宋睿明，陶洪飛，馬合木江·艾合買(mǎi)提，李 巧，楊文新，姜有為，張繼領(lǐng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

西北地區(qū)的新疆地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，其農(nóng)業(yè)灌溉用水占新疆用水總量的90%以上，是一個(gè)農(nóng)水資源緊張短缺且利用效率低的地區(qū)[1]。為了避免水資源的浪費(fèi)，當(dāng)前所運(yùn)用的節(jié)水灌溉技術(shù)有微灌、噴灌及低壓灌溉等，但在新疆使用節(jié)水灌溉設(shè)備灌溉時(shí)，由于該地區(qū)河流中的泥沙顆粒徑小且河水含沙量高，大多數(shù)滴灌帶容易發(fā)生堵塞[2]。因而處理含沙量高且粒徑小的泥沙是新疆節(jié)水灌溉技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。在使用沉淀池處理農(nóng)業(yè)灌溉用水的黏性泥沙時(shí)，其有占地面積大和沉淀時(shí)間長(zhǎng)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(yōu)點(diǎn)為占地面積小，水沙分離效率高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用[4]。目前，有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了分離鰓在靜水和動(dòng)水環(huán)境中的相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)值模擬工作。嚴(yán)躍成[5]、朱超[6-9]研究了分離鰓中的垂向和橫向異重流現(xiàn)象并對(duì)其進(jìn)行了初步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，陶洪飛[10-13]通過(guò)物理試驗(yàn)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(jié)構(gòu)特征與相關(guān)特性，并通過(guò)數(shù)值模擬描述了分離鰓中的內(nèi)部流場(chǎng)，揭示了分離鰓中水沙加速分離的機(jī)理，從理論的角度驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。張繼領(lǐng)[14]探討了在動(dòng)水環(huán)境下渾水進(jìn)口流量對(duì)分離鰓水沙分離效率的影響，獲得了動(dòng)水條件下水沙分離規(guī)律。本文基于上述研究成果，通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)一步探究在動(dòng)水環(huán)境下鰓片間距對(duì)分離鰓中水沙分離效率的影響，從而為分離鰓在今后農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際運(yùn)用中提供理論根據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置和材料

1.1 物理試驗(yàn)裝置

圖1為分離鰓的結(jié)構(gòu)圖。試驗(yàn)所用分離鰓使用透明亞克力板制成，并由鰓片和普通管(內(nèi)無(wú)四邊形鰓片)組成關(guān)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(zhǎng)、寬方位垂直壁面構(gòu)成兩個(gè)不同的傾斜角：α=60°、β=45°。分離鰓中設(shè)置有水平面投影為三角形區(qū)域的兩個(gè)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(cè)壁上分別設(shè)有渾水進(jìn)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(jìn)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(kāi)口狀，最底端設(shè)有直徑為2.5 mm的排沙口通道。在開(kāi)展分離鰓靜水沉降試驗(yàn)中，可知鰓片間距為50～150 mm對(duì)清水層厚度和泥沙的沉降速度影響較大[15]。基于以上研究成果，制作鰓片間距為50、80、110 mm的分離鰓3個(gè)和同尺寸同材質(zhì)的普通管(無(wú)鰓片)1個(gè)，進(jìn)一步開(kāi)展動(dòng)水環(huán)境中的對(duì)比試驗(yàn)。

圖1 分離鰓三維結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)時(shí)渾水從頂部直接灌入，泥沙自然沉降。而動(dòng)水條件下的分離鰓設(shè)置有進(jìn)水口、出水口及排沙口，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有出入流，系統(tǒng)內(nèi)部為循環(huán)的整體。圖2是分離鰓渾水循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)圖。先用攪拌泵將計(jì)算所得泥沙和清水?dāng)嚢杈鶆?，然后通過(guò)抽水泵將渾水沿著進(jìn)水口管道抽入分離鰓內(nèi)，進(jìn)行水沙分離，清水通過(guò)清水出口流出，泥沙則通過(guò)排沙口排出，兩者都進(jìn)入水箱中重新混合，從而構(gòu)成循環(huán)體系。

