全沙排沙漏斗渾水流場特性及輸沙規(guī)律(1)

1、    全沙排沙漏斗渾水流場特性及輸沙規(guī)律(1)    本文通過全沙排沙漏斗三維流場的測試，分析了清、渾水流場流速分布特性和泥沙輸移規(guī)律，揭示了因泥沙的存在使清、渾水流場流速分布產(chǎn)生了較大的差異和高效輸沙的原因。 關(guān)鍵詞：全沙排沙漏斗 渾水流場 泥沙 模型試驗(yàn) 1 前言在多沙河流上引水所帶來的泥沙問題一直是重研究課題。通常采用沉沙池等設(shè)施對進(jìn)入引水渠道的泥沙進(jìn)行二次處理。由于沉沙池的截沙率很低，而排沙耗水率很高，一般為30%左右，甚至更高。而隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，需水量不斷增加，渠道的引水比不斷提高，一般為70

2、%，甚至更高，沖沙水量貧乏，人們不愿耗水沖沙，沉沙池很少使用或不用，造成池內(nèi)泥沙的大量淤積，產(chǎn)生惡性循環(huán)，直至沉沙池報(bào)廢，使引水渠道的泥沙危害更為突出。全沙排沙漏斗是近年研究成功的泥沙二次處理的科研成果。它不但可以有效地處理推移質(zhì)泥沙，而且可同時(shí)處理懸移質(zhì)泥沙，與沉沙池相比，不但結(jié)構(gòu)尺寸小，而且截沙率高，對于粒徑大于0.5mm的推移質(zhì)泥沙截沙達(dá)100%，粒徑大于0.05mm的懸移質(zhì)泥沙截沙率達(dá)90%以上，而平均排沙耗水率僅為3%，是一種高效排沙節(jié)水型的最先進(jìn)的泥沙處理設(shè)施。不僅可廣泛用于灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)供水和人畜飲水，還可用于挖泥船排出的泥漿脫水等領(lǐng)域。2 全沙排沙漏斗的基本結(jié)構(gòu)及其

3、工作原理2.1 全沙排沙漏斗的基本結(jié)構(gòu)    全沙排沙漏斗一般設(shè)于渠首后的引水渠道上，其基本結(jié)果如圖1所示，主由進(jìn)水閘、進(jìn)水涵洞、圓形漏斗室、水平懸板、調(diào)流墩、曲線形溢流堰、回水道、可調(diào)式排沙底孔和排沙廊道等結(jié)構(gòu)組成。 2.2 全沙排沙漏斗的工作原理全沙排沙漏斗之所以具有高效穩(wěn)定的排沙節(jié)水性能，是由其結(jié)構(gòu)型式所產(chǎn)生的水流特性決定的。          進(jìn)水涵洞 漏斗邊墻 調(diào)流墩 溢流邊墻 懸板 排沙底孔 排沙廊道 引水渠道圖1 排沙漏斗結(jié)構(gòu)示意圖Sketch of the S

4、and Funnel structure當(dāng)具有一定動能的含沙水流由進(jìn)水涵洞切向進(jìn)入漏斗室后，在漏斗圓形邊壁約束下促使水體產(chǎn)生一強(qiáng)迫渦，而漏斗中心排沙底孔的存在，由于重力作用使水體在底孔附近產(chǎn)生一自由渦；與此同時(shí)，因調(diào)流墩和水平懸板的調(diào)流作用產(chǎn)生多種副流。上述強(qiáng)迫渦、勢渦和多種副流耦合形成了穩(wěn)定的立軸型螺旋流。泥沙隨螺旋水流運(yùn)動，由于推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙在水中的運(yùn)動特性不同，沉降輸移的路徑和距離也不同，依泥沙粒徑大小先后沉降輸移至排沙底孔，由排沙廊道輸送至河道。經(jīng)漏斗分離后的清水則由曲線形溢流堰流入回水道進(jìn)入原引水渠道，從而完成水沙分離的全過程。由于空氣漏斗的存在減少了排沙底孔過水?dāng)嗝?，使沖沙水量

5、減小。3 模型試驗(yàn)裝置及測試方案3.1 模型試驗(yàn)裝置模型試驗(yàn)裝置為一清、渾水自循環(huán)系統(tǒng)。全沙排沙漏斗模型結(jié)構(gòu)尺寸為：進(jìn)水涵洞寬30cm，高10cm，漏斗室直徑150cm，水平懸板中心角180°，板寬30cm，漏斗徑向底坡1/10，曲線形溢流堰長為漏斗室周長的四分之一，在水平懸板末端設(shè)置調(diào)流墩，排沙廊道縱坡1/50。    33。 3.2 測試斷面及測點(diǎn)布置試驗(yàn)選擇8個(gè)垂直測試斷面，根據(jù)不同水深布置6個(gè)水平測試斷面，以等距離5cm布置測點(diǎn)。         圖2 測試

