多級斜板式水沙分離裝置試驗

董玉萍,牟獻友,文 恒

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古呼和浩特 010018)

多級斜板式水沙分離裝置試驗

董玉萍,牟獻友,文 恒

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古呼和浩特 010018)

采用渠化設計的方法對垂向異重流式混合流體分離鰓進行結構優化,在不同流量、不同含沙量、不同斜板間距組合條件下,對該優化的多級斜板式水沙分離裝置進行了動水循環試驗。試驗結果表明:渠化設計后,清水流與沉降泥沙各行其道,大幅度減小了相互間的擾動;溢流泥沙中值粒徑隨進流流量的增大不斷增大,隨進流含沙量的增大逐漸減小;出流含沙量隨斜板間距減小而降低;在流量為0.9 m3/h時該裝置水沙分離效果最好,泥沙分離率在80％以上,最高可達到93％。

斜板沉淀池;分離鰓;水沙分離;渠化設計;分離率

內蒙古地區水資源匱乏,黃河作為該地區的重要水源之一,為該地區工農業發展作出了突出的貢獻,如何高效、合理地利用黃河水資源成為目前重要的研究課題之一,在農業生產中推廣滴灌、噴灌等節水灌溉措施將成為今后農田灌溉的必然選擇[1-3]。由于黃河水含沙量高,泥沙顆粒細,極易堵塞灌水器的出水孔[4],嚴重制約了微灌技術在黃灌區的推廣與應用,目前解決這一問題主要還是通過沉淀池沉淀的方式進行水沙分離,不僅建設投資大,周期長,而且分離效率較低[5],在農業生產中推廣應用有很大的局限性。20世紀70年代后出現的斜板沉淀池具有沉淀效率高、占地面積小等優越性,很快在水處理中得到廣泛應用[6]。

斜板沉淀池是在1904年美國學者Hazen提出的淺池理論上發展形成的[7],經過數十年的發展,斜板沉淀池的結構形式不斷優化。劉振中等[8]對異向流斜板沉淀池進行了優化設計研究,使其在滿足沉淀效率及水力條件的情況下,沉淀池的建設費用最小。方永忠等[9]將傳統上向流斜板由水平排列方式改為垂直排列方式,設計出一種新的沉淀分離裝置與工藝。邱秀云等[10-12]發明了垂向異重流式混合流體分離鰓,使得斜板沉淀池的沉淀效率得到很大提高。

斜板沉淀池雖然得到廣泛應用,但有其自身的不足,如結構方面設計不夠合理,使斜板上積存泥沙,水流挾沙能力下降;沒有直接的排除泥沙通道,泥沙沉降顆粒雜亂無章等,這導致工程投資費用增加。本文對邱秀云等發明的垂向異重流式混合流體分離鰓進行改進,對該分離鰓結構進行完善,通過試驗研究分析改進后的裝置水沙分離效果,為內蒙古地區引黃滴灌工程提供技術支撐。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

對垂向異重流式混合流體分離鰓做如下改進:對頂層斜板和底層斜板的設置做適當調整,在泥沙沉降部位增加擋沙板,形成排沙槽,并在排沙槽底部增加排沙孔。通過這些特殊構造措施,促使水流按照設計路徑通過斜板裝置,沉淀的泥沙按照特定的路徑下沉,并集中在模型的排沙孔處,由排沙孔排出。這種設計可使進入裝置的渾水、分離后的清水及分離的泥沙各行其道,避免了它們之間相互擾動、混摻,提高了試驗裝置的工作效率,如圖1和圖2所示。本文將此優化設計稱之為渠化設計,優化設計后的裝置稱為多級斜板式水沙分離裝置。

圖1 試驗裝置

圖2 水沙分離試驗裝置系統布置示意圖

裝置的斜板參考文獻[10]進行設置,即斜板與長、寬方向分別保持45°和60°的夾角不變,并作如下改進:①分離鰓側壁不打小孔;②增加了擋沙板,使泥沙顆粒有秩序地進入排沙通道,避免上升水流對下沉泥沙的擾動;③如圖2(b)所示,頂層斜板的前后邊緣、低端邊緣與側壁密封,底層斜板的前后邊緣、高端邊緣與側壁密封,中間斜板的前后邊緣與側壁密封;④將3個同樣大小的水槽集成3級串聯水沙分離裝置,第1級、第2級、第3級斜板間距依次為9 mm、6 mm、3 mm。在試驗裝置的第1級、第2級、第3級布置不同的斜板間距,是為了使不同顆粒粒徑泥沙逐級分離出來。斜板間距大,能沉降粗顆粒,但細顆粒不能在此斜板范圍內沉降,只能進入下一級,這樣經過3級分離以后基本可以保證將大部分泥沙顆粒分離出來。

