一种新型旋流排沙渠道的试验研究和数值模拟

2022-11-28南军虎汪超群马康宁刘一安

工程科学与技术 2022年6期

南军虎，高欢，汪超群，马康宁，罗涵，刘一安，李伟

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050；2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048)

渠道引水应用于工农业生产是水资源利用的常见方式，然而，黄河等河流的泥沙含量远高于全球河流泥沙含量的平均水平[1]，引水必引沙[2]。水流中过大的含沙量会造成引水渠道淤积、水力机械表面磨蚀、农田耕地沙化、生态环境恶化等问题，同时排沙耗费大量的水资源，增加了引水成本[3]。在河流沿线梯级泵站和水电站建设不断增多的背景下，多泥沙河流引水时的水沙分离和水资源高效利用等问题，自然成为本领域需要解决的关键问题。

修建渠首工程和沉沙池是引水渠道中处理泥沙问题的传统方式[4]。但随着工农业生产需水量的增加，渠道的引水比不断提高，沉沙池高排沙耗水量的问题逐渐突出。长期的工程实践和研究表明，旋流因具有能量集中、挟带能力强等特点[5]，在渠道排沙领域得到广泛应用，国内外学者先后提出排沙涡管、排沙漏斗、自排沙廊道等旋流排沙技术，为解决渠道泥沙沉积问题提供了新思路[6–7]。排沙涡管利用布置在渠底的涡管形成螺旋流，以排除渠道底部推移质泥沙[8]。Edling[9]、Atlinson[10–11]、张开泉[12]等从排沙涡管的设计、原理，涡管内流速、截沙率、分流比等方面对该项技术进行了研究，部分成果已在查拉特运河等工程中得到应用，并解决了山溪性河流上修建引水枢纽的引水防沙问题。排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施，国内外学者从结构对其流场特性影响[13]、排沙漏斗截沙率计算[14–15]、排沙漏斗内部水沙运动规律[16–17]等方面对排沙漏斗进行了研究，明确了其内部流场特性[18–19]，体现出其具有高截沙率、低耗水量的特点。自排沙廊道通过导流板在廊道中形成三向螺旋流用以排沙，该技术在黄河二级悬河的治理[20]和降低潼关高程[21]的方案中得到应用或论证。但是，上述排沙技术均存在其局限性，例如：排沙涡管适宜于具有一定坡度的渠道[8]，排沙漏斗易产生泥沙落淤悬板的问题[13]，自排沙廊道不能连续排沙[21]。

旋流排沙渠道[22]是基于旋转水流的特点提出的渠道排沙新技术，其主要由渠道、起旋室、排沙洞3部分构成。在不设沉沙池的情况下利用渠道沉降泥沙，并在渠道底部适当位置设置排沙洞，渠道与排沙洞通过断面逐渐收缩的起旋室连接。利用较小的耗水量和有限落差在排沙洞内产生较大流速的旋转水流，可将泥沙带出排沙洞，达到泥沙分选的效果。从排沙洞排出的高含沙水流经处理后可流回原河道或下一级渠道，在满足工程需要的同时也满足了经济需求和生态需求。

然而，旋流排沙渠道作为一种渠道排沙新技术，对其水力特性和排沙性能缺乏研究，而这些特性是其推广应用的关键性能指标。基于此，采用模型试验和数值模拟相结合的方法，对旋流排沙渠道的流态、分流比、压强、流速、排沙特性等进行研究，并讨论其可行性和有效性，具有重要的应用基础研究价值。成果可丰富引水工程中的水沙分离技术，并为这种排沙技术在泵站和水电站、水产养殖和城镇及工业用水的初步处理等工程中的应用提供参考。

1 试验研究

1.1 试验设计

图1为旋流排沙渠道的体型示意图，在渠道底部与水平排沙洞内设置直切式起旋室，即从渠道底部到排沙洞，一侧壁面铅垂向下并与排沙洞相切，另一侧壁面向下收缩与排沙洞相交，过流断面逐渐减小。若渠底高含沙水流在重力作用下进入起旋室，可利用渠道和排沙洞之间的有限落差，在排沙洞内形成流速大于渠道内水流流速的旋转水流，有利于将推移质泥沙转变为悬移质，并排出排沙洞。为确定旋流排沙渠道的几何尺寸，试验中令渠道宽度B为30 cm，并将其余各部分尺寸以与B相关的无量纲数表示。x/B为渠道顺水流方向的长度，(x/B)max=20.67，排沙洞在x/B=10.0～11.3之间；起旋室进口宽度为0.33B，出口宽度为0.12B，高度h为0.50B，排沙洞直径为0.23B；经试算确定排沙洞轴线与渠道长度方向呈60°夹角，渠道无坡度。

图1 旋流排沙渠道体型示意图Fig.1 Body schematic diagram of the desilting channel with swirling flow

