动水条件下鳃片间距对分离鳃水沙分离效率影响试验

2020-12-17宋睿明陶洪飞马合木江艾合买提杨文新姜有为张继领

中国农村水利水电 2020年12期

宋睿明，陶洪飞，马合木江·艾合买提，李巧，杨文新，姜有为，张继领

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

西北地区的新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋、降水稀少、蒸发强烈，其农业灌溉用水占新疆用水总量的90%以上，是一个农水资源紧张短缺且利用效率低的地区[1]。为了避免水资源的浪费，当前所运用的节水灌溉技术有微灌、喷灌及低压灌溉等，但在新疆使用节水灌溉设备灌溉时，由于该地区河流中的泥沙颗粒径小且河水含沙量高，大多数滴灌带容易发生堵塞[2]。因而处理含沙量高且粒径小的泥沙是新疆节水灌溉技术研究的重点之一。在使用沉淀池处理农业灌溉用水的黏性泥沙时，其有占地面积大和沉淀时间长的局限性[3]。为此邱秀云等研制出一种新式的水沙分离装置-分离鳃，其优点为占地面积小，水沙分离效率高，经济实用[4]。目前，有关专家学者开展了分离鳃在静水和动水环境中的相关试验和数值模拟工作。严跃成[5]、朱超[6-9]研究了分离鳃中的垂向和横向异重流现象并对其进行了初步的结构优化，陶洪飞[10-13]通过物理试验深入研究了静水条件中分离鳃在不同含沙量、鳃片间距、鳃片倾斜角下的结构特征与相关特性，并通过数值模拟描述了分离鳃中的内部流场，揭示了分离鳃中水沙加速分离的机理，从理论的角度验证其结构参数的合理性。张继领[14]探讨了在动水环境下浑水进口流量对分离鳃水沙分离效率的影响，获得了动水条件下水沙分离规律。本文基于上述研究成果，通过物理模型试验和数值模拟进一步探究在动水环境下鳃片间距对分离鳃中水沙分离效率的影响，从而为分离鳃在今后农业灌溉实际运用中提供理论根据和技术支持。

1 试验装置和材料

1.1 物理试验装置

图1为分离鳃的结构图。试验所用分离鳃使用透明亚克力板制成，并由鳃片和普通管(内无四边形鳃片)组成关键部分。分离鳃的主要尺寸为200 mm×100 mm×1 000 mm(a×b×h)，各鳃片与矩形普通管长、宽方位垂直壁面构成两个不同的倾斜角：α=60°、β=45°。分离鳃中设置有水平面投影为三角形区域的两个通道，分别为清水通道e和泥沙通道f，两通道宽度都为10 mm。在左右两侧壁上分别设有浑水进口通道和清水出口通道，其直径均为20 mm，其中清水出口位置和浑水进口位置分别距离分离鳃底部950和760 mm。分离鳃的最顶端为开口状，最底端设有直径为2.5 mm的排沙口通道。在开展分离鳃静水沉降试验中，可知鳃片间距为50～150 mm对清水层厚度和泥沙的沉降速度影响较大[15]。基于以上研究成果，制作鳃片间距为50、80、110 mm的分离鳃3个和同尺寸同材质的普通管(无鳃片)1个，进一步开展动水环境中的对比试验。

图1 分离鳃三维结构图

静水条件下分离鳃的四周及底部封闭，顶部与外界大气相接，实验时浑水从顶部直接灌入，泥沙自然沉降。而动水条件下的分离鳃设置有进水口、出水口及排沙口，实验过程中有出入流，系统内部为循环的整体。图2是分离鳃浑水循环装置结构图。先用搅拌泵将计算所得泥沙和清水搅拌均匀，然后通过抽水泵将浑水沿着进水口管道抽入分离鳃内，进行水沙分离，清水通过清水出口流出，泥沙则通过排沙口排出，两者都进入水箱中重新混合，从而构成循环体系。

图2 分离鳃浑水循环装置结构图

1.2 物理试验材料及仪器

图3为试验所用泥沙的颗分曲线，本次试验用泥沙来自于乌鲁木齐市的西山附近，泥沙颗粒的粒径均小于0.075 mm，其中中值粒径D50为0.025 mm。在黏性细颗粒泥沙中，絮凝临界粒径Dk的值为0.032 mm，当小于该数值时，泥沙会发生絮凝沉降，而大于该数值时，则不会发生絮凝现象[16]。