6、斷面、測線及測點(diǎn)布置圖Layout of the measuring profile, measuring line and measuring point測試斷面及測點(diǎn)布置如圖2所示。4 全沙排沙漏斗清水流場特性4.1 清水流場切向流速分布規(guī)律清水流場切向流速V在不同的區(qū)域其分布規(guī)律亦不同，如圖3所示。根據(jù)切向流速V沿徑向的分布特性，可將漏斗室流場分為兩個(gè)區(qū)域，即漏斗內(nèi)區(qū)(r0r0.6R,r0為排沙底孔半徑，r為距全沙排沙漏斗中心的距離，R為全沙排沙漏斗半徑，下同)和漏斗外區(qū)(0.6RrR)。在漏斗內(nèi)區(qū)，切向流速V與r呈指數(shù)關(guān)系，V隨r的增大而減小；在漏斗外區(qū)，切向流速V與r呈線性關(guān)系。在靠

7、近水面及漏斗底部一定范圍內(nèi)，切向流速V沿水深方向有一流速梯度，其大小隨測線位置的不同而不同，而在中部的切向流速V沿水深基本沒有變化，在漏斗內(nèi)區(qū)這一特性更為顯著，如圖4所示。            摘本文通過全沙排沙漏斗三維流場的測試，分析了清、渾水流場流速分布特性和泥沙輸移規(guī)律，揭示了因泥沙的存         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作

8、者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。            圖3 2斷面切向流速徑向分布Tangential velocity distribution along radial direction in section-2    圖4 2斷面切向流速軸向分布Tangential velocity distribution in vertical direction in

9、section-24.2 清水流場徑向流速分布規(guī)律清水流場徑向流速Vr在不同的斷面上沿徑向的分布具有相同的趨勢，即隨著r的減小逐漸增大，在漏斗中心的排沙底孔附近達(dá)到最大值，如圖5所示，在漏斗內(nèi)區(qū)，徑向流速Vr在徑向遵循雙曲線分布規(guī)律。徑向流速Vr在漏斗內(nèi)區(qū)沿軸向趨于均勻，而在漏斗外區(qū)，徑向流速沿軸向并非均勻分布，如圖6所示。試驗(yàn)資料同時(shí)也表明，在漏斗外區(qū)，位于水平懸板末端和調(diào)流墩后附近斷面靠近漏斗邊壁的徑向流速Vr，局部出現(xiàn)了反向值，且在水深方向分布也并不均勻，說明水平懸板末端的水流比較紊亂。而在水平懸板下面的斷面，徑向流速Vr則比較穩(wěn)定。    

10、60;       圖5 6斷面徑向流速徑向分布Radial velocity distribution along radialdirectionin section-6    圖6 2斷面徑向流速軸向分布Radial velocity distribution in verticaldirectionin section-24.3 清水流場軸向流速分布規(guī)律如圖7、8所示，由四川聯(lián)合大學(xué)高速水力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的清水流場的試驗(yàn)資料表明，軸向流速VZ(向下為正，向上為負(fù))較切向流速

11、V和徑向流速Vr小得多，軸向流速VZ隨r的增大而減小。在漏斗區(qū)內(nèi)，軸向流速VZ隨水深的增大而增大，且方向均向下。而位于水平懸板末端和調(diào)流墩后的附近區(qū)域，各向流速分布均較紊亂，并出現(xiàn)了向上的軸向流速VZ值，這不利于泥沙的沉降和排除。            圖7 3斷面軸向流速軸向分布Axial velocity distribution in vertical direction in section-3    圖8 3斷面軸向流速徑向分

12、布Axial velocity distribution along radial direction in section-3    5 全沙排沙漏斗渾水流場特性圖915給出了清、渾水流場切向流速和徑向流速分布規(guī)律。由試驗(yàn)資料可看出，無論是清水還是渾水，切向流速沿徑向分布及徑向流速沿軸向分布規(guī)律基本一致，泥沙對于漏斗流場的影響主表現(xiàn)在切向流速沿軸向分布和徑向流速沿徑向分布規(guī)律上。5.1 渾水流場切向流速分布特性圖9和圖10給出了清水、渾水條件下同一斷面不同水深的切向流速V的徑向分布。從圖中可以看出，切向流速V的徑向分布規(guī)律基本相同，其切向流速V隨r的增

13、大而減小。渾水切向流速V值較清水平均增大約35%，而這種增幅是隨r的增大而增加。圖11和圖12給出了不同斷面清、渾水切向流速V的軸向分布。從圖中可以看出，泥沙對于切向流速在軸向的分布影響是明顯的，特別是在漏斗內(nèi)區(qū)，渾水的切向流速V在軸向的分布更為均勻。隨著r的增大，在漏斗外區(qū)，清、渾水的流速分布規(guī)律趨于一致。說明內(nèi)區(qū)水流受泥沙影響顯著。5.2 渾水流場徑向流速分布特性泥沙對于徑向流速Vr沿徑向分布影響較大。在接近漏斗水面，清、渾水的徑向流速Vr的徑向分布規(guī)律是相同的，如圖13所示。但其值卻相差很大，渾水較清水的徑向流速Vr的徑向分布平均增大了一倍以上。而在漏斗的底部，清、渾水的徑向流速Vr的徑

