动水条件下分离鳃水沙分离效率的分析

2019-06-20张继领陶洪飞姜有为马小翔麦麦提江热合曼杨保成阿卜杜热希提图尔荪艾斯喀尔图尔荪

节水灌溉 2019年5期

张继领，陶洪飞，姜有为，马小翔，麦麦提江·热合曼，杨保成，阿卜杜热希提·图尔荪，艾斯喀尔·图尔荪

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 前言

西北地区的地表水含沙量高且泥沙粒径极细，一般粒径小于30 μm的泥沙占含沙总量的40%以上，若不进行处理则极易造成微灌工程技术中的灌水器堵塞，但往往处理地表水中的黏性泥沙非常困难。目前是通过建立大型沉淀池对黏性泥沙进行沉降处理的方法，但该措施存在沉降时间长、占地面积大及投资大等缺点，在农业生产推广运用中具有很大的局限性[1-3]。为满足农业灌溉的需求，对研究高含沙量给水处理技术已十分必要。垂向异重流式混合流体分离鳃装置(简称“分离鳃”)在处理地表水中的黏性泥沙时，具有水沙分离速度快、占地面积小及投资少等优点[4]。目前，许多专家学者利用用物理模型试验、数值模拟和理论分析的方法对分离鳃进行了研究。朱超[5-9]、严跃成[10,11]、赵丽娜[12]、陶洪飞[13,14]开展了静水条件下的室内物理模型试验，根据试验结果探讨分析了分离鳃加速水沙分离的机理，优化了分离鳃结构，并从理论角度证明了结构设计参数的合理性，描述了分离鳃中水沙运动轨迹的原理图。罗菲[15]和陶洪飞[16-20]运用Fluent软件中的两相流模型对分离鳃在静水条件下的水沙两相流流场进行了三维数值模拟，通过物理试验与数值计算结果的对比，确定了模拟分离鳃在静水条件下的水沙两相流数学模型，并在此基础上对不同倾斜角、鳃片间及泥沙粒径下分离鳃中流场进行了数值模拟。前人几乎没有做过动水条件下分离鳃的水沙分离试验研究，笔者拟通过开展相同含沙量不同流量下分离鳃和普通管的物理模型试验，从而探究动水条件下分离鳃的水沙分离效率，为该装置在微灌工程或市政给水工程中推广应用提供理论支撑。

1 试验装置和材料

1.1 试验装置

图1表示分离鳃的三维示意图。从图1中可知分离鳃由普通管(没有布设鳃片)和鳃片构成；分离鳃的关键结构参数包括鳃片相邻间距d、鳃片与普通管的长度方向两侧壁和宽度方向两侧壁构成倾斜角α和β、鳃片和普通管之间设置的清水上升通道和泥沙下降通道宽度e和f；为了实现动水环境，分别在分离鳃宽度侧壁的泥沙下降通道和清水上升通道处设置浑水进口和清水出口，分离鳃底部设置排沙口。本次试验制作了1个分离鳃和1个普通管，2个装置外形及尺寸相同，即长度a=200 mm，宽度b=100 mm，高度h=1 000 mm；根据静水条件下的研究成果，关键结构参数的取值为d=50 mm、α=60°、β=45°、e=10 mm、f=10 mm；此次设置的浑水进口直径、清水出口直径、排沙口直径分别为20、20、2.5 mm，浑水进口位置距分离鳃顶端240 mm。

图1 分离鳃三维示意图Fig.1 Three-dimensional diagram of GPSD

图2为分离鳃循环装置示意图。从图2可知该循环系统由水箱、搅拌泵、抽水泵、分离鳃(或普通管)等构成。试验开始之前，利用搅拌泵将配置好的水和沙充分搅拌均匀，然后启动抽水泵将浑水注入分离鳃中进行水沙分离，沉降的泥沙通过排沙口进入水箱，而溢流的清水通过清水出口也进入水箱中，两者混合，重新构成一个动水循环系统。

图2 分离鳃循环装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of DPSD circulation device

1.2 试验材料

选用乌鲁木齐市西山的天然黄土作为试验泥沙，其泥沙颗分曲线如图3所示。由图3可知：颗粒粒径小于0.075 mm占100%，小于0.048 mm占80.4%，小于0.023 mm占47.8%，小于0.01 mm占26.0%，小于0.005 mm占13.5%，小于0.001 5 mm占6.6%，中值粒径D50为0.025 mm。

图3 泥沙颗分曲线Fig.3 Gradation curve of sediment

主要的试验仪器：电子台秤、精度0.01 g的电子天平、浑水搅拌泵、浑水抽水泵、锥形瓶、量筒、玻璃烧杯、玻璃搅拌棒、秒表、温度计、数码照相机。

2 试验方法和考核指标

为研究动水条件下分离鳃的水沙分离效率，开展分离鳃和普通管的对比试验。试验条件：含沙量取10 kg/m3，浑水进口流量为5种不同的流量，分别为 0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 m3/h。

