旋流排淤器進(jìn)口流速場試驗研究

，琦杰，凌峰

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450045)

隨著中國水利事業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)中葉建設(shè)的多數(shù)水庫泥沙淤積問題日益嚴(yán)峻。針對水庫泥沙淤積問題，中國的水利工作者探索出了蓄清排渾、引洪淤灌、機(jī)械排淤等多種措施，以求“攔、排、用”等技術(shù)手段處理泥沙,以緩解水庫淤積，提高水庫的興利效益。就水庫防治措施而言，總體上可分為三大類：減少入庫泥沙、排渾減淤及排淤，但運行管理均較復(fù)雜、成本費用較高[1]。

20世紀(jì)60年代美國、日本、印度、巴基斯坦和尼泊爾等國家開始對渦管螺旋流排沙進(jìn)行試驗研究，之后渦管螺旋流排沙技術(shù)在一些地區(qū)得到了實踐運用[2-3]。

中國對螺旋流排沙的研究始于20 世紀(jì)70 年代末, 西北水科所王慶祥等[4](1986年)較早進(jìn)行了理論分析和模型試驗。20世紀(jì)90年代，太原理工大學(xué)水力系的一些研究者將圓管螺旋流引入了輸沙領(lǐng)域，對其水利特性[5]、固粒的軌跡與分布[6]、輸送能耗[7]、模型相似率[8]以及圓管螺旋的起旋方式[9]等方面進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。圓管螺旋流輸沙這一輸沙方式，可大大降低管內(nèi)流速，并使工程的高濃度、低耗能成為可能，對于管道朝著安全型、節(jié)能型的方向發(fā)展有著重要的意義[10]。

螺旋流輸沙的技術(shù)關(guān)鍵首先是如何在管道中產(chǎn)生螺旋流[11]。螺旋流常規(guī)的產(chǎn)生方法一般有3種：安裝導(dǎo)流片、切向進(jìn)流及旋轉(zhuǎn)管道[12]。按照起旋器的結(jié)構(gòu)又可分為: 局部起旋方式的起旋器、全程起旋方式的起旋器、切向進(jìn)流方式的起旋器、軸對稱面內(nèi)小孔徑向向心射入的進(jìn)流方式起旋器、環(huán)狀軸對稱開口徑向進(jìn)流加錐形收縮管方式起旋器、能產(chǎn)生螺旋流的彎頭起旋器等6種[13]。

但在利用螺旋流輸送之前的工作，首先的問題是讓泥沙再起動。本文提出的旋流排淤器，即旋流吸泥頭，采用切向進(jìn)流的方式產(chǎn)生盤狀螺旋流，利用吸泥頭與淤積泥沙之間的導(dǎo)流縫隙產(chǎn)生高速水流使泥沙起動并進(jìn)入螺旋輸送管道中，因此螺旋吸泥頭是圓管螺旋流輸沙運行的核心裝置。本文針對排淤器不同導(dǎo)流布置方式的優(yōu)劣進(jìn)行試驗研究，探討不同導(dǎo)流安放角對排淤器進(jìn)口流速場的影響，為排淤器有效排淤建立基礎(chǔ)。

1 排淤器原理

旋流排淤器工作原理及排淤器模型見圖1。排淤器利用上下游水頭差將夾帶泥沙的高速水流吸入排淤器中，起旋部位在頭部圓錐過流面，過流面設(shè)置多條起旋條，目的是引導(dǎo)水流切向進(jìn)入旋流管。水流在壓力差作用下，從四周進(jìn)入圓盤狀的縫隙，以螺線形式到達(dá)中部，使其與管壁相切，并從旋流管中排出[14]。

排淤器的主要控制因素包括起旋條及其安放角。起旋條，即在排淤器圓盤過流面引導(dǎo)水流進(jìn)入旋流管，同時使水流在橫截面方向產(chǎn)生旋流的裝置。起旋條安放角，即起旋條兩端相切平面相交形成的夾角，見圖1 c。起旋條安放角的變化對排淤效果的影響不僅體現(xiàn)在引導(dǎo)水流行進(jìn)方向方面，也同時體現(xiàn)在改變水流流程大小方面。安放角增大，則流程加長，沿程水頭損失與局部水頭損失發(fā)生相應(yīng)變化，同時中心旋流管切向流速也產(chǎn)生變化。

多年的室內(nèi)試驗和工程應(yīng)用結(jié)果表明：螺旋流排沙的確具有排沙效率高、消耗水量少、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)點，它對排除水庫電站和灌溉引水渠道的推移質(zhì)泥沙是行之有效的。

2 試驗研究內(nèi)容、設(shè)備及方案

2.1 試驗研究內(nèi)容

本試驗旨在研究基于螺旋流排沙原理的旋流排淤器的進(jìn)口的流速場，選取圓管螺旋排沙器進(jìn)口流場作為研究方向，著力研究在其他條件選定的情況下，5個不同的起旋條安放角(分別為10°、15°、20°、30°和45°)對吸泥頭中心旋流管的切向渦流流速的影響，從而得到旋流管切向流速在安放角變化時的變化趨勢，確定中心旋流管切向流速最大、也就是挾沙能力最強(qiáng)時的起旋條安放角。

