為關注的課題。本文介紹的新型水力分離水沙裝置——梭錐管渾濁流體分離裝置(簡稱梭錐管,專利號:zl200720146643.2)具有水沙分離效率高、耗水率低、無能耗、無化學污染的特點。錐圈作為梭錐管內泥沙沉降運動過程中重要的邊界條件,對梭錐管的水沙分離性能起著關鍵作用。目前,譚義海等[1-5]在前期已完成了梭錐管幾何結構尺寸的優化以及內部錐圈布置角度、數量和位置的優化,分別從梭錐管外形尺寸、轉軸偏離角度、內部錐圈傾角和泥沙的沉淀面積等方面分析了梭錐管的水沙分離機理和影響梭錐管水沙分離效果的因素。但研究人員尚未從梭錐管內泥沙的沉降特性出發,探討對梭錐管水沙分離起重要作用的錐圈傾角、錐圈長度和錐圈間距的理論確定方法。根據沉淀理論,顆粒的沉降速度是沉降面積的函數,而與沉降深度、時間無關。本文將兩錐圈之間的小空間看作一單元進行運動學分析,從理論上推導出錐圈傾角、錐圈長度和錐圈間距對梭錐管水沙分離的影響及其設計原則,為設計人員提供參考。

1 梭錐管的工作原理

梭錐管主要由上錐管、下錐管、錐圈、渾水進流管、環狀布水管、轉軸、清水出口和渾水出口組成,如圖1所示。上錐管與下錐管在錐底邊緣處連成一體,呈梭形,上錐管頂部連接清水出口,下錐管底部連接排沙管,上錐管與下錐管連接形成的腔內軸向固定多個相互套疊的錐圈,錐圈與上錐管和下錐管內壁有間隙,渾水進流管固定在上錐管和下錐管連接部位外壁,并與沿上錐管和下錐管連接部位內壁固定的環狀布水管連通。通過由裝置內的錐圈構成的液體上升通道和懸混固體物質下降通道,使渾濁流體在重力作用下快速分離。梭錐管沉沙原理不同于斜板沉沙箱[6],隨著渾水進入,泥沙不斷下沉并隨挾沙水流通過渾水出口排出。同時清水從上部清水出口溢出。下錐管的錐形結構有利于泥沙排出,而不致于淤積在底部。整個梭錐管的梭形設計有利于整個裝置繞轉軸旋轉和傾斜。前期試驗研究[5]表明,在待處理的渾水含沙濃度較低時,傾斜放置梭錐管有利于水沙分離。

圖1 梭錐管渾濁流體分離裝置

梭錐管內水沙兩相流運動軌跡如圖2所示,圖中實線表示水沙沿梭錐管邊壁的清水流通道和中心的泥沙流通道做大循環的水沙流,即分離后的清水流沿清水通道上升并經清水出口流出,同時,梭錐管上部的泥沙不斷下沉;虛線表示水沙在相鄰錐圈間做小循環流動,即泥沙在梭錐管內受重力作用沉降,當泥沙到達錐圈內表面時沿錐圈的內表面從錐圈上邊緣流向下端;清水流則沿錐圈外表面從下邊緣向上流動,這樣在相鄰錐圈之間形成環流。最終,經過各相鄰錐圈分離后的泥沙流進入梭錐管中心處的排沙通道,并經過排沙管排出。