图3 试验泥沙颗分曲线

试验所需仪器主要包括：电子天平(精确度0.01 g)、锥形瓶(500 mL)、单反照相机、电子台秤(最大量程60 kg)、玻璃量筒(250 mL)、抽水泵、搅拌泵、红外测温器、秒表、水平玻璃盖、烧杯(500 mL)、塑料桶等、卷尺、流速仪、密度仪。

2 数值模拟介绍

考虑到物理试验模型的制作成本、难度及精度，鳃片间距在50 mm以下的则采用数值模拟进行补充。在分离鳃的前期研究中，罗菲[17]对动水条件下的分离鳃开展了部分数值模拟计算，验证并得到了有效的数学模型(多相流模型—混合模型(Mixture)与湍流模型—RNGk-ε模型)。在此基础上，本文运用Gambit软件构建鳃片间距为40和30 mm的两个分离鳃三维模型，其中采用物理模型试验中所用的分离鳃尺寸构建几何模型，其长度a、宽度b、高度h、清水通道、泥沙通道、鳃片间距d、长方向倾斜角α、宽方向倾斜角β、浑水进口直径、清水出口直径、排沙口直径，分别为200 mm、100 mm、1 000 mm、10 mm、10 mm、50 mm、60°、45°、20 mm、20 mm、2.5 mm。并通过CFX软件采用以上数学模型(Mixture和RNGk-ε模型)进行计算。

分离鳃中的固体壁面(鳃片、浑水进口、清水出口、排沙口和内外边壁)，设为固壁边界(Wall)；浑水进水口边界，设为速度进口(Velocity-inlet)；出水口边界，设为平均静压力出口(Average Static Pressure-outlet)。同时在CFX处理器中，设置水为主相，沙为次项，并假定沙粒为球形，设置其平均粒径为0.025 mm，密度ρs为2 650 kg/m3。

其中基本控制方程和计算区域的离散采用控制体积法，对流项的离散采用二阶High Resolustion方法，由于分离鳃内部结构相对复杂，采用非结构性网格进行网格划分，并通过Tecplot软件和CFD-post软件对计算结果进行后处理。

3 试验工况、方法及考核指标

3.1 试验工况

本试验取浑水进口流量q=0.9 m3/h，即流速为78 cm/s，同时取含沙量hs=10 kg/m3[18]，分别开展动水环境中鳃片间距为50、80、110 mm工况下的分离鳃和无鳃片普通管的物理模型试验，以及分离鳃鳃片间距为30、40 mm的数值模拟。

3.2 试验方法

物理模型试验采取置换法原理检测配水的含沙量。根据公式(1)计算出锥形瓶体积，后根据公式(2)得出试验中浑水含沙量数值。

(1)

(2)

式中：v锥为锥形瓶体积，m3；m锥+盖+水为锥形瓶、玻璃盖和水的质量，kg；m锥+盖为锥形瓶和玻璃盖的质量，kg；hs为含沙量，kg/m3；m锥+盖+浑水为锥形瓶、玻璃盖和浑水的质量，kg；ρns为泥沙密度，kg/m3；ρw为不同室温下对应的水的密度，kg/m3。

数值模拟的计算结果通过CFD-post软件，提取出浑水进口和清水出口两个断面处泥沙的平均体积比，由公式(3)计算出两断面处的含沙量。

(3)

弗劳德数值，是水的惯性力与重力之比，用来确定水流的动态如急流、缓流，由公式(4)计算得出。

(4)

式中：Fr为弗劳德值；v为水流平均流速，cm/s；g为重力加速度，取981 cm/s2；h为平均水深，cm。

3.3 考核指标

水沙分离效率的计算表达式见公式(4)所示，是目前考核分离鳃水沙分离性能的一个重要指标。

(5)