14、向分布規(guī)律不相同，如圖14所示。說明泥沙對于徑向流速沿徑向分布的影響更為突出。泥沙對于徑向流速在徑向的影響范圍大小與斷面位置有關(guān)。對于遠(yuǎn)離水平懸板和受進(jìn)口條件影響較小的斷面(如2、3斷面)，水流比較穩(wěn)定，有利于懸移質(zhì)泥沙的沉降，大量泥沙在該區(qū)域沉降下來，因此在該區(qū)域泥沙在軸向影響范圍較大。而在其他區(qū)域(如5、6斷面)，一般是粗顆粒泥沙的沉降，受重力作用顯著，因此，泥沙對水流特性影響的水深范圍就很小。            圖9 2斷面(Z=8cm)切向流速徑向分布Tangen

15、tial velocity distribution along radialin section-2(Z=8cm)    圖10 2斷面(Z=-1cm)切向流速徑向分布Tangential velocity distribution along radialin section-2(Z=-1cm)            圖11 1斷面切向流速軸向分布Tangential velocity distribution in vertica

16、lin section-1            摘本文通過全沙排沙漏斗三維流場的測試，分析了清、渾水流場流速分布特性和泥沙輸移規(guī)律，揭示了因泥沙的存         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。    

17、;圖12 6斷面切向流速軸向分布Tangential velocity distribution in verticalin section-6            圖13 2斷面(Z=14cm)徑向流速徑向分布Radial velocity distribution along radial directionin section-2(Z=14cm)    圖14 2斷面(Z=-1cm)徑向流速徑向分布Radial velocity

18、 distribution along radial directionin section-2(Z=-1cm)泥沙對于徑向流速在軸向分布的影響與切向流速在軸向分布的影響相似，即清、渾水的徑向流速的軸向分布規(guī)律是相同的，如圖15所示。上述清、渾水流場對比分析表明，切向流速沿徑向的分布規(guī)律與徑向流速沿軸向的分布規(guī)律在清、渾水情況下基本是一致的，只是由于泥沙的存在，使渾水流速分布較清水更均勻，而在數(shù)值上有較大差異，即渾水較清水流速增大很多。6 全沙排沙漏斗的泥沙輸移規(guī)律處理水中的泥沙，首先使水中的泥沙能夠沉降下來；其次是沉降下來的泥沙通過一定的措施順利地排除。全沙排沙漏斗具備上述兩方面的條件。全沙

19、排沙漏斗所形成的水流是典型的三維螺旋流，其切向、徑向和軸向流速對泥沙的沉降、輸移和排除起到了關(guān)鍵作用。方向向下的軸向流速促使泥沙的沉降，指向漏斗中心的徑向流速將泥沙輸送至排沙底孔排除掉，而切向流速起維持漏斗渦流強(qiáng)度的作用。切向流速是漏斗渦流的主流，徑向和軸向流速是漏斗渦流的副流，主流和副流的耦合形成了漏斗渦流。在這種渦流作用下，泥沙在向下沉降的同時(shí)向排沙底孔輸移而被排除掉。通過試驗(yàn)分析，根據(jù)泥沙在全沙排沙漏斗內(nèi)的輸移沉降特性不同，可將全沙排沙漏斗分為懸板區(qū)、調(diào)流區(qū)、非懸板區(qū)和中心區(qū)，如圖16所示，其輸沙規(guī)律如下。       

20、;     圖15 8斷面徑向流速軸向分布Radial velocity distribution in vertical directionin section-8    圖16 泥沙沉降、輸移分區(qū)圖Block plan of sediment depositionand transportation懸板區(qū)，由于徑向流速和軸向流速均較大，對于能在該區(qū)域沉積下來的泥沙，主是重力作用占主導(dǎo)地位，即泥沙是以推移質(zhì)的形式進(jìn)入漏斗室，是水沙分離狀態(tài)。沉積下來的泥沙在很大的徑向流速和軸向流速的作用下迅速輸移至排沙底孔，因此，該區(qū)域有利于泥沙的輸移。調(diào)流區(qū)，該區(qū)域是調(diào)流墩前后、水平懸板和非水平懸板變更所形成的區(qū)域，其邊界條件非常復(fù)雜，水流很紊亂。對于推移質(zhì)泥沙一般不能進(jìn)入該區(qū)域，而懸移質(zhì)泥沙在該區(qū)域水流很紊亂的情況下又很難沉降分離出來，因此，該區(qū)域即不利于泥沙的沉降也不利于泥沙的輸移。非懸板區(qū)，該區(qū)域?yàn)榉撬綉野鍏^(qū)域，水流穩(wěn)定，軸向流速方向全部向下，且流速較小，因此，該區(qū)域有利