動水條件下鰓片間距對分離鰓水沙分離效率影響試驗

宋睿明，陶洪飛，馬合木江·艾合買提，李 巧，楊文新，姜有為，張繼領

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

西北地區的新疆地處歐亞大陸腹地，遠離海洋、降水稀少、蒸發強烈，其農業灌溉用水占新疆用水總量的90%以上，是一個農水資源緊張短缺且利用效率低的地區[1]。為了避免水資源的浪費，當前所運用的節水灌溉技術有微灌、噴灌及低壓灌溉等，但在新疆使用節水灌溉設備灌溉時，由于該地區河流中的泥沙顆粒徑小且河水含沙量高，大多數滴灌帶容易發生堵塞[2]。因而處理含沙量高且粒徑小的泥沙是新疆節水灌溉技術研究的重點之一。在使用沉淀池處理農業灌溉用水的黏性泥沙時，其有占地面積大和沉淀時間長的局限性[3]。為此邱秀云等研制出一種新式的水沙分離裝置-分離鰓，其優點為占地面積小，水沙分離效率高，經濟實用[4]。目前，有關專家學者開展了分離鰓在靜水和動水環境中的相關試驗和數值模擬工作。嚴躍成[5]、朱超[6-9]研究了分離鰓中的垂向和橫向異重流現象并對其進行了初步的結構優化，陶洪飛[10-13]通過物理試驗深入研究了靜水條件中分離鰓在不同含沙量、鰓片間距、鰓片傾斜角下的結構特征與相關特性，并通過數值模擬描述了分離鰓中的內部流場，揭示了分離鰓中水沙加速分離的機理，從理論的角度驗證其結構參數的合理性。張繼領[14]探討了在動水環境下渾水進口流量對分離鰓水沙分離效率的影響，獲得了動水條件下水沙分離規律。本文基于上述研究成果，通過物理模型試驗和數值模擬進一步探究在動水環境下鰓片間距對分離鰓中水沙分離效率的影響，從而為分離鰓在今后農業灌溉實際運用中提供理論根據和技術支持。

1 試驗裝置和材料

1.1 物理試驗裝置

圖1為分離鰓的結構圖。試驗所用分離鰓使用透明亞克力板制成，并由鰓片和普通管(內無四邊形鰓片)組成關鍵部分。分離鰓的主要尺寸為200 mm×100 mm×1 000 mm(a×b×h)，各鰓片與矩形普通管長、寬方位垂直壁面構成兩個不同的傾斜角：α=60°、β=45°。分離鰓中設置有水平面投影為三角形區域的兩個通道，分別為清水通道e和泥沙通道f，兩通道寬度都為10 mm。在左右兩側壁上分別設有渾水進口通道和清水出口通道，其直徑均為20 mm，其中清水出口位置和渾水進口位置分別距離分離鰓底部950和760 mm。分離鰓的最頂端為開口狀，最底端設有直徑為2.5 mm的排沙口通道。在開展分離鰓靜水沉降試驗中，可知鰓片間距為50～150 mm對清水層厚度和泥沙的沉降速度影響較大[15]?；谝陨涎芯砍晒?，制作鰓片間距為50、80、110 mm的分離鰓3個和同尺寸同材質的普通管(無鰓片)1個，進一步開展動水環境中的對比試驗。

圖1 分離鰓三維結構圖

靜水條件下分離鰓的四周及底部封閉，頂部與外界大氣相接，實驗時渾水從頂部直接灌入，泥沙自然沉降。而動水條件下的分離鰓設置有進水口、出水口及排沙口，實驗過程中有出入流，系統內部為循環的整體。圖2是分離鰓渾水循環裝置結構圖。先用攪拌泵將計算所得泥沙和清水攪拌均勻，然后通過抽水泵將渾水沿著進水口管道抽入分離鰓內，進行水沙分離，清水通過清水出口流出，泥沙則通過排沙口排出，兩者都進入水箱中重新混合，從而構成循環體系。

圖2 分離鰓渾水循環裝置結構圖

1.2 物理試驗材料及儀器

圖3為試驗所用泥沙的顆分曲線，本次試驗用泥沙來自于烏魯木齊市的西山附近，泥沙顆粒的粒徑均小于0.075 mm，其中中值粒徑D50為0.025 mm。在黏性細顆粒泥沙中，絮凝臨界粒徑Dk的值為0.032 mm，當小于該數值時，泥沙會發生絮凝沉降，而大于該數值時，則不會發生絮凝現象[16]。

圖3 試驗泥沙顆分曲線

試驗所需儀器主要包括：電子天平(精確度0.01 g)、錐形瓶(500 mL)、單反照相機、電子臺秤(最大量程60 kg)、玻璃量筒(250 mL)、抽水泵、攪拌泵、紅外測溫器、秒表、水平玻璃蓋、燒杯(500 mL)、塑料桶等、卷尺、流速儀、密度儀。