圖2 梭錐管內水沙兩相流運動軌跡

2 錐圈對泥沙沉降特性的影響及其設計參數

前期研究表明梭錐管內特有的錐圈結構加速了泥沙沉降,促進了水沙分離。從梭錐管內特有的流動現象可知,考慮單顆粒或單個絮團的沉降運動時,無論是靜水沉降過程還是動水沉降過程,與普通容器內的泥沙自由沉降相比,錐圈作為梭錐管內泥沙沉降運動過程中重要的邊界條件,迫使泥沙運動軌跡發生變化,即由沿著錐管豎直方向做自由沉降運動變化為自由沉降運動和貼錐圈壁面流動的組合。由泥沙運動力學可知,泥沙自由沉降速度與其粒徑有關,當粒徑不變時,自由沉降距離越短,其沉降時間越短,因此,梭錐管內的自由沉降時間與錐圈間距或個數有關,間距越小,自由沉降時間越短。在泥沙沿錐圈壁斜面下滑運動的階段,泥沙受沿斜面流動方向的合力作用,下滑速度遠大于自由沉降速度。通過錐圈的設置,減小了泥沙自由沉降的時間,加快了泥沙的下滑速度,與普通容器相比,梭錐管內的泥沙下沉同樣的距離所需要的時間大幅度減少,達到了快速分離水沙的目的。考慮泥沙群體沉降時,沙粒之間的相互阻尼使每顆泥沙的沉速都降低。含沙濃度越高,泥沙的沉降速度也越小。但是梭錐管內每一對相鄰錐圈間特有的逆時針或順時針旋轉的循環流促進泥沙顆粒不斷碰撞,形成大于單顆粒的絮凝團,使循環水流攜帶泥沙上升的過程中水流拖曳力小于泥沙自重,從而使泥沙不斷沉降,從循環水流中分離出來。另外,由沉淀理論[7]可知,沉淀效率是沉淀面積的函數,沉淀面積越大,沉淀效率越高。在梭錐管中裝設相互套疊的錐圈后,加大了沉降面積,有利于加速泥沙的沉降。因此,合理的錐圈設計對于梭錐管內的水沙分離至關重要。錐圈的設計主要包括錐圈傾角、錐圈間距和錐圈長度的取值。

2.1 錐圈傾角

由沉淀理論可知,沉淀效率是沉淀面積的函數,沉淀面積越大,沉淀效率越高。錐圈傾角的大小決定了錐圈在水平面的投影面積,因而錐圈傾角是影響泥沙沉降的重要因素。理論上,為了增大沉淀面積,以提高梭錐管中泥沙沉降效率,在錐圈母線長度相同的情況下,錐圈傾角越小越理想,但錐圈傾角過小將影響泥沙沿板面下滑,所以錐圈傾角應滿足以下兩點要求:①落在錐圈壁面上的泥沙能夠順利地下滑;②錐圈水平投影盡可能大,以增大沉降面積。

試驗使用的泥沙中值粒徑為0.019 mm,其中粒徑小于0.01mm的泥沙占35％。粒徑小于0.01mm的泥沙為黏性顆粒,它們之間會發生絮凝現象,即許多顆粒凝聚在一起呈絮團狀[8]。宋根培[9]按含沙量的高低將含黏性顆粒的混合沙群體沉降分為兩類:①離散絮團和離散顆粒的組合沉降(低含沙量);②絮網結構體和離散顆粒的組合沉降(高含沙量)。含沙量的高低界限并不明確,有研究人員提出用200kg/m3作為標準。在梭錐管的水沙分離研究過程中,其待處理渾水含沙質量濃度小于60kg/m3,屬于低含沙量時的離散絮團和離散顆粒的組合沉降,此時離散絮團或顆粒的沉降主要受重力作用。泥沙靜水群體沉速規律十分復雜,其原因主要是絮凝結構的影響,以致目前難以得出比較滿意的結果。但試驗中的含沙水流黏粒含量較小,加之含沙質量濃度較低,與單顆粒沉降類似,少部分微小的絮凝團沉降至錐圈壁上后沿錐圈滑落,因此,本文按照離散顆粒的沉降來考慮離散絮團的沉降。試驗觀察到在自由下沉過程中細顆粒之間相互碰撞形成微小的絮團,直徑約為1 mm。已知泥沙顆粒的密度為2 650 kg/m3,絮團中的孔隙率為0.4[10],其中孔隙全部由水填滿,得泥沙絮團的密度ρs=1 990 kg/m3。渾水的運動黏滯系數ν=1.01× 10-6m2/s,試驗沙的水下自然休止角φ=30°[11]。泥沙沉降到錐圈內表面時,受到水流阻力FD、有效重力G′、壁面支持力FR及摩擦力Ff等的作用,如圖3所示,各力及泥沙絮團所受到的沿斜面方向的合力表達式為

