旋流排淤器进口流速场试验研究

2019-04-20琦杰凌峰

人民珠江 2019年4期

，琦杰，凌峰

(华北水利水电大学，河南郑州450045)

随着中国水利事业的发展，20世纪中叶建设的多数水库泥沙淤积问题日益严峻。针对水库泥沙淤积问题，中国的水利工作者探索出了蓄清排浑、引洪淤灌、机械排淤等多种措施，以求“拦、排、用”等技术手段处理泥沙,以缓解水库淤积，提高水库的兴利效益。就水库防治措施而言，总体上可分为三大类：减少入库泥沙、排浑减淤及排淤，但运行管理均较复杂、成本费用较高[1]。

20世纪60年代美国、日本、印度、巴基斯坦和尼泊尔等国家开始对涡管螺旋流排沙进行试验研究，之后涡管螺旋流排沙技术在一些地区得到了实践运用[2-3]。

中国对螺旋流排沙的研究始于20 世纪70 年代末, 西北水科所王庆祥等[4](1986年)较早进行了理论分析和模型试验。20世纪90年代，太原理工大学水力系的一些研究者将圆管螺旋流引入了输沙领域，对其水利特性[5]、固粒的轨迹与分布[6]、输送能耗[7]、模型相似率[8]以及圆管螺旋的起旋方式[9]等方面进行了研究，取得了一定的成果。圆管螺旋流输沙这一输沙方式，可大大降低管内流速，并使工程的高浓度、低耗能成为可能，对于管道朝着安全型、节能型的方向发展有着重要的意义[10]。

螺旋流输沙的技术关键首先是如何在管道中产生螺旋流[11]。螺旋流常规的产生方法一般有3种：安装导流片、切向进流及旋转管道[12]。按照起旋器的结构又可分为: 局部起旋方式的起旋器、全程起旋方式的起旋器、切向进流方式的起旋器、轴对称面内小孔径向向心射入的进流方式起旋器、环状轴对称开口径向进流加锥形收缩管方式起旋器、能产生螺旋流的弯头起旋器等6种[13]。

但在利用螺旋流输送之前的工作，首先的问题是让泥沙再起动。本文提出的旋流排淤器，即旋流吸泥头，采用切向进流的方式产生盘状螺旋流，利用吸泥头与淤积泥沙之间的导流缝隙产生高速水流使泥沙起动并进入螺旋输送管道中，因此螺旋吸泥头是圆管螺旋流输沙运行的核心装置。本文针对排淤器不同导流布置方式的优劣进行试验研究，探讨不同导流安放角对排淤器进口流速场的影响，为排淤器有效排淤建立基础。

1 排淤器原理

旋流排淤器工作原理及排淤器模型见图1。排淤器利用上下游水头差将夹带泥沙的高速水流吸入排淤器中，起旋部位在头部圆锥过流面，过流面设置多条起旋条，目的是引导水流切向进入旋流管。水流在压力差作用下，从四周进入圆盘状的缝隙，以螺线形式到达中部，使其与管壁相切，并从旋流管中排出[14]。

排淤器的主要控制因素包括起旋条及其安放角。起旋条，即在排淤器圆盘过流面引导水流进入旋流管，同时使水流在横截面方向产生旋流的装置。起旋条安放角，即起旋条两端相切平面相交形成的夹角，见图1 c。起旋条安放角的变化对排淤效果的影响不仅体现在引导水流行进方向方面，也同时体现在改变水流流程大小方面。安放角增大，则流程加长，沿程水头损失与局部水头损失发生相应变化，同时中心旋流管切向流速也产生变化。