2 數值模擬介紹

考慮到物理試驗模型的制作成本、難度及精度，鰓片間距在50 mm以下的則采用數值模擬進行補充。在分離鰓的前期研究中，羅菲[17]對動水條件下的分離鰓開展了部分數值模擬計算，驗證并得到了有效的數學模型(多相流模型—混合模型(Mixture)與湍流模型—RNGk-ε模型)。在此基礎上，本文運用Gambit軟件構建鰓片間距為40和30 mm的兩個分離鰓三維模型，其中采用物理模型試驗中所用的分離鰓尺寸構建幾何模型，其長度a、寬度b、高度h、清水通道、泥沙通道、鰓片間距d、長方向傾斜角α、寬方向傾斜角β、渾水進口直徑、清水出口直徑、排沙口直徑，分別為200 mm、100 mm、1 000 mm、10 mm、10 mm、50 mm、60°、45°、20 mm、20 mm、2.5 mm。并通過CFX軟件采用以上數學模型(Mixture和RNGk-ε模型)進行計算。

分離鰓中的固體壁面(鰓片、渾水進口、清水出口、排沙口和內外邊壁)，設為固壁邊界(Wall)；渾水進水口邊界，設為速度進口(Velocity-inlet)；出水口邊界，設為平均靜壓力出口(Average Static Pressure-outlet)。同時在CFX處理器中，設置水為主相，沙為次項，并假定沙粒為球形，設置其平均粒徑為0.025 mm，密度ρs為2 650 kg/m3。

其中基本控制方程和計算區域的離散采用控制體積法，對流項的離散采用二階High Resolustion方法，由于分離鰓內部結構相對復雜，采用非結構性網格進行網格劃分，并通過Tecplot軟件和CFD-post軟件對計算結果進行后處理。

3 試驗工況、方法及考核指標

3.1 試驗工況

本試驗取渾水進口流量q=0.9 m3/h，即流速為78 cm/s，同時取含沙量hs=10 kg/m3[18]，分別開展動水環境中鰓片間距為50、80、110 mm工況下的分離鰓和無鰓片普通管的物理模型試驗，以及分離鰓鰓片間距為30、40 mm的數值模擬。

3.2 試驗方法

物理模型試驗采取置換法原理檢測配水的含沙量。根據公式(1)計算出錐形瓶體積，后根據公式(2)得出試驗中渾水含沙量數值。

(1)

(2)

式中：v錐為錐形瓶體積，m3；m錐+蓋+水為錐形瓶、玻璃蓋和水的質量，kg；m錐+蓋為錐形瓶和玻璃蓋的質量，kg；hs為含沙量，kg/m3；m錐+蓋+渾水為錐形瓶、玻璃蓋和渾水的質量，kg；ρns為泥沙密度，kg/m3；ρw為不同室溫下對應的水的密度，kg/m3。

數值模擬的計算結果通過CFD-post軟件，提取出渾水進口和清水出口兩個斷面處泥沙的平均體積比，由公式(3)計算出兩斷面處的含沙量。

(3)

弗勞德數值，是水的慣性力與重力之比，用來確定水流的動態如急流、緩流，由公式(4)計算得出。

(4)

式中：Fr為弗勞德值；v為水流平均流速，cm/s；g為重力加速度，取981 cm/s2；h為平均水深，cm。

3.3 考核指標

水沙分離效率的計算表達式見公式(4)所示，是目前考核分離鰓水沙分離性能的一個重要指標。

(5)

式中：n為水沙分離效率，%；hs進口為渾水進口含沙量，kg/m3；hs出口為清水出口含沙量，kg/m3。

4 試驗現象與分析

圖4表示在125 min時，鰓片間距為50、80、110 mm的分離鰓和普通管中間部分的物理試驗現象以及鰓片間距為30、40 mm的分離鰓中間部分的速度矢量分布。在鰓片間距為50、80、110 mm的分離鰓中均存在垂向和橫向異重流現象而無鰓片的普通管中則無此現象。如圖4(a)～(c)所示：分離鰓中間部分的黏性泥沙沉落在鰓片的上表面并匯聚形成泥沙流，通過三棱柱型泥沙通道沉降到底部，鰓片下表面則匯聚形成清水流并沿著三棱柱型清水通道上升到頂部清水出口處。泥沙流(密度為2 130.16 kg/m3)與清水流(密度為997.05 kg/m3)之間形成了密度差，引起了密度大的流體向下、密度小的流體向上的異向流動，使上下兩鰓片間的泥沙流和清水流形成逆時針方向的橫向異重流[見圖4(g)中實線]，在兩側的三棱柱型泥沙通道和清水通道中的泥沙流和清水流則形成了順時針方向的垂向異重流[見圖4(g)中虛線]。