圖3 泥沙顆粒受力示意圖

式中:CD為阻力系數;ω為錐圈斜面上泥沙的下滑速度,mm/s;ρ為水的密度,kg/m3;ds為泥沙絮團粒徑,mm;g為重力加速度,mm/s2;f為泥沙顆粒與斜面間的摩擦因數,f=tanφ[8];β為錐圈傾角。

譚義海等[4]在梭錐管的結構優化試驗研究中錐圈傾角的試驗范圍為β＜70°,本文聯立以上各式,采用試算法求得泥沙絮團在不同β(β＜70°)時泥沙沿錐圈內表面的下滑速度ω,見表1。通過數值分析,對β和ω進行回歸分析,可得

表1 梭錐管內錐圈傾角與泥沙下滑速度的關系

由式(6)可得,當β=80°時,ω最大;當β＜80°時,ω隨β的減小而減小,當β=30°～31°時,錐圈表面產生泥沙淤積。而試驗沙的水下自然休止角φ= 30°,說明泥沙在錐圈上的最小淤積角與泥沙水下的自然休止角有關且略大于自然休止角。因此,當泥沙絮團粒徑不大于1mm時,要保證泥沙沿錐圈內表面快速下滑的最小錐圈傾角應大于31°,最大錐圈傾角應小于80°。梭錐管在水沙分離過程中,上部清水層的厚度決定了流出清水量的多少,清水層厚度越大,相同條件下,流出的清水量越多。因此,在保證泥沙沿錐圈表面快速下滑的基礎上,按清水層面積最大對梭錐管錐圈傾角進行推導計算。

圖4 渾水沉降dt時間后形成的清水層面積示意圖

設無錐圈普通容器和有錐圈梭錐管內渾水沉降分離dt時間后形成的清水層面積分別為s1、s2,其中s1等于圖4(a)中四邊形ABCD的面積。圖4(b)中,AD的長度為b,錐圈母線EJ長度為l,錐圈間距為d,泥沙從初始位置AD沉降到BC,設經過dt時間沉降了dh距離。梭錐管內渾水沉降dt時間后形成的清水層面積為s2(即多邊形FQHE和AFJEDCKLOB面積之和),泥沙是在兩個空間里沉降,即泥沙在錐圈FJE內和錐圈FJE與容器壁面AND所圍成的空間中同時沉降,經過dt時間泥沙從初始位置FE、AF、FJ、JE、ED沉降dh距離至IH、BO、OL、LK、KC。s2/s1表明梭錐管與普通容器中清水面積之比,將其近似看作二者內泥沙沉降速度之比。設f(β)=s2/s1,由于dt和dh較小,可視ABCD為矩形,則

由于梭錐管為對稱裝置,s2為多邊形EJLK、三角形MIE、矩形EKGD面積之和的2倍,故

當f′(β)=0且f″(β)＜0,f(β)取最大值。當cos2β= 0時,f′(β)=0,即β=45°時,f(β)=s2/s1取得最大值。即當式(8)中的b、dh不變時,梭錐管內清水層面積在β=45°時得到最大值。

綜上所述,在設計梭錐管時,錐圈傾角β應滿足以下兩點要求:①錐圈傾角必須大于泥沙水下自然休止角。根據待處理的泥沙粒徑或可能形成絮團的大小確定其水下自然休止角進而確定錐圈傾角的最小值。②在錐圈母線長度確定后,為了使錐圈水平投影盡可能大,即為獲得最大沉降面積時,可取β= 45°。查閱《泥沙手冊》[12]可知,當泥沙粒徑為0.01 mm時,其水下自然休止角為28°～32°;當泥沙粒徑為32 mm時,其水下自然休止角為41°～45°。因此,當梭錐管內形成的泥沙顆粒絮團小于32 mm 時,其水下自然休止角均小于45°,因此錐圈最佳傾角可選β=45°。