1.2 试验布置

为研究旋流排沙渠道的流动规律，搭建了如图2所示的试验系统，该系统主要由旋流排沙渠道模型、供水系统、尾水池等部分组成，其中：供水系统由蓄水水箱、水泵及供水管道组成；旋流排沙渠道模型由渠道、起旋室、排沙洞组成，如图1所示。在渠道、起旋室、排沙洞内布置了压强、流速、水面线等测点，其中，排沙洞内测点的断面（1～4）如图3所示；并在渠道上游、排沙洞出口及尾水池内设置加沙及泥沙回收装置。

图2 试验布置示意图Fig.2 Schematic diagram of test layout

图3 排沙洞内量测断面Fig.3 Measured sections in the sediment transport pipe

在供水管道及排沙洞回水管上各布置1个电磁流量计，用以测量渠道来流量和排沙耗水量；通过阀门控制上游渠道来流量，流量调节范围为0～90 m3/h，对应H/B（H为上游渠道内水深）的范围为0～0.27，渠道内能够形成不同的来流条件，满足试验要求。渠道水面线和壁面压强分别采用测针和测压管测量；在渠道x/B=5.67～17.00间布置流速量测断面，每个断面上沿水深方向每隔1 cm采用旋桨式流速仪测量一次流速；在排沙洞中心布置流速测点，采用声学多普勒流速仪（acoustic doppler velocimeter，ADV）量测3维流速；排沙洞1～4断面近壁面水流旋流角采用丝线示踪法测量；上述测量方式的精度均满足试验要求。在渠道x/B=4.33断面上设置匀速加沙装置，为保证悬沙沉降相似，模型沙采用河道天然砂，粒径范围介于0.075～3.000 mm之间；试验时，利用标准筛筛选6种不同粒径的泥沙试样，用电子秤称取每种粒径的泥沙均各50 g，配制成中值粒径d50=0.6 mm的试验沙；试验后对泥沙回收装置中的泥沙烘干、筛分、称重后进行级配分析。

2 数值模拟

2.1 边界条件

为深入研究旋流排沙渠道内水流的内部流场特性，使用Fluent商业软件进行3维瞬态数值计算。数值模拟的几何建模按照模型试验体型进行。上游渠道内的水流进口采用速度进口，方向沿渠道长度方向；水流上部为空气，定义空气进口为压力进口，压强设定为大气压，气体的体积分数为1；排沙洞出口和渠道下游出口均与大气接触，故均采用压力出口，压强设定为大气压。

2.2 计算设置

数值模拟中采用VOF法捕捉自由水面，计算自由界面的水体体积率函数方程。由于旋流流动的压力梯度较大，其沿壁面有大量的耗散，因此，计算壁面附近流速分布采用非平衡壁面函数法。Realizablek–ε紊流模型修正了不同方向上的涡黏性系数，考虑了旋流流动情况及流线弯曲因素的影响，可以反映旋流紊流的各向异性，更适用于模拟旋流流动，因此采用Realizablek–ε紊流模型[23]。使用离散相模型（discrete phase model，DPM）[24]添加泥沙粒子，泥沙级配和质量与试验保持一致，根据粒径和形状将泥沙形状系数取值介于0.3～1.0之间。采用有限体积法隐格式迭代求解，速度压力耦合采用PISO算法，离散格式采用QUICK格式。

2.3 网格无关性分析及模型验证

网格划分采用非结构化四面体网格，将模型进行分区，定义不同尺寸的网格，并对起旋室及排沙洞网格局部加密，共选择了4种网格划分方案。图4为不同网格划分方案下，上游渠道内相对水深H/B=0.21时，渠道底部流速的数值模拟与试验结果对比。综合考虑计算精度与效率，采用总数为306万的网格划分方案，其中，排沙渠道最大网格尺寸为0.02 m，起旋室与排沙洞最大网格尺寸为0.004 m。在该网格密度下，两种方法相应位置处的水力参数吻合良好，截沙率的相对误差小于4.9%，表明所采用的数学模型能够客观描述旋流排沙渠道的内部流动特性。

图4 不同网格划分方案下渠道底部流速的数值模拟与试验结果对比Fig.4 Comparison between simulated and measured results of channel bottom velocity under different grid schemes

3 结果分析

3.1 流态

3.1.1 起旋室流态

试验表明，起旋室进口流态大致可分为自由流、临界流和淹没流3种流态。随着上游渠道来流量的增加，起旋室进口流态演变过程如图5所示。

图5 起旋室进口流态演变Fig.5 Evolution of the flow pattern at the inlet of the swirling flow generator