在鰓片間距為30和40 mm的分離鰓中，泥沙流與清水流的運動如圖4(e)和圖4(f)所示：分離鰓的兩側速度流線方向相反，左側流線密集向上而右側則向下密集分布，分別為清水通道中的清水流和泥沙通道中的泥沙流，形成了明顯的垂向異重流現象。鰓片上表面的速度流線主要顯示為泥沙流，在鰓片上表面的下端大部分流線向下，小部分流線指向相鄰鰓片下表面；同時在鰓片上表面的上端一小部分流線則向上運動，尤其在鰓片間距為30 mm的分離鰓中更為突出，此時分離鰓內的橫向異重流現象不明顯。

圖4 不同鰓片間距的分離鰓和普通管在125 min時中間部分的試驗現象

表1為不同鰓片間距的分離鰓和普通管在中間位置(水深50 cm)的平均流速和Fr值。從表1可以發現，不同鰓片間距的分離鰓在中間位置的平均流速均小于40 cm/s，其中鰓片間距為30～50 mm的小于30 cm/s，更有利于泥沙的沉降分離，而普通管在同位置的平均流速則明顯較大，是不同鰓片間距分離鰓的6.15～9.38倍，其不利于泥沙的沉降，這是因為黏性泥沙在流速為40 cm/s以上時基本不發生絮凝，而當流速小于30 cm/s時，絮凝沉降效果較好[19]；同時在相同位置處，不同鰓片間距下分離鰓中的Fr值均小于1，此狀態下水流為緩流，分離鰓內水體的紊動性較小，其有利于異重流的形成，而普通管中的Fr值則大于1，水流表現為急流，水體的紊動性大，此時黏性泥沙均勻懸浮于普通管內，無異重流現象產生。

表1 不同鰓片間距分離鰓與普通管在中間位置的平均流速和Fr值

5 試驗結果與分析

表2為不同鰓片間距的分離鰓和矩形普通管的水沙分離效率對比。從表2可得出以下結論。

表2 不同鰓片間距分離鰓與普通管的水沙分離效率對比

(1)相同條件時，分離鰓與矩形普通管的水沙分離效率伴隨著時間的增加而增加，普通管的水沙分離效率均比不同鰓片間距的分離鰓低。

(2)當分離鰓的鰓片間距為30、40、50、80、110 mm時，分離鰓中的水沙分離效率分別為普通管的1.70～3.76、1.71～3.75、1.71～3.76、1.38～2.63、1.25～2.13倍。鰓片間距為30 mm時，水沙分離效率達到最高，為35.21%。

(3)鰓片間距為30和40 mm的水沙分離效率分別為35.15%和35.12%，當鰓片間距小于50 mm時，水沙分離效率隨鰓片間距的減小變化不大。

分析出現以上試驗結果的原因如下。

(1)鰓片的存在，使矩形普通管被分割為多個不同的泥沙沉降和清水上升區域。黏性泥沙在下沉過程中產生的剛性空間結構被鰓片破壞，泥沙用沿著鰓片與矩形管壁組成的泥沙通道滑落聚集至排沙口，因此加劇了黏性泥沙的沉淀，提升了分離鰓中的水沙分離效率。

(2)普通管中設置鰓片后，鰓片增加了分離鰓內部的過水斷面濕周，在一定范圍內鰓片間距越小，過水斷面濕周越大，從而水力半徑越小，雷諾數也就越小，而雷諾數反映了泥沙運動的水力條件，該值越小說明黏性泥沙在沉降時的水流環境越穩定，其泥沙的絮凝效果越好，且更有利于系統中的橫向及垂向雙異重流的形成，更加促進水沙分離，因而水沙分離效率更高。

(3)沉淀池中水沙分離效率與沉淀的水平面積成正比例函數關系[20]，即沉淀水平面積越小，水沙分離的效率越低，反之亦然。當鰓片間距d為30、40、50、80、110 mm時，沉淀的水平投影面積分別為38.0、30.4、26.6、17.1、13.3 萬mm2，可知，在一定范圍內鰓片間距越小，水沙分離的效率越高，同靜水條件下試驗結論一致，而普通管的沉淀面積僅為2.0 萬mm2，故含有鰓片的分離鰓水沙分離效率均比普通管高。