圖2 分離鰓渾水循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 物理試驗(yàn)材料及儀器

圖3為試驗(yàn)所用泥沙的顆分曲線(xiàn)，本次試驗(yàn)用泥沙來(lái)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(xì)顆粒泥沙中，絮凝臨界粒徑Dk的值為0.032 mm，當(dāng)小于該數(shù)值時(shí)，泥沙會(huì)發(fā)生絮凝沉降，而大于該數(shù)值時(shí)，則不會(huì)發(fā)生絮凝現(xiàn)象[16]。

圖3 試驗(yàn)?zāi)嗌愁w分曲線(xiàn)

試驗(yàn)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(jī)、電子臺(tái)秤(最大量程60 kg)、玻璃量筒(250 mL)、抽水泵、攪拌泵、紅外測(cè)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(shù)值模擬介紹

考慮到物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞒杀?、難度及精度，鰓片間距在50 mm以下的則采用數(shù)值模擬進(jìn)行補(bǔ)充。在分離鰓的前期研究中，羅菲[17]對(duì)動(dòng)水條件下的分離鰓開(kāi)展了部分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證并得到了有效的數(shù)學(xué)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(chǔ)上，本文運(yùn)用Gambit軟件構(gòu)建鰓片間距為40和30 mm的兩個(gè)分離鰓三維模型，其中采用物理模型試驗(yàn)中所用的分離鰓尺寸構(gòu)建幾何模型，其長(zhǎng)度a、寬度b、高度h、清水通道、泥沙通道、鰓片間距d、長(zhǎng)方向傾斜角α、寬方向傾斜角β、渾水進(jìn)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(guò)CFX軟件采用以上數(shù)學(xué)模型(Mixture和RNGk-ε模型)進(jìn)行計(jì)算。

分離鰓中的固體壁面(鰓片、渾水進(jìn)口、清水出口、排沙口和內(nèi)外邊壁)，設(shè)為固壁邊界(Wall)；渾水進(jìn)水口邊界，設(shè)為速度進(jìn)口(Velocity-inlet)；出水口邊界，設(shè)為平均靜壓力出口(Average Static Pressure-outlet)。同時(shí)在CFX處理器中，設(shè)置水為主相，沙為次項(xiàng)，并假定沙粒為球形，設(shè)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(jì)算區(qū)域的離散采用控制體積法，對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階High Resolustion方法，由于分離鰓內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過(guò)Tecplot軟件和CFD-post軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。

3 試驗(yàn)工況、方法及考核指標(biāo)

3.1 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)取渾水進(jìn)口流量q=0.9 m3/h，即流速為78 cm/s，同時(shí)取含沙量hs=10 kg/m3[18]，分別開(kāi)展動(dòng)水環(huán)境中鰓片間距為50、80、110 mm工況下的分離鰓和無(wú)鰓片普通管的物理模型試驗(yàn)，以及分離鰓鰓片間距為30、40 mm的數(shù)值模擬。

3.2 試驗(yàn)方法

物理模型試驗(yàn)采取置換法原理檢測(cè)配水的含沙量。根據(jù)公式(1)計(jì)算出錐形瓶體積，后根據(jù)公式(2)得出試驗(yàn)中渾水含沙量數(shù)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(zhì)量，kg；m錐+蓋為錐形瓶和玻璃蓋的質(zhì)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(zhì)量，kg；ρns為泥沙密度，kg/m3；ρw為不同室溫下對(duì)應(yīng)的水的密度，kg/m3。

數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果通過(guò)CFD-post軟件，提取出渾水進(jìn)口和清水出口兩個(gè)斷面處泥沙的平均體積比，由公式(3)計(jì)算出兩斷面處的含沙量。

(3)

弗勞德數(shù)值，是水的慣性力與重力之比，用來(lái)確定水流的動(dòng)態(tài)如急流、緩流，由公式(4)計(jì)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(biāo)

水沙分離效率的計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)公式(4)所示，是目前考核分離鰓水沙分離性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

(5)