2.2 錐圈長度及錐圈間距

錐圈的設置加快了梭錐管內泥沙的沉降速度,然而影響泥沙沉降速度的不僅僅是錐圈傾角。在錐圈傾角已定的情況下,錐圈長度和錐圈間距也會影響梭錐管內泥沙沉降能力,錐圈間距過小會影響清水和泥沙之間的對流,甚至造成錐圈間淤堵。因此,對錐圈長度和錐圈間距進行理論推導,為設計提供參考。將無錐圈普通容器與有錐圈梭錐管進行對比,如圖5所示,假設A處有一沉降速度為v1的泥沙絮團,隨著速度為v2的流體向上運動。在向上運動的過程中,該絮團可能隨水流沿錐圈外壁面AD上升并進入壁面處的清水通道,最終溢出,還有可能在豎直向下的沉降速度v1和上升流速v2的共同影響下沿v3方向運動,由矢量圖分析可知,要使泥沙絮團不隨清水溢出而沉降至錐圈BC上并最終沿錐圈下滑至渾水出口排出,v1、v2的合速度v3與錐圈的交點必須在C點之下,即滿足如下幾何關系:

顯然,在式(11)中,sin2β≤1,由梭錐管結構可知,

而在圖5(b)所示的無錐圈普通容器中,若泥沙絮團以相同的速度v1下沉,流體以相同速度vc=v2sinβ上升,當且僅當v1≥vc時,泥沙絮團才能沉降;否則,泥沙隨水流做上升運動。因此,與無錐圈普通容器相比,有錐圈梭錐管可使泥沙在水流上升速度大于泥沙下沉速度的水流條件下完成沉降運動,而無錐圈普通容器中只有在泥沙沉降速度大于水流上升速度時泥沙才能下沉。以l=1 m,d=5cm,β=45°為例,根據式(11)計算得v2sinβ/v1=10,可知水流上升速度大于10倍的泥沙沉降速度時泥沙依然能夠沉降。這進一步說明,在相同的水沙條件下,加錐圈的梭錐管可使更多泥沙發生沉降,其沉降能力大于無錐圈普通容器。由式(11)可知,泥沙沉降能力與錐圈長度和錐圈間距的比值有關,其比值越大,v2sinβ與v1之比越大,表明泥沙沉降能力越好。因此,設計梭錐管時,在錐圈個數和傾角一定的情況下,選擇較大的錐管長度與錐管間距的比值作為設計值。

圖5 泥沙沉降速度示意圖

3 結 語

本文從梭錐管內特有的泥沙沉降特性出發,重點分析了梭錐管內錐圈對泥沙沉降特性的影響,以絮團為研究對象,通過力學分析和數值分析給出了錐圈傾角、間距及長度的設計原則。在設計梭錐管時,錐圈傾角應該滿足兩點要求:①錐圈傾角必須大于泥沙水下休止角。設計時根據待處理的泥沙粒徑或可能形成絮團的大小確定其水下自然休止角,進而確定錐圈傾角的最小值。②在錐圈長度確定后,為了使錐圈水平投影盡可能大,即為獲得最大沉降面積,取錐圈傾角為45°。同時,在錐圈個數和傾角一定的情況下,選擇較大的錐圈長度和錐圈間距比值作為設計值。

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Water sediment separation mechanism and design parameters of conical circles in shuttle-conical tubes

//LI Lin, TAN Yihai,YANG Haihua,WANG Miao,QIU Xiuyun(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

According to the sediment movement mechanics and precipitation theory,the influences of conical circles in shuttle-conical tubes on sediment deposition characteristics are analyzed based on their unique sediment settlement characteristics.Taking floccules as the study object,the angle range of the conical circles to meet the sediment deposition at greater speed along their inner surface is presented by means of the mechanical analysis and statistical regression.Based on the precipitation theory,the deduced best angle of the conical circles is 45°.The influences of length and spacing of the conical circles on sediment settling velocity are also theoretically derived.The results show that the shuttle-conical tubes can make more sediment settle than the ordinary devices under the same water and sand conditions.The sediment settling velocity relates to the ratio of the length to the spacing.The larger the ratio is,the higher is the sediment settling velocity. Therefore,a larger ratio of the length to the spacing of the conical circles is suggested.

shuttle-conical tube;water sediment separation;sediment deposition;design parameter of conical circle

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.002

TV149.3

A

10067647(2013)03000505

2012-06-29 編輯:駱超)

國家自然科學基金(510091175);新疆水利水電工程重點學科基金(xjzdxk-2002-10-05)

李琳(1979—),女,山東青島人,副教授,博士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:lilin_xjau@163.com