排沙漏斗懸板徑向坡度對流場影響的試驗研究

吳洋鋒 李琳

摘要：為了弄清楚溢流懸板徑向坡度改變對排沙漏斗流場的影響，通過物理模型試驗方法，利用粒子圖像流場測速技術（PIV）對懸板徑向坡度分別為0、0087、0173、0259時的排沙漏斗模型三維速度場進行了量測，并結合排沙漏斗工作原理對各工況下的切向速度、徑向速度、垂向速度及流線進行了對比分析。結果表明：隨著懸板徑向坡度增加，漏斗室內旋流強度增大，空氣渦面積增大，排沙耗水率降低，泥沙顆粒向室內運動機率增大，淤積在懸板上的可能性減小；懸板坡度對漏斗室內的二次流強度和形成位置影響較大，其中坡度為0173時二次流最為穩定，坡度為0259時，無二次流形成，不利于底部泥沙輸移至排沙底孔；垂向速度分布結果表明坡度為0259時過渡區垂直向上流速較少，泥沙落淤懸板或者隨流溢出的機會最小，但垂直速度相比切向速度和徑向速度而言較小，且過渡區范圍很小，對懸板落淤和截沙率的影響可以忽略不計。

關鍵詞：溢流懸板徑向坡度；PIV；流場特性；排沙耗水率；二次流

中圖分類號：TV673文獻標志碼：A文章編號：16721683（2018）03016207

Experimental study on influence of radial slope of suspended slab on flow field of vortex settling chamber

WU Yangfeng，LI Lin

（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：In order to find out the influence of the change of the radial slope of overflow suspended slab on the flow field of the vortex settling chamber，through physical model tests，we used the particle image flow velocity measurement technique （PIV） to measure the threedimensional velocities of the vortex settling chamber with the radial slope of suspended slab at 0，0087，073，and 0259.With consideration to the working theory of vortex settling chamber，we compared and analyzed the tangential velocity，radial velocity，vertical velocity，and streamline of each working condition.The results showed that with the increase of the radial slope of the suspended slab，the swirling intensity in the vortex settling chamber increased，the air vortex area increased，the water consumption rate decreased，the probability of sediment particles moving to the interior increased，and the possibility of deposition on the suspended slab decreased.The slope of the suspended slab had a great influence on the strength and formation position of secondary flow in the vortex settling chamber.The secondary flow was the most stable at a slope of 0173.No secondary flow was formed when the slope was 0259，which was not conducive to the transport of bottom sediment to the bottom hole of sediment discharge.The results of vertical velocity distribution showed that when the slope was 0259，the vertical upward velocity of transition zone was small，and there was a minimum chance of sediment silting or overflowing.However，the vertical velocity was smaller than tangential velocity and radial velocity，and the transition zone was very small.The influence of vertical velocity on the deposition and sediment interception rate of suspended slabs was negligible.

Key words：radial slope of overflow suspended slab；PIV；flow field characteristics；water consumption rate for sediment discharge；secondary flow

排沙漏斗是一種應用非常廣泛的二級泥沙處理設施[1]。溢流懸板是排沙漏斗的重要組成部分，懸板的設置可有效防止粗顆粒泥沙在漏斗進口淤積，同時可以迫使較細的泥沙隨水流沿漏斗繞行一周，在水流穩定區沉降并通過底孔排出，更有效地排除細顆粒泥沙[24]。此外，設置懸板后，漏斗室內的空氣漏斗有所減小，可大大減小排沙耗水量[56]。近年來工程實踐表明，在處理高含沙且含極細沙水流的懸沙排沙漏斗工程中時常發生懸板塌落破壞事故，致使排沙漏斗失效。如陜西涇惠渠排沙漏斗工程設計引水流量40 m3/s，處理最大含沙量200 kg/m3，泥沙處理粒徑00005～01 mm，運行過程中懸板塌落破壞，漏斗被迫停止使用[7]。又如新疆喀什一級電站排沙漏斗工程設計引水流量462 m3/s，處理最大含沙量347 kg/m3，泥沙處理粒徑0002～2 mm，運行過程中懸板塌落破壞，漏斗功能喪失[8]。有文獻[9]分析懸板塌落破壞的原因之一是傳統的排沙漏斗溢流懸板為半圓形，呈水平布置，運行過程中溢流懸板上泥沙落淤量遠遠超出設計荷載，使懸板及其支撐系統失穩而坍塌。優化懸板布置形式減少泥沙落淤量使懸板正常發揮其功能是保證排沙漏斗有效處理懸移質泥沙亟待解決的問題。