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

4 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

圖4表示在125 min時(shí)，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(yàn)現(xiàn)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(xiàn)象而無(wú)鰓片的普通管中則無(wú)此現(xiàn)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(guò)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(dòng)，使上下兩鰓片間的泥沙流和清水流形成逆時(shí)針?lè)较虻臋M向異重流[見(jiàn)圖4(g)中實(shí)線(xiàn)]，在兩側(cè)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(shí)針?lè)较虻拇瓜虍愔亓鱗見(jiàn)圖4(g)中虛線(xiàn)]。

在鰓片間距為30和40 mm的分離鰓中，泥沙流與清水流的運(yùn)動(dòng)如圖4(e)和圖4(f)所示：分離鰓的兩側(cè)速度流線(xiàn)方向相反，左側(cè)流線(xiàn)密集向上而右側(cè)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(xiàn)象。鰓片上表面的速度流線(xiàn)主要顯示為泥沙流，在鰓片上表面的下端大部分流線(xiàn)向下，小部分流線(xiàn)指向相鄰鰓片下表面；同時(shí)在鰓片上表面的上端一小部分流線(xiàn)則向上運(yùn)動(dòng)，尤其在鰓片間距為30 mm的分離鰓中更為突出，此時(shí)分離鰓內(nèi)的橫向異重流現(xiàn)象不明顯。

圖4 不同鰓片間距的分離鰓和普通管在125 min時(shí)中間部分的試驗(yàn)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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?yàn)轲ば阅嗌吃诹魉贋?0 cm/s以上時(shí)基本不發(fā)生絮凝，而當(dāng)流速小于30 cm/s時(shí)，絮凝沉降效果較好[19]；同時(shí)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(tài)下水流為緩流，分離鰓內(nèi)水體的紊動(dòng)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(xiàn)為急流，水體的紊動(dòng)性大，此時(shí)黏性泥沙均勻懸浮于普通管內(nèi)，無(wú)異重流現(xiàn)象產(chǎn)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(yàn)結(jié)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(duì)比。從表2可得出以下結(jié)論。

表2 不同鰓片間距分離鰓與普通管的水沙分離效率對(duì)比

(1)相同條件時(shí)，分離鰓與矩形普通管的水沙分離效率伴隨著時(shí)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(dāng)分離鰓的鰓片間距為30、40、50、80、110 mm時(shí)，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(shí)，水沙分離效率達(dá)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(dāng)鰓片間距小于50 mm時(shí)，水沙分離效率隨鰓片間距的減小變化不大。

分析出現(xiàn)以上試驗(yàn)結(jié)果的原因如下。

(1)鰓片的存在，使矩形普通管被分割為多個(gè)不同的泥沙沉降和清水上升區(qū)域。黏性泥沙在下沉過(guò)程中產(chǎn)生的剛性空間結(jié)構(gòu)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(shè)置鰓片后，鰓片增加了分離鰓內(nèi)部的過(guò)水?dāng)嗝鏉裰?，在一定范圍?nèi)鰓片間距越小，過(guò)水?dāng)嗝鏉裰茉酱?，從而水力半徑越小，雷諾數(shù)也就越小，而雷諾數(shù)反映了泥沙運(yùn)動(dòng)的水力條件，該值越小說(shuō)明黏性泥沙在沉降時(shí)的水流環(huán)境越穩(wěn)定，其泥沙的絮凝效果越好，且更有利于系統(tǒng)中的橫向及垂向雙異重流的形成，更加促進(jìn)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(shù)關(guān)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(dāng)鰓片間距d為30、40、50、80、110 mm時(shí)，沉淀的水平投影面積分別為38.0、30.4、26.6、17.1、13.3 萬(wàn)mm2，可知，在一定范圍內(nèi)鰓片間距越小，水沙分離的效率越高，同靜水條件下試驗(yàn)結(jié)論一致，而普通管的沉淀面積僅為2.0 萬(wàn)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(jiàn)圖5)對(duì)分離鰓的水沙分離過(guò)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(zhǎng)邊下移的泥沙流與反向上升的清水流之間產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切作用力，造成鰓片間原本按照各自運(yùn)行軌跡運(yùn)動(dòng)的泥沙流與清水流趨于混合，從而干擾了動(dòng)水沉降過(guò)程，阻礙了泥沙流和清水流在分離鰓中進(jìn)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(shí)間的改變規(guī)律(由于間距50 mm以下的變化幅度過(guò)小且與50 mm相近，則主要以50、80、110 mm進(jìn)行比較)。據(jù)圖6可知：