2.2 試驗設(shè)備

本試驗設(shè)備主要由可調(diào)頻潛水泵、簡易水池、螺旋吸泥頭、吸泥頭固定裝置、含壁面測壓孔的吸泥頭蓋板、壓力傳感器、輸水管路等組成(圖2)。

由于實際工作情況下吸泥頭朝下，如在試驗中如此布置對流速等數(shù)據(jù)的測量工作較為不利。因此在測量試驗中選擇忽略重力影響，圖2所示將吸泥頭倒扣朝上，使用頂蓋模擬實際情況下的庫底泥沙面，同時在頂蓋面鉆孔布置測量儀器，方便數(shù)據(jù)采集。試驗設(shè)備示意及9個測量點位見圖3、表1。

測點編號與旋流管中心距離142638410512614716818920

為避免測量點過密導(dǎo)致測量區(qū)域的流場變化，9個測量點分布在3個相鄰的過流區(qū)中；7個同心圓將頂蓋圓臺的母線8等分，相鄰圓半徑差為2 cm；起旋條模擬線將原先由起旋條八等分的3個過流區(qū)再次等分；7條曲線及內(nèi)外邊界圓上的9相交點即為測量點。在起旋條安放角不斷變化的情況下，測量點的位置也相應(yīng)不斷微調(diào)。

與測壓孔相連的壓力傳感器共10組，除9個頂蓋壓強(qiáng)測量點外，加設(shè)1個靜水位水頭測量管來監(jiān)控實驗過程中的水池靜水位變化。本試驗控制控制水池靜水水頭不變，分別測量10°、15°、20°、30°、45° 5個起旋條偏轉(zhuǎn)角配置在10個水流流量梯度下各個測量孔位的流速分布，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組對比。流量選擇7 000～20 000 L/h，在8 cm內(nèi)徑旋流管中的總體軸向流速范圍為0.387～1.11 m/s。

2.3 試驗方案

由于試驗?zāi)Ｐ推鹦龡l高度較小(12 mm)，無法打孔插入ADV、旋槳流速儀等流速測量設(shè)備，因此由直接測量流速v轉(zhuǎn)為測量壁面壓強(qiáng)p。根據(jù)伯努利能量方程變形：

(1)

保持水池水位始終不變，z1=z2為常數(shù)。水泵開啟前處于靜水狀態(tài)，v1=0。式(1)可改寫為：

(2)

式中 Δp=p1-p2。由此，通過測量過流區(qū)的頂蓋壁面壓強(qiáng)可以得到測量點的流速v2。

其中2—9號測量點的測量值為每個過流區(qū)中心的水流流速；1號測量點緊貼中心旋流管管壁，體現(xiàn)的是旋流管切向漩渦流速。在突出螺旋管流節(jié)水、節(jié)能優(yōu)勢的背景下，控制入流總水頭不變，旋流管內(nèi)切向旋流流速越大，則軸向推進(jìn)流速越小，水流流量越小，耗水量越小，同時挾沙能力也越強(qiáng)。因此，5個安放角的系列試驗取得的數(shù)據(jù)中，能使1號點位流速最大的安放角度即為最宜角。

分析測量數(shù)據(jù)需要注意的是：壓力傳感器的顯示數(shù)值滯后于實際水流流速的變化，因此中心處的測量值僅代表該點附近的長時平均流速，并非主流流速或斷面平均流速，可能會存在橫截面面積小的斷面選點的流速測量值反而小于截面面積大的測量值。

3 試驗成果及數(shù)據(jù)分析

3.1 中心旋流管切向流速分析

根據(jù)試驗測量數(shù)據(jù)，單獨取出各個角度、流量下1號點位的測量數(shù)據(jù)見圖4。

通過數(shù)據(jù)分析可以看到，在7 000～9 000 L/h的流量范圍內(nèi)，起旋條安放角15°布置情況下的中心漩渦流速相對更大；當(dāng)入流流量增加到10 500～15 000 L/h時，45°布置下漩渦流速更大；當(dāng)流量進(jìn)一步增加到16 500～20 000 L/h時，15°布置下的流速更高。

對數(shù)據(jù)進(jìn)一步對比可以發(fā)現(xiàn)，入流流量范圍在7 000～12 000 L/h時，10°、15°、20°、45°布置之間的切向流速差并不大，尤其是15°與45°之間各個流量下的最大流速差Δvmax僅為0.055 m/s；流量范圍在13 500～15 000 L/h時，45°布置的流速高于其他4類布置，而10°、15°、20°布置之間的流速差距不大；當(dāng)入流流量達(dá)到16 500 L/h以上時，15°布置的流速明顯更高，而其他4類的流速差距也較為明顯。

在所有入流流量范圍內(nèi)，30°布置的切向流速始終明顯低于其他4類，因此30°角可以確定為挾沙能力相對最差的起旋條安放角。在最優(yōu)安放角的選擇上，7 000～15 000 L/h的入流流量范圍內(nèi)，可以選擇45°作為螺旋吸泥頭的安放角；而當(dāng)流量為16 500 L/h以上時，15°布置的流速明顯更高，因此選擇15°作為安放角更宜。