近二十年來，有許多學者對排沙漏斗進行研究。周著等[10]通過模型試驗和原型觀測結果分析了排沙漏斗的排沙原理和排沙效果。侯杰[11]，王順久[12]，邱秀云[13]，唐毅[14]對排沙漏斗模型流場進行了研究，揭示流場特性對泥沙分離和輸移的影響機制，認為切向流速主要起維持渦旋強度的作用，向下的軸向速度和指向中心的徑向速度起促進泥沙的沉降和向排沙底孔輸運的作用。顯然，排沙漏斗三維流場特性對其泥沙沉降速率、截除率和排沙耗水率有著重要影響。為了解決懸沙排沙漏斗懸板上的泥沙落淤問題，文章提出將懸板由水平放置改為沿徑向向漏斗中心傾斜放置，使懸板在徑向形成一定坡度，以期減少泥沙落淤于懸板。但懸板徑向坡度改變如何影響排沙漏斗三維流場進而如何影響排沙效果和排沙耗水率的研究尚未開展相關研究。因此，文章通過系列試驗應用PIV對溢流懸板徑向坡度不同的排沙漏斗內三維速度場進行了量測，基于量測結果分析懸板徑向坡度變化對漏斗室內三維流場的影響，為優化懸板布置提供參考。

第16卷 總第96期·南水北調與水利科技·2018年6月吳洋鋒等·排沙漏斗懸板徑向坡度對流場影響的試驗研究1試驗模型及方案

11試驗模型

喀什一級電站排沙漏斗工程是處理懸移質泥沙的二級排沙設施，原型觀測結果表明該排沙漏斗對粒徑為0002 mm以上的泥沙截除率可達70%。因此，文章以該漏斗工程為原型，依據重力相似準則設計模型。模型幾何比尺為1∶273，原型校核流量為571 m3/s，漏斗直徑為60 m、漏斗室底坡1∶5，排沙底孔孔徑15 m。制作全透明有機玻璃的排沙漏斗模型，其中進水矩形涵洞寬44 mm，高88 mm，漏斗直徑220 mm，錐底坡度1∶5，底孔直徑55 mm，溢流懸板置于進水涵洞上方距離進水涵洞頂部1445 mm，懸板寬度為44 mm，長度為漏斗半周長。試驗中將懸板自漏斗邊墻向漏斗室中心傾斜，使其在徑向形成一定坡度i，具體布置形式見圖1。模型進流量Q= 0079 L/s，懸板徑向坡度i分別為 0、0087、0173、0259。

12試驗方案

試驗采用北京尚水信息技術股份有限公司自主研發的PIV測速系統，由CCD采集相機、光源組件和同步控制器組成[1519]。其中，CCD采集相機的測速范圍為0～1 000 m/s，分辨率最大為2 320×1 726像素。光源組件包括連續激光器和棱鏡，其中連續激光器工作波長532 nm，功率5 W，功率穩定性為5%，棱鏡采用帶機械件的60°鮑威爾棱鏡，可使激光束通過后最優化地劃成光密度均勻、穩定性好、直線性好的直線。使用同步控制器精確控制兩個相機的采集頻率和曝光時間。為滿足PIV測量要求，在排沙漏斗模型的外側罩上一個方形透明的有機玻璃盒子，里面裝滿與試驗相同的工作介質[2022]。

試驗選用的PIV專用示蹤粒子主要成分為SiO2，粒徑約為8～12 um，密度約為11 g/cm3。示蹤粒子的尺度足夠小且與被測流體的比重相差不大，其形狀接近球形，具有足夠高的散射率。示蹤劑撒布濃度為8 mg/L，示蹤粒子分布均勻、流動跟隨性高，其運動能真實反映流體運動狀態，試驗系統為循環系統。進流量Q0、溢流流量Q1均由稱重法測得。