式中：n为水沙分离效率，%；hs进口为浑水进口含沙量，kg/m3；hs出口为清水出口含沙量，kg/m3。

4 试验现象与分析

图4表示在125 min时，鳃片间距为50、80、110 mm的分离鳃和普通管中间部分的物理试验现象以及鳃片间距为30、40 mm的分离鳃中间部分的速度矢量分布。在鳃片间距为50、80、110 mm的分离鳃中均存在垂向和横向异重流现象而无鳃片的普通管中则无此现象。如图4(a)～(c)所示：分离鳃中间部分的黏性泥沙沉落在鳃片的上表面并汇聚形成泥沙流，通过三棱柱型泥沙通道沉降到底部，鳃片下表面则汇聚形成清水流并沿着三棱柱型清水通道上升到顶部清水出口处。泥沙流(密度为2 130.16 kg/m3)与清水流(密度为997.05 kg/m3)之间形成了密度差，引起了密度大的流体向下、密度小的流体向上的异向流动，使上下两鳃片间的泥沙流和清水流形成逆时针方向的横向异重流[见图4(g)中实线]，在两侧的三棱柱型泥沙通道和清水通道中的泥沙流和清水流则形成了顺时针方向的垂向异重流[见图4(g)中虚线]。

在鳃片间距为30和40 mm的分离鳃中，泥沙流与清水流的运动如图4(e)和图4(f)所示：分离鳃的两侧速度流线方向相反，左侧流线密集向上而右侧则向下密集分布，分别为清水通道中的清水流和泥沙通道中的泥沙流，形成了明显的垂向异重流现象。鳃片上表面的速度流线主要显示为泥沙流，在鳃片上表面的下端大部分流线向下，小部分流线指向相邻鳃片下表面；同时在鳃片上表面的上端一小部分流线则向上运动，尤其在鳃片间距为30 mm的分离鳃中更为突出，此时分离鳃内的横向异重流现象不明显。

图4 不同鳃片间距的分离鳃和普通管在125 min时中间部分的试验现象

表1为不同鳃片间距的分离鳃和普通管在中间位置(水深50 cm)的平均流速和Fr值。从表1可以发现，不同鳃片间距的分离鳃在中间位置的平均流速均小于40 cm/s，其中鳃片间距为30～50 mm的小于30 cm/s，更有利于泥沙的沉降分离，而普通管在同位置的平均流速则明显较大，是不同鳃片间距分离鳃的6.15～9.38倍，其不利于泥沙的沉降，这是因为黏性泥沙在流速为40 cm/s以上时基本不发生絮凝，而当流速小于30 cm/s时，絮凝沉降效果较好[19]；同时在相同位置处，不同鳃片间距下分离鳃中的Fr值均小于1，此状态下水流为缓流，分离鳃内水体的紊动性较小，其有利于异重流的形成，而普通管中的Fr值则大于1，水流表现为急流，水体的紊动性大，此时黏性泥沙均匀悬浮于普通管内，无异重流现象产生。

表1 不同鳃片间距分离鳃与普通管在中间位置的平均流速和Fr值

5 试验结果与分析

表2为不同鳃片间距的分离鳃和矩形普通管的水沙分离效率对比。从表2可得出以下结论。

表2 不同鳃片间距分离鳃与普通管的水沙分离效率对比

(1)相同条件时，分离鳃与矩形普通管的水沙分离效率伴随着时间的增加而增加，普通管的水沙分离效率均比不同鳃片间距的分离鳃低。

(2)当分离鳃的鳃片间距为30、40、50、80、110 mm时，分离鳃中的水沙分离效率分别为普通管的1.70～3.76、1.71～3.75、1.71～3.76、1.38～2.63、1.25～2.13倍。鳃片间距为30 mm时，水沙分离效率达到最高，为35.21%。

(3)鳃片间距为30和40 mm的水沙分离效率分别为35.15%和35.12%，当鳃片间距小于50 mm时，水沙分离效率随鳃片间距的减小变化不大。

分析出现以上试验结果的原因如下。

(1)鳃片的存在，使矩形普通管被分割为多个不同的泥沙沉降和清水上升区域。黏性泥沙在下沉过程中产生的刚性空间结构被鳃片破坏，泥沙用沿着鳃片与矩形管壁组成的泥沙通道滑落聚集至排沙口，因此加剧了黏性泥沙的沉淀，提升了分离鳃中的水沙分离效率。

(2)普通管中设置鳃片后，鳃片增加了分离鳃内部的过水断面湿周，在一定范围内鳃片间距越小，过水断面湿周越大，从而水力半径越小，雷诺数也就越小，而雷诺数反映了泥沙运动的水力条件，该值越小说明黏性泥沙在沉降时的水流环境越稳定，其泥沙的絮凝效果越好，且更有利于系统中的横向及垂向双异重流的形成，更加促进水沙分离，因而水沙分离效率更高。