試驗裝置系統布置如圖2所示,將配置的特定含沙量的渾水注入水箱,攪拌均勻后,由渾水泵抽入試驗裝置系統,經進水管、流量計進入第1級水沙分離裝置,分離出來的清液經溢流口、輸水槽、進水口進入第2級水沙分離裝置,將第1級分離出的渾液經排沙槽、排沙管排入水箱;第2級、第3級水沙分離流程同第1級。在進水管、排沙管、出水管均設有取樣口,試驗過程中隨時取樣,測試含沙量、流量及顆粒粒徑。

試驗儀器包括誤差不超過1％的渦輪流量計、1000 mL量筒、100 mL的比重瓶、精度為1/1000 g的電子天平、BT-2002激光粒度分析儀、渾水泵、攪拌泵、秒表、數碼相、溫度計。

1.2 試驗材料

黃河水流經地域不同,其泥沙顆粒級配也有差別[13]。試驗所用泥沙取自呼和浩特市托克托縣樹林揚水站下游200m渠底。采用BT-2002激光粒度分析儀對所采試樣進行顆粒分析,測試分析結果表明泥沙中值粒徑為81.69 μm,最大粒徑為312.56 μm,顆粒分布如圖3所示。

圖3 泥沙顆粒分布曲線

1.3 試驗方案與內容

試驗是在保證各級流速相同的條件下,測量溢流口及排沙孔的流量、含沙量及顆粒分布,研究渠化設計措施對水沙分離裝置分離效果的影響。試驗過程中采用0.4m3/h、0.6m3/h、0.9m3/h、1.3m3/h這4種流量和2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3這5種進流含沙量兩兩組合成20個試驗方案。

根據試驗方案,主要從以下幾個方面進行試驗研究:①觀察水流及沉淀泥沙在試驗裝置中的運動路徑,驗證渠化設計的合理性;②研究進流流量、各級流速及排沙孔流量一定時,流量與溢流含沙量之間的關系,流量、進流含沙量對溢流泥沙中值粒徑的影響,斜板間距與進、出流含沙量的關系;③確定合理的工作參數。

2 試驗結果與分析

試驗過程中可直觀地觀測到濁液經過斜板以后,清液上升,從裝置上部溢出,被分離的泥沙則不斷沿斜板向一側匯集于斜板與豎壁的V形夾角處,進而滑入排沙槽內,在各級排沙槽內均可形成較高含沙量的泥沙沉降帶,且各級分離裝置內的含沙量逐級遞減。經過3級分離裝置分離后,可以保證得到含沙量較小的溢流液,如圖4所示。

圖4 不同進流含沙量下排沙槽內的泥沙沉降情況

2.1 流量與溢流含沙量的關系

如圖5所示,試驗開始時,溢流含沙量隨流量的增大而增大;當流量達到0.6 m3/h時,溢流含沙量趨于穩定;當流量增大到0.9 m3/h即過流斷面流速為13.5 mm/s時,溢流含沙量隨流量的增大呈線性增長。根據淺池理論,由于流量增大,斜板間斷面流速也增大。泥沙顆粒的實際運動速度是過流斷面速度和該泥沙顆粒沉降速度的矢量和,而泥沙顆粒的相對沉降速度不會因斷面流速改變而改變,當過流斷面流速達到13.5mm/s以后,濁液中的部分泥沙無法在斜板范圍內沉降到斜板上。所以對于本實驗裝置,進流流量控制在0.9m3/h之內時,分離效果較好。

2.2 流量、進流含沙量對溢流泥沙中值粒徑的影響

由于進流的流量、含沙量不同,使得溢流口的溢流泥沙顆粒粒徑大小也有所不同。圖6為流量、進流含沙量與溢流泥沙中值粒徑的關系曲線,可以看出:隨著進流流量的增大,溢流泥沙中值粒徑呈不斷增大的趨勢,這與淺池理論相符。流量小于0.6 m3/h 時,溢流泥沙中值粒徑變化不大,說明此時溢流泥沙已無法通過該裝置分離出來。在相同進流流量條件下,溢流泥沙中值粒徑隨著進流含沙量的增大而逐漸減小,這與試驗用沙是天然混合沙,其中包含6.2％的小于10μm的細顆粒成分有關:當含沙量較低時,泥沙顆粒沉降彼此互不干擾;當含沙量小于15 kg/m3時,隨著含沙量逐漸增大,泥沙顆粒之間連接成為絮團,其沉速大于單顆粒泥沙的沉速,這就使得部分細顆粒泥沙隨絮團一起沉降下來,水中所剩下的泥沙顆粒隨著進流含沙量的加大而逐漸變小,直至在動態水循環下這些極細泥沙顆粒不能沉降[14-15],所以溢流泥沙中值粒徑隨進流含沙量增大而逐漸減小。