在懸板徑向坡度不同時，分別對排沙漏斗的不同水平測試面及徑向測試面進行二維PIV拍攝。根據裝置的幾何結構以及PIV系統中CCD相機的視場大小要求，拍攝水平面時CCD相機軸線垂直于排沙漏斗的水平測試面，柱體的中心軸線垂直于激光片光，相機鏡頭與被拍攝的面之間的距離約為60 cm[23]。以排沙漏斗進水渠底所在水平面z=0 mm為基準面，選擇z=24 mm、z=10 mm、z=-85 mm作為水平測試面（見圖2（a））。拍攝垂直測試面時激光片光面通過排沙漏斗中心軸線，選取以x正半軸繞中心軸逆時針旋轉90、270后所在的垂直面為測試面（見圖2（b）、（c））。在每個試驗工況下，CCD相機拍攝200張示蹤粒子圖像，然后在PIV后處理計算系統里對其進行互相關計算，對200張測試結果取平均，并通過Tecplot進行數據的顯示和提取。

2試驗結果及分析

21水平測試面流速

懸板徑向坡度i不同時水平測試面z=24 mm、-85 mm的x，y方向速度u，v的合速度V=u2+v2的速度及流線如圖3、圖4所示。圖中r/R為測點所在徑向位置與漏斗室半徑的比值。因受壁面圓弧邊界的限制，測點不能剛好布置于邊界上，導致了圖3、圖4中流場邊界上及其附近處流場速度缺失，流場邊界呈折線型，但由于壁面邊界附近處流場同時受壁面激光反射光的影響較大，因此本文不考慮邊界附近處流場速度的缺失影響。從圖3、圖4可以看出，漏斗室內平面旋流速度隨i增大而增大。受漏斗中心空氣 渦旋轉影響的旋流環狀區域面積和流速均隨i的增大而增大。如平面z=24 mm、-85 mm上，空氣渦邊緣處的速度值由022 m/s、028 m/s（i=0）增至036 m/s、036 m/s （i=0259），增加了64%和29%；位于平面z=24 mm的漏斗近邊墻區的合速度值由017 m/s增至025 m/s增加了47%。不同坡度i下，懸板末端出口處的低速區（圖3（a）中A）面積隨著i的增大而減小。i=0時，空氣渦外圍為環形低速帶（見圖3（a）03

懸板徑向坡度增加，漏斗室內旋流強度隨旋流速度增加而增強，離心慣性力增加，有利于水沙離心分離。與i=0時相比較，i>0后懸板及其上方水體作用于懸板下方水體的垂向和徑向約束增強，減少了水流沿徑向向中心和沿垂向向上的擴散，離心力作用增強，使水流經有壓涵洞進入漏斗室后繼續保持較大旋轉速度有壓運行，有利于維持水流旋流強度。如試驗中進水涵洞內的速度為02 m/s，i=0和0259時，

懸板下方水流平面旋轉合速度為016 m/s和018 m/s。i>0懸板上方水體受到了懸板的支持力，支持力的水平分力與離心力方向相反，與徑向的壓力差方向一致，i越大懸板上方的壓力體越重，指向中心的水平分力和沿斜面向下的垂直分力越大，與i=0相比，i>0時泥沙顆粒在水平分力和垂直分力作用下向室內運動機率增大，淤積在懸板上的可能性減小。

試驗量測中發現排沙底孔孔徑和進流量保持不變，空氣渦位置基本位于漏斗中心，懸板坡度的改變對其影響較小，但是空氣渦的面積隨懸板徑向坡度的增大而增大，排沙耗水率隨其增大而減小。如空氣渦面積（xoy平面）由i=0時的113 mm2增加至i= 0259時的380 mm2，增加了236%（見表1）。

從圖3所示的流線可以看出，排沙漏斗溢出水流（圖3（a）中B區）主要由I、II兩部分組成，I部分是指經懸板末端發出并沿近邊墻區（095< r/R<1）逆時針旋轉運動約270°后至溢流口后溢出的水流，II部分是指進入漏斗室中心區域（03