2.1 试验方法

体积法测定流量。用玻璃烧杯在清水出口和排沙口取出一定体积的水样，同时用秒表记录时间t，并用量筒量出烧杯中水样的体积V，每一个位置的水样用量筒量取3次，取平均值为水样的最终体积，代入式(1)进行计算，从而得出清水出口Q清水出口和排沙口Q排沙口的流量。2者之和为分离鳃的进口流量Q浑水进口。

(1)

Q清水出口+Q排沙口=Q浑水进口

(2)

置换法测定含沙量。每一个位置用玻璃烧杯在清水出口、分流口和排沙口取出一定体积的水样采用精度0.01 g的电子天平称重3次，取3次称重的平均值为水样最终称重值，然后根据计算公式(3)和(4)计算出浑水含沙量值，即：

(3)

(4)

式中：S为浑水含沙量，kg/m3；m瓶+浑水为空锥形瓶和浑水的质量，kg；m瓶+水为空锥形瓶和自来水的质量，kg；m瓶为空锥形瓶的质量，kg；V瓶为空锥形瓶的体积，m3；ρs为泥沙密度，kg/m3；ρw为自来水的密度，kg/m3。

2.2 考核指标

水沙分离效率是分离鳃水沙分离性能的一项重要指标。水沙分离效率是指水沙分离前后含沙量之差与水沙分离前含沙量之比，其表达式为：

(5)

式中：η为水沙分离效率，%；S进为浑水进口含沙量，kg/m3；S清为清水出口含沙量，kg/m3。

耗水率是反应分离鳃水量损失的一项重要指标。耗水率W是指排沙口的流量与浑水进口的流量之比，其表达式为：

(6)

3 试验现象

分离鳃在动水条件下的试验现象同静水条件下有异同点。浑水通过浑水进口进入分离鳃中，因进水流速的影响，距离浑水进口位置一定范围内不会存在横向异重流和垂向异重流现象，且流量越大影响的范围也就越大，但超过这个范围可观察到分离鳃中存在同静水条件下观察到的试验现象，如图4(a)和(b)所示。相邻鳃片间的黏性泥沙沉降至鳃片上表面后形成泥沙流，泥沙流沿着鳃片的高端滑落至低端，再进入三角形泥沙通道中沉降至分离鳃底部，如图4(a)所示；而鳃片下表面的清水流则由鳃片低端流动至高端，再进入三角形清水通道上升至清水出口处，如图4(b)所示。将试验现象进行概化，如图4(c)所示，即泥沙流和清水流在鳃片间形成了一个逆时针方向的横向异重流，见图4(c)中箭头的虚线；泥沙通道中的泥沙流和清水通道中的清水流形成了顺时针垂向异重流，见图4(c)中带箭头的实线。

4 试验结果分析

4.1 分离鳃与普通管对比

表1为分离鳃与普通管的水沙分离效率对比。由表1可知：浑水进口流量相同时，分离鳃和普通管的水沙分离效率随时间的增加而增大，且分离鳃的水沙分离效率比普通管高；浑水进口流量为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 m3/h时，分离鳃的水沙分离效率分别是普通管的1.03～2.26、1.16～2.45、1.30～2.70、1.58～3.85、1.65～1.60倍；浑水进口流量相同时，分离鳃和普通管的耗水率相同，且浑水进水口流量越大，耗水率越小。

无论是不同流量和不同时间下，分离鳃的水沙分离效率都高于普通管。这是因为：①分离鳃中布置的鳃片将整个装置划分成多个独立的沉降区域，即将普通管垂直高度为1 000 mm的沉降区域缩短至两相邻鳃片间距为50 mm的沉降范围，因此大大缩短了泥沙沉降时间，提高了泥沙沉速，使得泥沙形成絮团快速沿鳃片上表面滚落至泥沙通道中，再同其他泥沙流沉降至分离鳃底部，而鳃片下表面的清水流则快速流至清水通道中，同其他清水流上升至分离鳃顶端，沿清水出口流出；②鳃片增加了过水断面湿周，缩小了水力半径，在相同浑水进口流量下，相对于普通管而言，降低了雷诺数，从而改善了水力条件，使得大部分泥沙在稳定的环境下沉降，减少了因水流紊动而带出分离鳃外的泥沙，降低了清水出口含沙量；③分离鳃水沙效率是沉降面积的函数[21]。分离鳃中安装了13张等间距鳃片，鳃片的水平投影面积为247 000 mm2，而普通管仅有20 000 mm2,从而使分离鳃增大了黏性泥沙的沉降面积，提升了分离鳃水沙分离效率。