多年的室内试验和工程应用结果表明：螺旋流排沙的确具有排沙效率高、消耗水量少、结构简单、施工方便等优点，它对排除水库电站和灌溉引水渠道的推移质泥沙是行之有效的。

2 试验研究内容、设备及方案

2.1 试验研究内容

本试验旨在研究基于螺旋流排沙原理的旋流排淤器的进口的流速场，选取圆管螺旋排沙器进口流场作为研究方向，着力研究在其他条件选定的情况下，5个不同的起旋条安放角(分别为10°、15°、20°、30°和45°)对吸泥头中心旋流管的切向涡流流速的影响，从而得到旋流管切向流速在安放角变化时的变化趋势，确定中心旋流管切向流速最大、也就是挟沙能力最强时的起旋条安放角。

2.2 试验设备

本试验设备主要由可调频潜水泵、简易水池、螺旋吸泥头、吸泥头固定装置、含壁面测压孔的吸泥头盖板、压力传感器、输水管路等组成(图2)。

由于实际工作情况下吸泥头朝下，如在试验中如此布置对流速等数据的测量工作较为不利。因此在测量试验中选择忽略重力影响，图2所示将吸泥头倒扣朝上，使用顶盖模拟实际情况下的库底泥沙面，同时在顶盖面钻孔布置测量仪器，方便数据采集。试验设备示意及9个测量点位见图3、表1。

测点编号与旋流管中心距离142638410512614716818920

为避免测量点过密导致测量区域的流场变化，9个测量点分布在3个相邻的过流区中；7个同心圆将顶盖圆台的母线8等分，相邻圆半径差为2 cm；起旋条模拟线将原先由起旋条八等分的3个过流区再次等分；7条曲线及内外边界圆上的9相交点即为测量点。在起旋条安放角不断变化的情况下，测量点的位置也相应不断微调。

与测压孔相连的压力传感器共10组，除9个顶盖压强测量点外，加设1个静水位水头测量管来监控实验过程中的水池静水位变化。本试验控制控制水池静水水头不变，分别测量10°、15°、20°、30°、45° 5个起旋条偏转角配置在10个水流流量梯度下各个测量孔位的流速分布，并对数据进行分组对比。流量选择7 000～20 000 L/h，在8 cm内径旋流管中的总体轴向流速范围为0.387～1.11 m/s。

2.3 试验方案

由于试验模型起旋条高度较小(12 mm)，无法打孔插入ADV、旋桨流速仪等流速测量设备，因此由直接测量流速v转为测量壁面压强p。根据伯努利能量方程变形：

(1)

保持水池水位始终不变，z1=z2为常数。水泵开启前处于静水状态，v1=0。式(1)可改写为：

(2)

式中 Δp=p1-p2。由此，通过测量过流区的顶盖壁面压强可以得到测量点的流速v2。

其中2—9号测量点的测量值为每个过流区中心的水流流速；1号测量点紧贴中心旋流管管壁，体现的是旋流管切向漩涡流速。在突出螺旋管流节水、节能优势的背景下，控制入流总水头不变，旋流管内切向旋流流速越大，则轴向推进流速越小，水流流量越小，耗水量越小，同时挟沙能力也越强。因此，5个安放角的系列试验取得的数据中，能使1号点位流速最大的安放角度即为最宜角。

分析测量数据需要注意的是：压力传感器的显示数值滞后于实际水流流速的变化，因此中心处的测量值仅代表该点附近的长时平均流速，并非主流流速或断面平均流速，可能会存在横截面面积小的断面选点的流速测量值反而小于截面面积大的测量值。

3 试验成果及数据分析

3.1 中心旋流管切向流速分析

根据试验测量数据，单独取出各个角度、流量下1号点位的测量数据见图4。

通过数据分析可以看到，在7 000～9 000 L/h的流量范围内，起旋条安放角15°布置情况下的中心漩涡流速相对更大；当入流流量增加到10 500～15 000 L/h时，45°布置下漩涡流速更大；当流量进一步增加到16 500～20 000 L/h时，15°布置下的流速更高。

对数据进一步对比可以发现，入流流量范围在7 000～12 000 L/h时，10°、15°、20°、45°布置之间的切向流速差并不大，尤其是15°与45°之间各个流量下的最大流速差Δvmax仅为0.055 m/s；流量范围在13 500～15 000 L/h时，45°布置的流速高于其他4类布置，而10°、15°、20°布置之间的流速差距不大；当入流流量达到16 500 L/h以上时，15°布置的流速明显更高，而其他4类的流速差距也较为明显。