22 徑向測試面流速

選取典型工況下90斷面和270徑向斷面垂向速度w和徑向速度v的合速度w2+v2矢量如圖5、圖6所示。圖中Z/H表示測點所在z軸位置與漏斗室高度（自底孔至漏斗頂部的距離）的比值。從圖中可以看出，與前人研究結果[24]一致，當i=0時，90斷面上受懸板溢出水流的影響，水流在大部分區域有向上的垂向速度和指向邊壁的徑向速度，懸板上方徑向流速達到最大。懸板下方受二次流的影響表現出靠近底板區域速度較大，且受底坡影響愈靠近錐體排沙底孔速度越大（如圖5（a）），二次流是排沙漏斗將通過離心分離至邊墻附近和重力沉降至底板處的泥沙排出的關鍵[25]。當i從0增大至0259，垂直面上合速度隨之增大，二次流位置和強度隨之變化。當i=0259時，90和270斷面上均無二次流現象，受懸板向漏斗中心傾斜的影響，懸板近區徑向流速均指向邊壁，不利于泥沙排出；270斷面上底板附近速度矢量較大且指向排沙底孔，但是其余區域的速度矢量水平指向圓心，不利于泥沙沉降和離心分離。i=0173的90和270斷面上二次流強度和范圍較i=0明顯增加，斷面上靠近空氣渦附近的大部分徑向速度在離心力作用下背離圓心，在90斷面上受懸板下方指向圓心的速度的影響在近懸板區域出現回流漩渦，延長了泥沙停留時間。在270斷面上形成穩定的二次流，且二次流強度明顯大于i=0工況，有利于延長泥沙停留時間和加速底部泥沙排出。

23典型測線速度分布

不同懸板徑向坡度時排沙漏斗典型測線的切向和垂向速度如圖7、圖8所示。圖7為不同水平測試面上x=0測線上的切向速度，規定切向速度逆時針旋轉為正。由圖中可以看出，懸板徑向坡度改變對漏斗室內的渦流特征無影響，不同i時，同一水平面上的渦流特征相同。但是在相同i時，漏斗柱體區（z=10 mm）和錐體區（z=-85 mm）表現出的渦流特征不相同。柱體區內，0

圖8為90°和270°徑向測試面在z=224 mm測線上的垂向速度，其中r/R> 0和r/R<0分別為90°和270°一側的垂向速度，速度大于0表明水流沿z軸正方向運動，否則，沿負方向運動。從圖中可以看出，在02

3結論與展望

文章研究了懸板徑向坡度對排沙漏斗內流場的影響，通過PIV測量不同懸板徑向坡度下排沙漏斗內水平測試面、徑向測試面、典型測線的速度分布，對比分析懸板徑向坡度改變對排沙漏斗的截沙率、排沙耗水率和水沙分離的影響，主要得出以下結論。

（1）懸板徑向坡度改變對漏斗室內的渦流特征無影響，不同i時，同一水平面上的渦流特征相同。柱體區流場是強迫渦和自由渦的耦合，錐體區內為自由渦。懸板徑向坡度改變對空氣渦的位置基本無影響，但空氣渦面積隨懸板坡度增大而增大，排沙耗水率減小。

（2）隨著i的增大，漏斗室內旋流強度隨切向速度增大而增強，離心慣性力增加，有利于水沙分離。懸板坡度增大，作用于懸板上方水體指向漏斗中心的水平分力和沿懸板向下的垂直分力越大，泥沙顆粒在水平分力和垂直分力作用下向室內運動機率增大，淤積在懸板上的可能性減小。

（3）懸板徑向坡度改變影響了水流在漏斗內的運動路徑，水流溢出前在漏斗室內的運動路徑隨i從0增大至0259而隨之增長，有利于延長泥沙在排沙漏斗內的停留時間，使其被分離機會增加。

（4）懸板徑向坡度改變對徑向測試面中二次流的強度和位置影響較大，i=0173時，二次流強度較其它i下的大，可加速底部泥沙的輸出，提高截沙率。i=0259時，90°和270°斷面上均無二次流形成不利于泥沙排出。

（5）垂向速度分布結果表明坡度為0259時過渡區垂直向上流速較少，泥沙落淤懸板或者隨流溢出的機會最小，但垂直速度相比切向速度和徑向速度而言較小，且過渡區范圍很小，對懸板落淤和截沙率的影響可以忽略不計。

文章僅從清水流場的角度從理論上分析了懸板徑向坡度改變后排沙漏斗內三維流場特性的變化對水沙分離效果的影響，文章的結論尚需要通過渾水模型試驗進行驗證。

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