图5表示120 min时不同浑水进口流量下分离鳃和普通管的水沙分离效率对比。从图5中可知，分离鳃随着浑水进口流量的增大，水沙分离效率呈先增大后减小的变化趋势，流量为0.9 m3/h时，水沙分离效率达到最大，为34.12%，而普通管则随着浑水进口流量的增大，水沙分离效率呈下降趋势。浑水进口流量大小对黏性细颗粒泥沙的絮凝有双重影响[22,23]。一方面，浑水进口流量增大，增大了黏性颗粒的碰撞概率，促进泥沙颗粒的黏结；另一方面，流量增大，会破坏絮团内部黏性细颗粒间结合不牢固的链结键。对于普通管而言，虽然浑水流量的增大能促进黏性泥沙形成絮团，但因为浑水进口靠近普通管顶端较近，黏性泥沙刚形成絮团还未来得及在重力作用下沉降，就被紊动的水流带出清水出水口，随着浑水进口流量越来越大，普通管中上部的黏性泥沙未形成絮团，便被带至清水出口处，故随着浑水进口流量的增大，水沙分离效率呈下降趋势。对于分离鳃而言，虽然浑水进水口位置相同，但因为分离鳃中安装了鳃片，从而使得水沙分离效率随浑水进口流量的变化规律不同。当浑水进口流量为0.3～0.9 m3/h时，鳃片间中紊动的水流增加了黏性泥沙颗粒碰撞概率，促进黏性细颗粒彼此互相结合形成絮团，大部分通过鳃片上表面和泥沙通道下降至分离鳃底端，而鳃片下表面和清水通道中的清水则流至清水出口，从而使清水出口溢出的含沙量减小，水沙分离效率提高，当流量达到0.9 m3/h时，黏性泥沙形成絮团的直径最大，泥沙的沉降速度最大，清水上升的速度也最大，从而使得在该流量下水沙分离效率最高。而当浑水进口流量增加至1.10 m3/h时，靠近分离鳃中上部的鳃片间水流破坏了絮团内部颗粒间连接不牢固的黏性颗粒，将大直径的絮团分解成小絮团，沉降速度降低，同时已形成的小絮团在浑水进口流量的作用下被带出清水出口，使得出口含沙量增大，于是降低了水沙分离效率。

图5 120 min时不同浑水进口流量下分离鳃和普通管的水沙分离效率对比Fig.5 GPSD compared with common pipe water sediment separation efficiency under different muddy water inlet flow at 120 min

4.2 不同流量下分离鳃的水沙分离效率对比

图6表示不同浑水进口流量和时间下的分离鳃水沙分离效率对比。从图6中可得出以下结论。

(1)不同浑水进口流量下分离鳃中的水沙分离效率随时间变化规律不同，浑水进口流量为0.3～0.9 m3/h时，水沙分离效率随时间的变化可分成缓慢增加、快速增加、缓慢增加3个阶段，而浑水进口流量为1.10 m3/h时仅有缓慢增加阶段。当时间为0～60 min时，为缓慢增加阶段，即水沙分离效率随着时间的增加而缓慢增加。原因是黏性泥沙在布朗运动、水流紊动、双电层等作用下，黏性细颗粒之间的公共吸附水膜将它们连结起来形成絮团，随着时间的推移，絮团粒径不断增加，从而水沙分离效率随时间的增加而缓慢增加。当时间为60～90 min时，为快速增加阶段，即水沙分离效率随着时间的增加而快速增加。该段时间分离鳃中黏性泥沙絮团粒径快速增大，其在鳃片和黏性泥沙通道中加速下降，清水也加速流至清水出口处，从而使得水沙分离效率快速增加。当时间为90～120 min时，恢复至缓慢增加阶段，即水沙分离效率随着时间的增加而缓慢增加。该段时间当絮团粒径随着时间的增大，黏性颗粒之间的公共吸附水膜吸附能力减弱，使得黏性细颗粒相互分离，分离之后，黏性细颗粒随着时间开始慢慢絮凝成团，从而水沙分离效率随时间的增加呈缓慢增加。流量为1.10 m3/h时，在0～120 min内未出现其他流量下的规律，因为浑水进口距离分离鳃顶端较近，浑水流量过大，在水流的紊动作用下，阻碍了黏性细颗粒之间的公共吸附水膜的吸附能力，直接将还未形成絮团的泥沙带入到分离鳃清水口处，造成清水口处含沙量同进入分离鳃中的含沙量相差不大，水沙分离效率增加缓慢。

(2)不同时间下，浑水进口流量为0.9 m3/h的水沙分离效率均高于其他流量，其水沙分离效率分别是 0.3、0.5、0.7、1.1 m3/h的1.10～1.37、1.09～1.32、1.07～1.29、1.46～3.85倍。