圖6 分離鰓在不同鰓片間距和時(shí)間下的水沙分離效率對(duì)比

(1)不同鰓片間距下的分離鰓中水沙分離效率隨時(shí)間改變規(guī)律與普通管不同，普通管僅有緩慢增長(zhǎng)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(dāng)0～65 min時(shí)，隨著時(shí)間的遞增水沙分離效率緩慢的增加。黏性泥沙通過(guò)帶電基團(tuán)吸附和布朗運(yùn)動(dòng)等影響使得渾水中大小顆粒黏結(jié)形成絮團(tuán)。伴隨著時(shí)間的推進(jìn)和水流紊動(dòng)的增強(qiáng)，絮團(tuán)直徑緩緩增加，同時(shí)渾水的密度相對(duì)較小，絮團(tuán)及大顆粒泥沙上升阻力遠(yuǎn)小于重力作用，從而黏性泥沙絮團(tuán)下降，因此隨著時(shí)間的推進(jìn)水沙分離效率緩慢的增加。當(dāng)60～95 min時(shí)，隨著時(shí)間的遞增水沙分離效率急速的增加。此段時(shí)間內(nèi)泥沙微粒間的斥力急速下降，使得泥沙微粒中的物理穩(wěn)定性降低，反之雙電層引力增強(qiáng)，絮團(tuán)的直徑急速增大，泥沙絮團(tuán)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(guò)清水口溢出。因此隨著時(shí)間的推進(jìn)水沙分離效率急速的增加。當(dāng)95～125 min時(shí)，隨時(shí)間的推移，絮凝達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因泥沙沉降處在動(dòng)水環(huán)境下，水流紊動(dòng)對(duì)絮團(tuán)發(fā)育有影響，水流紊動(dòng)將會(huì)打破平衡，使得聚集的絮團(tuán)被破壞[21]，此時(shí)黏性泥沙顆粒之間的吸引強(qiáng)度變小，單個(gè)黏性細(xì)顆粒從大塊絮團(tuán)中分開(kāi)脫落，再隨著時(shí)間的推進(jìn)，分離后的黏性細(xì)顆粒泥沙逐漸會(huì)聚形成絮團(tuán)，因此隨著時(shí)間的推進(jìn)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(shí)間變化規(guī)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?yàn)轹w片間距增大則相鄰兩鰓片的垂直高度增加，在渾水進(jìn)口處的水流紊動(dòng)影響下，黏性泥沙顆粒形成絮團(tuán)下落的難度相對(duì)增大，因此延遲了泥沙絮凝沉淀的時(shí)間，減小了泥沙的沉淀速率，同時(shí)鰓片間距的增加使得分離鰓內(nèi)泥沙下沉和清水上升過(guò)程的水流循環(huán)環(huán)境更加不穩(wěn)定，更不助于系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)的鰓片個(gè)數(shù)越多，在實(shí)際運(yùn)用工程中在保證沉淀效率的同時(shí)也需要考慮到經(jīng)濟(jì)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(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(yàn)探究，得到了以下主要結(jié)論。

(1)當(dāng)鰓片間距為30、40、50、80、110 mm時(shí)，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(dāng)鰓片間距小于50 mm時(shí)，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(gè)數(shù)會(huì)增加，在實(shí)際運(yùn)用工程中考慮到沉淀效率以及經(jīng)濟(jì)效益，則選擇鰓片間距為50 mm的分離鰓最佳。

(3)當(dāng)時(shí)間為10～125 min時(shí)，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(shí)間的改變規(guī)律與普通管不同，普通管僅有緩慢增長(zhǎng)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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