從旋渦流速隨安放角度變化趨勢上看，可以看到從10°～15°布置變化時，中心漩渦流速呈上升狀；而從15°～30°變化時，流速開始減小，在30°達(dá)到極小值；而在30°向45°變化時，流速再一次提高。

3.2 過流區(qū)測量點流速分析

以安放角20°布置為例，對單組配置在不同流量下流速區(qū)距離旋流管中心點不同距離的9個測量點的流速進(jìn)行取樣分析見圖5。

可以看到，隨著入流量的增大，各測點的測量流速的上升趨勢較為明顯，部分測點的流速偏差基本在正常的測量誤差內(nèi)。可以看到距中心16、18、20 cm測點間的流速變化較為明顯和異常，12、14、16 cm測點的測量數(shù)據(jù)可能偏小。根據(jù)公式：

Q1A1=Q2A2

(3)

18 cm測點的流速應(yīng)小于16 cm測點，同理，16 cm測點應(yīng)小于14 cm測點；實際試驗讀數(shù)得到的數(shù)據(jù)顯示各組布置下的12、14、16 cm測點中均存在一個流速極小值。

經(jīng)過分析，問題在于確定測量點位置時選用了界面中點作為流速測點。而水流在進(jìn)入吸泥頭過流面的前期受到起旋條的影響較小，因此18、20 cm測點的測量數(shù)據(jù)接近主流流速；而水流經(jīng)過過流面中部時受到起旋條的引導(dǎo)和影響，可能存在主流偏移的現(xiàn)象。因此中部測量點測量的流速并非主流流速而為邊緣流速，所以存在近中心測點流速小于遠(yuǎn)點流速的可能。過流面實際主流位置和朝向猜想見圖6。

此外，距中心4～8 cm間的流速變化幅度較8～20 cm間的幅度明顯加大，且在實際測量度數(shù)過程中發(fā)現(xiàn)近中心測點讀數(shù)震蕩幅度較大，而壓力傳感器反應(yīng)的流速大幅滯后于實際流速情況，說明在靠近中心旋流管的過程中過流斷面迅速縮小，導(dǎo)致近中心過流面的水流極紊，流速劇烈變化，存在水頭損失。

經(jīng)測量計算，過流面出口、中心旋流管進(jìn)口的截面面積約為1.10×10-3m2，在流量為20 000 L/h時的理論斷面最大流速為約5.05 m/s，而本節(jié)分析的20°角布置試驗中，4 cm測點的實測流速為3.775 m/s，說明水流通過吸泥頭的局部水頭損失接近總水頭的25%，存在水頭損失較大的情況。

3.3 渦旋強(qiáng)度研究

渦旋強(qiáng)度的計算公式：

Ω=2ωΑ

(4)

式中Ω——渦旋強(qiáng)度，rad·m2/s；ω——旋流的角速度，rad/s；A——過水面積，m2。

以20°試驗為例，研究排淤器在不同水泵功率下的各測點流速對應(yīng)的角速度和渦旋強(qiáng)度，可以得到20°安放角的旋流排淤器在不同水泵功率下對應(yīng)的上距中心點不同距離的各個測點處渦旋強(qiáng)度的曲線見圖7。

由于過流斷面的半徑、面積A為固定常數(shù)，因此流速v為唯一變量，所以不同角度不同測點處的渦旋強(qiáng)度的變化趨勢和對應(yīng)流速的變化趨勢基本一致。在安放角度相同的情況下，對于同一測點，渦旋強(qiáng)度隨著流量增大而增大。

對比試驗數(shù)據(jù)，距中心10 cm的4號點在20°最大流量下的Ω= 0.692 7 rad·m2/s，在最小流量下的Ω= 0.062 9 rad·m2/s。同一偏轉(zhuǎn)角度的旋流排淤器上從6 cm測點到18 cm測點在不同流量下測點的渦旋強(qiáng)度變化不大，取10 cm測點與18 cm測點作為代表進(jìn)行分析。18 cm測點整體上渦旋強(qiáng)度小于10 cm測點，其他規(guī)律則一致。對于2個測點，由圖表可明顯看出其渦旋強(qiáng)度與水泵提供的流量變化及起旋條安放角有關(guān)，但影響相對較小。

4 結(jié)論

a) 起旋條安放角15°、45°布置下的中心漩渦流速相對其他3種布置更大，對比兩者，在流量相對較小時，45°布置更為優(yōu)勢，而在流量大于15 000 L/h時，15°布置切向流速更大。

b) 水流經(jīng)過吸泥頭時受到起旋條的引導(dǎo)，存在主流偏移的現(xiàn)象。此外，過流面近中心處由于過流面積的迅速減小，流速劇烈變化，存在水頭損失較大的情況，主要的局部水頭損失應(yīng)產(chǎn)生于該段。

c) 通過試驗分析可以得出渦旋強(qiáng)度與水泵流量變化及起旋條安放角有關(guān)，在實際排淤工程中使用螺旋流排沙應(yīng)根據(jù)水庫具體的泥沙粒徑情況來選擇合適的起旋條安放角。