(3)沉淀池中水沙分离效率与沉淀的水平面积成正比例函数关系[20]，即沉淀水平面积越小，水沙分离的效率越低，反之亦然。当鳃片间距d为30、40、50、80、110 mm时，沉淀的水平投影面积分别为38.0、30.4、26.6、17.1、13.3 万mm2，可知，在一定范围内鳃片间距越小，水沙分离的效率越高，同静水条件下试验结论一致，而普通管的沉淀面积仅为2.0 万mm2，故含有鳃片的分离鳃水沙分离效率均比普通管高。

(4)两鳃片间的混合层(泥沙流与清水流两者间的夹层，见图5)对分离鳃的水沙分离过程也有一定的影响。随着鳃片之间距离的减小混合层的厚度也随之减小，这使得沿鳃片长边下移的泥沙流与反向上升的清水流之间产生较强的剪切作用力，造成鳃片间原本按照各自运行轨迹运动的泥沙流与清水流趋于混合，从而干扰了动水沉降过程，阻碍了泥沙流和清水流在分离鳃中进一步的快速下沉和上升。因此，鳃片间距低于50 mm的分离鳃水沙分离效率随着鳃片间距的增加变化幅度不大。

图5 鳃片间混合层示意图

图6表示50～110 mm间距下分离鳃和普通管中水沙分离效率随时间的改变规律(由于间距50 mm以下的变化幅度过小且与50 mm相近，则主要以50、80、110 mm进行比较)。据图6可知：

图6 分离鳃在不同鳃片间距和时间下的水沙分离效率对比

(1)不同鳃片间距下的分离鳃中水沙分离效率随时间改变规律与普通管不同，普通管仅有缓慢增长阶段，而分离鳃则包含缓慢增加、急速增加和缓慢增加阶段。当0～65 min时，随着时间的递增水沙分离效率缓慢的增加。黏性泥沙通过带电基团吸附和布朗运动等影响使得浑水中大小颗粒黏结形成絮团。伴随着时间的推进和水流紊动的增强，絮团直径缓缓增加，同时浑水的密度相对较小，絮团及大颗粒泥沙上升阻力远小于重力作用，从而黏性泥沙絮团下降，因此随着时间的推进水沙分离效率缓慢的增加。当60～95 min时，随着时间的递增水沙分离效率急速的增加。此段时间内泥沙微粒间的斥力急速下降，使得泥沙微粒中的物理稳定性降低，反之双电层引力增强，絮团的直径急速增大，泥沙絮团沿着鳃片上表面急速滚落至泥沙通道，而清水则沿鳃片下表面急速上升至清水通道，再通过清水口溢出。因此随着时间的推进水沙分离效率急速的增加。当95～125 min时，随时间的推移，絮凝达到动态平衡，因泥沙沉降处在动水环境下，水流紊动对絮团发育有影响，水流紊动将会打破平衡，使得聚集的絮团被破坏[21]，此时黏性泥沙颗粒之间的吸引强度变小，单个黏性细颗粒从大块絮团中分开脱落，再随着时间的推进，分离后的黏性细颗粒泥沙逐渐会聚形成絮团，因此随着时间的推进水沙分离效率呈缓慢的增加。鳃片间距为50、80、110 mm的水沙分离效率随时间变化规律相似，但随着鳃片间距的增加水沙分离效率的变化幅度明显逐渐减小，其原因为鳃片间距增大则相邻两鳃片的垂直高度增加，在浑水进口处的水流紊动影响下，黏性泥沙颗粒形成絮团下落的难度相对增大，因此延迟了泥沙絮凝沉淀的时间，减小了泥沙的沉淀速率，同时鳃片间距的增加使得分离鳃内泥沙下沉和清水上升过程的水流循环环境更加不稳定，更不助于系统内的横向及垂向异重流的形成。故鳃片间距为80和110 mm的变化幅度不如鳃片间距为50 mm的，从而后者的水沙分离效率变化幅度大。

(2)鳃片的间距越小相同体积分离鳃内的鳃片个数越多，在实际运用工程中在保证沉淀效率的同时也需要考虑到经济效益，则选择鳃片间距为50 mm的分离鳃最佳。其中鳃片间距为50 mm的水沙分离效率分别是鳃片间距为80和110 mm的1.25～1.43和1.37～1.77倍。