惠 康

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)01—0006—03

加壓液化輸沙技術(shù)與“渾水水力分離清水裝置”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究

惠 康

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

本文通過物理模型實(shí)驗(yàn)的研究方法，通過不同含沙濃度的渾水，以不同進(jìn)流流量的工況下，所得的清水溢流流量的匯總，擬合得出一定含沙濃度渾水不同進(jìn)流流量時(shí)，清水溢流出口的計(jì)算公式。為工程使用中，初步確定裝置的尺寸與工作工況提供參考。

渾水水力分離清水裝置；水沙分離；數(shù)值模擬；加壓液化輸沙技術(shù)

0 前 言

渾水水力分離清水裝置[1](以下簡稱裝置)是新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)課題組研制的一種新型凈水裝置，該裝置的主要特點(diǎn)是在動(dòng)態(tài)條件下利用水流自身的能量，從高含沙濃度的渾水中將水沙分離，僅依靠動(dòng)態(tài)渾水自身水力作用分離出清水。裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便。為解決裝置因高度缺陷難以運(yùn)用于實(shí)際工程的問題，魯霞[2]首次引入加壓液化輸沙技術(shù)，通過物理模型試驗(yàn)研究得出，運(yùn)用加壓液化輸沙技術(shù)后，降低錐體底坡至1∶6，錐體高度可減小83.4%，而錐體底部泥沙不會(huì)淤積，水沙分離效果較好。

1 模型及邊界條件

1.1 模型及工作原理

運(yùn)用加壓液化輸沙技術(shù)后的渾水水力分離清水裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主要由柱體區(qū)和錐體區(qū)2部分組成。柱體區(qū)中包含內(nèi)部上懸板、中懸板和下懸板，溢流出口以及外部進(jìn)水涵洞；錐體區(qū)包含底部排沙底孔、錐體底部加壓液化進(jìn)水孔。試驗(yàn)時(shí)加壓液化進(jìn)水孔中的水流由壓力水箱提供。裝置工作一段時(shí)間后，打開水箱開關(guān)，在壓力水頭的作用下，水流經(jīng)加壓液化小孔射出，對(duì)淤積在裝置錐體部的泥沙液化，液化后的泥沙流經(jīng)錐體的排沙底孔流出。裝置柱體區(qū)高度H=130 cm，底孔孔徑d=0.6 cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為裝置錐體徑坡1∶6的試驗(yàn)裝置圖。徑向加壓液化輸沙管路緊密地貼附在裝置錐體底部，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

在同一柱體直徑、同一底孔孔徑的裝置中，研究不同的渾水進(jìn)流流量、清水溢出流量、進(jìn)流含沙濃度對(duì)裝置水沙分離的影響。

(1) 在壓力水流量Q=51.89 cm3/s，進(jìn)流含沙濃度S0=10～15 kg/m3條件下，進(jìn)流流量分別取191、358、396、418、471和494 cm3/s進(jìn)行試驗(yàn)，以便研究不同進(jìn)流流量對(duì)裝置的水沙分離影響。

(2) 在進(jìn)流流量Q0=326 cm3/s，進(jìn)流含沙濃度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3進(jìn)行試驗(yàn)，確定不同進(jìn)流含沙濃度對(duì)裝置的水沙分離影響。

(3) 在壓力水流量Q=51.89 cm3/s保持不變，進(jìn)流含沙濃度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3情況下，研究加壓液化輸沙技術(shù)在裝置中的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 清水出水量的計(jì)算公式

在溢出清水含沙濃度Su= 0.5 kg/m3時(shí)，進(jìn)流含沙濃度分別取S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3時(shí)，進(jìn)流流量與溢流流量的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，在同一進(jìn)流含沙濃度下，溢流流量隨著進(jìn)流流量的增大而增大，都呈線性增長。由此說明裝置溢流清水出口溢出水量隨著進(jìn)流流量的增大也相應(yīng)增大。進(jìn)流流量越大，溢流清水出水量也就越大，但是要使裝置溢流出的可用清水越多，則就要求控制好進(jìn)入裝置來水流量及含沙濃度。由圖3的進(jìn)流流量和溢流流量的線性圖中可以推出式(1)關(guān)系表達(dá)式，即：

Qu=aQ0-b

(1)