在所有入流流量范围内，30°布置的切向流速始终明显低于其他4类，因此30°角可以确定为挟沙能力相对最差的起旋条安放角。在最优安放角的选择上，7 000～15 000 L/h的入流流量范围内，可以选择45°作为螺旋吸泥头的安放角；而当流量为16 500 L/h以上时，15°布置的流速明显更高，因此选择15°作为安放角更宜。

从旋涡流速随安放角度变化趋势上看，可以看到从10°～15°布置变化时，中心漩涡流速呈上升状；而从15°～30°变化时，流速开始减小，在30°达到极小值；而在30°向45°变化时，流速再一次提高。

3.2 过流区测量点流速分析

以安放角20°布置为例，对单组配置在不同流量下流速区距离旋流管中心点不同距离的9个测量点的流速进行取样分析见图5。

可以看到，随着入流量的增大，各测点的测量流速的上升趋势较为明显，部分测点的流速偏差基本在正常的测量误差内。可以看到距中心16、18、20 cm测点间的流速变化较为明显和异常，12、14、16 cm测点的测量数据可能偏小。根据公式：

Q1A1=Q2A2

(3)

18 cm测点的流速应小于16 cm测点，同理，16 cm测点应小于14 cm测点；实际试验读数得到的数据显示各组布置下的12、14、16 cm测点中均存在一个流速极小值。

经过分析，问题在于确定测量点位置时选用了界面中点作为流速测点。而水流在进入吸泥头过流面的前期受到起旋条的影响较小，因此18、20 cm测点的测量数据接近主流流速；而水流经过过流面中部时受到起旋条的引导和影响，可能存在主流偏移的现象。因此中部测量点测量的流速并非主流流速而为边缘流速，所以存在近中心测点流速小于远点流速的可能。过流面实际主流位置和朝向猜想见图6。

此外，距中心4～8 cm间的流速变化幅度较8～20 cm间的幅度明显加大，且在实际测量度数过程中发现近中心测点读数震荡幅度较大，而压力传感器反应的流速大幅滞后于实际流速情况，说明在靠近中心旋流管的过程中过流断面迅速缩小，导致近中心过流面的水流极紊，流速剧烈变化，存在水头损失。

经测量计算，过流面出口、中心旋流管进口的截面面积约为1.10×10-3m2，在流量为20 000 L/h时的理论断面最大流速为约5.05 m/s，而本节分析的20°角布置试验中，4 cm测点的实测流速为3.775 m/s，说明水流通过吸泥头的局部水头损失接近总水头的25%，存在水头损失较大的情况。

3.3 涡旋强度研究

涡旋强度的计算公式：

Ω=2ωΑ

(4)

式中Ω——涡旋强度，rad·m2/s；ω——旋流的角速度，rad/s；A——过水面积，m2。

以20°试验为例，研究排淤器在不同水泵功率下的各测点流速对应的角速度和涡旋强度，可以得到20°安放角的旋流排淤器在不同水泵功率下对应的上距中心点不同距离的各个测点处涡旋强度的曲线见图7。

由于过流断面的半径、面积A为固定常数，因此流速v为唯一变量，所以不同角度不同测点处的涡旋强度的变化趋势和对应流速的变化趋势基本一致。在安放角度相同的情况下，对于同一测点，涡旋强度随着流量增大而增大。

对比试验数据，距中心10 cm的4号点在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。同一偏转角度的旋流排淤器上从6 cm测点到18 cm测点在不同流量下测点的涡旋强度变化不大，取10 cm测点与18 cm测点作为代表进行分析。18 cm测点整体上涡旋强度小于10 cm测点，其他规律则一致。对于2个测点，由图表可明显看出其涡旋强度与水泵提供的流量变化及起旋条安放角有关，但影响相对较小。