(4)兩鰓片間的混合層(泥沙流與清水流兩者間的夾層，見圖5)對分離鰓的水沙分離過程也有一定的影響。隨著鰓片之間距離的減小混合層的厚度也隨之減小，這使得沿鰓片長邊下移的泥沙流與反向上升的清水流之間產生較強的剪切作用力，造成鰓片間原本按照各自運行軌跡運動的泥沙流與清水流趨于混合，從而干擾了動水沉降過程，阻礙了泥沙流和清水流在分離鰓中進一步的快速下沉和上升。因此，鰓片間距低于50 mm的分離鰓水沙分離效率隨著鰓片間距的增加變化幅度不大。

圖5 鰓片間混合層示意圖

圖6表示50～110 mm間距下分離鰓和普通管中水沙分離效率隨時間的改變規律(由于間距50 mm以下的變化幅度過小且與50 mm相近，則主要以50、80、110 mm進行比較)。據圖6可知：

圖6 分離鰓在不同鰓片間距和時間下的水沙分離效率對比

(1)不同鰓片間距下的分離鰓中水沙分離效率隨時間改變規律與普通管不同，普通管僅有緩慢增長階段，而分離鰓則包含緩慢增加、急速增加和緩慢增加階段。當0～65 min時，隨著時間的遞增水沙分離效率緩慢的增加。黏性泥沙通過帶電基團吸附和布朗運動等影響使得渾水中大小顆粒黏結形成絮團。伴隨著時間的推進和水流紊動的增強，絮團直徑緩緩增加，同時渾水的密度相對較小，絮團及大顆粒泥沙上升阻力遠小于重力作用，從而黏性泥沙絮團下降，因此隨著時間的推進水沙分離效率緩慢的增加。當60～95 min時，隨著時間的遞增水沙分離效率急速的增加。此段時間內泥沙微粒間的斥力急速下降，使得泥沙微粒中的物理穩定性降低，反之雙電層引力增強，絮團的直徑急速增大，泥沙絮團沿著鰓片上表面急速滾落至泥沙通道，而清水則沿鰓片下表面急速上升至清水通道，再通過清水口溢出。因此隨著時間的推進水沙分離效率急速的增加。當95～125 min時，隨時間的推移，絮凝達到動態平衡，因泥沙沉降處在動水環境下，水流紊動對絮團發育有影響，水流紊動將會打破平衡，使得聚集的絮團被破壞[21]，此時黏性泥沙顆粒之間的吸引強度變小，單個黏性細顆粒從大塊絮團中分開脫落，再隨著時間的推進，分離后的黏性細顆粒泥沙逐漸會聚形成絮團，因此隨著時間的推進水沙分離效率呈緩慢的增加。鰓片間距為50、80、110 mm的水沙分離效率隨時間變化規律相似，但隨著鰓片間距的增加水沙分離效率的變化幅度明顯逐漸減小，其原因為鰓片間距增大則相鄰兩鰓片的垂直高度增加，在渾水進口處的水流紊動影響下，黏性泥沙顆粒形成絮團下落的難度相對增大，因此延遲了泥沙絮凝沉淀的時間，減小了泥沙的沉淀速率，同時鰓片間距的增加使得分離鰓內泥沙下沉和清水上升過程的水流循環環境更加不穩定，更不助于系統內的橫向及垂向異重流的形成。故鰓片間距為80和110 mm的變化幅度不如鰓片間距為50 mm的，從而后者的水沙分離效率變化幅度大。

(2)鰓片的間距越小相同體積分離鰓內的鰓片個數越多，在實際運用工程中在保證沉淀效率的同時也需要考慮到經濟效益，則選擇鰓片間距為50 mm的分離鰓最佳。其中鰓片間距為50 mm的水沙分離效率分別是鰓片間距為80和110 mm的1.25～1.43和1.37～1.77倍。

6 結 語

通過對不同鰓片間距分離鰓和矩形普通管中水沙分離效率的物理試驗探究，得到了以下主要結論。

(1)當鰓片間距為30、40、50、80、110 mm時，分離鰓中的水沙分離效率均比矩形普通管高且分別是普通管的1.70～3.76、1.71～3.75、1.71～3.76、1.38～2.63、1.25～2.13倍。

(2)當鰓片間距小于50 mm時，水沙分離效率隨間距的增加變化不大，且隨著間距的減小相同體積的分離鰓中的鰓片個數會增加，在實際運用工程中考慮到沉淀效率以及經濟效益，則選擇鰓片間距為50 mm的分離鰓最佳。

(3)當時間為10～125 min時，鰓片間距d=50 mm的水沙分離效率為7.87%～35.12%，其分別是鰓片間距為80和110 mm的1.25～1.43和1.37～1.77倍。

(4)不同鰓片間距下的分離鰓中水沙分離效率隨時間的改變規律與普通管不同，普通管僅有緩慢增長階段，而分離鰓則包含緩慢增加、急速增加和緩慢增加階段。

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