式中:a、b分別代表系數(shù)，進(jìn)流含沙濃度不同，a、b值也不同。

如圖3所示，進(jìn)流含沙濃度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3時(shí)，a、b值分別為：a=1.0802、0.9958、0.9974、1.0010；b=154.88、121.45、121.76、127.43。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)S0=8 kg/m3時(shí)對(duì)應(yīng)的a、b值與進(jìn)流含沙濃度為S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3時(shí)的a、b值有明顯差別，剔除此濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出擬合公式僅適用于裝置中進(jìn)流含沙濃度S0=10～35 kg/m3進(jìn)流流量不大的情況。

由圖4、5表示的是a、b與進(jìn)流含沙濃度的關(guān)系，經(jīng)過數(shù)值擬合可以得出：

(2)

由式(1) 、(2)可得：

(3)

圖2 裝置中加壓液化徑向管路圖

圖3 裝置進(jìn)流流量與溢流流量的關(guān)系圖

(4)

以上公式適用于進(jìn)流含沙濃度S0=10～35 kg/m3、進(jìn)流流量不大的情況。

由式(3)可知，如果了解實(shí)際工程中要分離的來流的進(jìn)流含沙濃度S0及需要滿足的溢流清水出水量Qu的大小，裝置的來水流量Q0可以通過公式(3)初步確定；或依據(jù)進(jìn)入裝置渾水的含沙濃度S0和裝置來水流量Q0的大小，由式(4)可以確定裝置所能獲得的清水出水量Qu。

圖4 a與S0的關(guān)系圖

2.2 裝置清水出水量計(jì)算公式的驗(yàn)證

圖6列出了裝置溢流清水出水量實(shí)測值與依據(jù)公式(4)裝置溢流清水出水量計(jì)算值的比較，兩值基本吻合。為便于驗(yàn)證式(4)的計(jì)算精度，將對(duì)應(yīng)的計(jì)算值的相對(duì)誤差進(jìn)行線性分析。經(jīng)分析得出，相對(duì)誤差點(diǎn)基本控制在±10%附近，計(jì)算誤差較小，可供工程設(shè)計(jì)參考。

3 結(jié) 語

本文通過物理模型試驗(yàn)所測的每組數(shù)據(jù)都是在相同的固定條件下測得的，每組數(shù)據(jù)擬合得到的裝置清水出水量的計(jì)算公式是經(jīng)驗(yàn)公式。公式雖然存在一定誤差，但對(duì)此裝置在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)有一定的參考價(jià)值。

圖5 b與S0的關(guān)系圖

圖6 裝置溢流清水出水量的計(jì)算值與實(shí)測值圖

[1] 周著,侯杰,邱秀云,等.渾水水力分離清水裝置：中國，03159507.3[P].2005-11-2.

[2] 魯霞,侯杰.“渾水水力分離清水裝置”排沙結(jié)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2011,(2):1-4.

[3] 劉芬.渾水水力分離清水裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究[D].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007：6.

[4] 余新艷.渾水水力分離清水裝置水沙分離試驗(yàn)研究[D].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008：5.

[5] 趙濤,陳偉東,邱秀云.渾水水力分離清水裝置進(jìn)口及底孔對(duì)流場影響的數(shù)值模擬[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2012,44(1)：1-6.

[6] 唐毅.排沙漏斗三維渦流水流結(jié)構(gòu)[J].水利學(xué)報(bào)：1999(4)：55-59.

Experiment and Study on Integration of Technology of Pressured Fluid Sediment Transport and Device for Hydraulic Turbid-Clear Water Separation

HUI Kang

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

Through the physical model experiment and in condition of different inflow discharge of the turbid water with various sediment concentrations, the clear overflow discharges are concluded. Formula for the clear water at overflow outlet is derived by fitting in condition of the sediment turbid water at different discharge. It helps with primary determination of size and operation conditions of the device in engineering application.

device for hydraulic turbid-clear water separation; water sediment separation; value simulation; technology of pressured fluid sediment transport

2014-11-10

惠康(1991- )，男，新疆托克遜縣人，回族，助理工程師，從事水利水電勘測設(shè)計(jì)工作.

國家星火計(jì)劃(2012GA890002)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目( 50469003)

TV142

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.002