圖5 不同進流含沙量下流量與溢流含沙量的關系

圖6 不同進流含沙量下流量與溢流泥沙中值粒徑的關系

2.3 試驗裝置的泥沙分離率

用試驗裝置各級分離出的泥沙量與進流所含泥沙總量的比值表示試驗裝置各級的泥沙分離率。如圖7所示,試驗裝置的泥沙分離率在80％以上,流量控制在0.6～0.9m3/h,則可以達到93％。由圖7還可看出:①隨著流量的增大,總的分離率呈降低的趨勢,但是隨著進流含沙量的增大這種降低的趨勢越來越不明顯;②第1級分離裝置的分離率隨著流量的增大而明顯下降,而第2級及第3級分離率較為穩定,略有上升。分離率試驗結果不但很好地印證了前文結論的正確性,同時也說明了本裝置的高效性和實用性。

2.4 進、出流含沙量關系

在0.9m3/h流量下,第1級、第2級和第3級裝置(斜板間距分別為9mm、6mm、3mm)的進、出流含沙量關系如圖8所示。由圖8可知,在同一進流含沙量下,隨著進流含沙量的增大,出流含沙量呈現逐漸增大的趨勢,近似呈線性關系;同時隨著斜板間距的增大,出流含沙量明顯增大,分離效果不如斜板間距較小的試驗組。這種試驗現象可用淺池理論來進行解釋:對于某一固定的斜板間距,經過斜板區段所分離的泥沙量與斜板的面積正相關,所以分離的泥沙量與水流的挾沙總量近似呈正比例關系;當斜板間距增大時,斜板的面積便相應減小,裝置的分離能力自然會降低。

圖7 不同進流含沙量下的試驗裝置泥沙分離率

圖8 不同斜板間距的進、出流含沙量關系

2.5 裝置的實用性分析

若將本裝置推廣應用于引黃滴灌等工程中,根據相似原理“重力相似準則”測算,本裝置長0.21 m、寬0.11 m、高0.61 m,最佳流量按0.9 m3/h計,工程實際中設該裝置的高度為2.5 m,經計算可知,實際流量可達30.6 m3/h,可以滿足一般的滴灌工程中干支管流量25～50 m3/h的要求。

3 結 論

a.經過渠化設計以后,可以促使水流按照設計路徑通過斜板,沉淀的泥沙通過排沙槽下沉,并集中在模型的排沙孔處,經排沙孔排出,在整個分離、沉降的過程中上升水流與沉降泥沙被隔離開,大幅度減小了相互間的擾動。

b.當流量在0.9m3/h左右時,進流含沙量與出流含沙量近似呈線性關系,該裝置分離效果較好,泥沙分離率在80％以上,最高可達到93％。

c.在最佳參數組合下,溢流泥沙中值粒徑隨著進流流量的增大不斷增大,隨著進流含沙量的增大而呈逐漸減小的趨勢。

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Experimental study on the water-sediment separator with multilevel inclined plates

//DONG Yuping,MOU Xianyou, WEN Hen(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agriculture University,Hohhot010018,China)

Channelization design method has been employed for structural optimization of the vertical-component density flow separation devices for mixed fluids.Dynamic water cycle experiments have been conducted for the optimized watersediment separation devices with multiple inclined plates under different discharges,sediment concentrations and distances between plates.Experimental results show that mutual perturbations between clear flow and sediments are greatly reduced through a channelization design.The median size sediments of overflows are increased with an increasing discharge and decreased with an increasing sediment concentration of inflow.The sediment concentration of outflow is decreased with a decreasing distance between plates.The optimal discharge of the device is found to be 0.9m3/h.The water-sediment separation rate is greater than 80％,and with a maxima of 93％at the optimal discharge.

inclined plate sedimentation tank;flow separation device;water-sediment separation;channelization design; separation rate

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.012

TV149.2

A

10067647(2013)05005205

20121126 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金(50669001)

董玉萍(1985—),女,內蒙古開魯人,碩士研究生,主要從事工程水力學及水工模型試驗研究。E-mail:dongyp0119@126.com

牟獻友(1969—),男(蒙古族),內蒙古赤峰人,教授,博士,主要從事工程水力學及水工建筑物研究。E-mail:mouxianyou@163.com