当上游渠道内相对水深H/B＜0.12时，泥沙随水流呈自由跌落状全部进入起旋室，而后从排沙洞流出，流态具有图5（a）所示的自由流流态；由于流量较小，排沙洞内难以形成稳定的旋转水流，水流以跌落和折冲形态运动，泥沙运动无明显规律。当上游渠道内相对水深H/B为0.12～0.14时，泥沙随水流通过起旋室全部进入排沙洞，渠道下部无水流流动，但起旋室进口被水流完全淹没，水位呈波动状态，其流动具有图5（b）所示的临界流流态，排沙洞内可形成一定的旋转水流，但旋转水流波动较大，且靠近起旋室封闭端出现泥沙淤积。当上游渠道内相对水深H/B>0.14后，渠道后部开始过流，起旋室进口被完全淹没，流动具有图5（c）所示的淹没流流态，因泥沙密度远大于水的密度，大部分泥沙在重力作用下沿起旋室斜面滑入排沙洞，小部分泥沙随水流进入下游渠道。

3.1.2 排沙洞流态

在淹没流流态下，渠道水流以一定的压力和初始速度沿切线方向进入排沙洞，受封闭端头的约束影响被迫转向，并在轴向压强差的作用下沿排沙洞长度方向流动，切向流动和轴向流动合成方向与排沙洞轴线呈一定夹角的旋转水流，该夹角即为旋流角，其与轴向流速和切向流速之间满足式（1）：

式中，α为旋流角，υθ为切向流速，υz为轴向流速。

图6为上游渠道内相对水深H/B=0.21时排沙洞内的旋流角。

图6 旋流角Fig.6 Swirl angle

从图6可以看出，排沙洞内水流的旋转运动非常明显，旋流角介于25°～135°之间，且沿程呈减小趋势，即越靠近排沙洞出口，旋流角越小，表明水流的旋转运动越明显。排沙洞内水流的旋转运动有利于将水流中的推移质泥沙转变为悬移质，可以减免泥沙在排沙洞内的淤积。

3.1.3 引水渠道流态

图7为两种淹没流条件下的渠道内流态。由图7（a）可知：渠道内水面线的试验量测值与数值模拟结果吻合良好；当起旋室呈淹没流流态后，上游渠道内的水流一部分流向下游渠道，一部分进入排沙洞，受排沙洞分流的影响，排沙洞上部渠道内水面线有所波动，并产生从缓流向急流过渡的局部水力现象。对比图7（a）和（b）可知，这一局部水力现象随着上游渠道来流量的增加逐渐减缓，经过一定的距离后，下游渠道内流态趋于稳定。总体而言，设置排沙洞对引水渠道内的流态影响较小，渠道内无明显波状水跃和折冲水流等不利流态的发生。

图7 渠道水面线Fig.7 Water surface line in the channel

3.2 分流比

上游渠道内相对水深H/B=0.21时泥沙的运动轨迹如图8所示。

图8 泥沙的运动轨迹Fig.8 Trajectory of sediment

由图8可以看出，泥沙因密度大往往位于渠道底部，在重力和水流的双重作用下大部分随水流进入排沙洞，并在旋转水流的“悬浮卷扬”作用下呈旋转运动状态，因此旋流排沙渠道可有效实现高含沙水流与主流的分离。

但由于排沙需要消耗一定的流量，因此排沙耗水量成为衡量旋流排沙渠道性能的重要指标，现定义排沙耗水量与渠道上游来流量之比为分流比，用W表示，即：

式中，W为分流比，Q′为排沙耗水量，Q为渠道上游来流量。

图9为排沙耗水量Q′、分流比W及渠道相对水深H/B之间的关系曲线。在H/B≤0.14时，起旋室内流态呈自由流和临界流流态，上游渠道来流全部进入排沙洞，因此排沙洞的分流比为100%，此时排沙耗水量由上游渠道水深控制，并随上游渠道水深的增加呈线性规律增加。当H/B>0.14后起旋室呈淹没流流态，排沙耗水量由起旋室收缩断面控制，排沙耗水量与渠道水深仍然是线性关系，但随着上游渠道内相对水深的增加，排沙耗水量增加趋势减缓，因此Q′与H/B关系曲线上出现明显的拐点。在该流态下，W随H/B的增加呈现先急剧减小、而后缓慢减小的分段式变化规律，在H/B=0.97时，该体型下旋流排沙渠道的分流比仅为6.07%；若上游渠道水深继续增加，则分流比进一步减小。研究表明，旋流排沙渠道的分流比与排沙涡管[25]、排沙漏斗[26]等旋流排沙设施的分流比相近；因此，从分流比角度而言，旋流排沙渠道是一种水资源高效利用的水沙分离技术。

图9 W和Q'随着H/B变化的分布规律Fig.9 Distribution of W and Q' with H/B

3.3 压强与流速

上游渠道内相对水深H/B=0.21时，图3所示断面上的压强和流速分布如图10所示。分析断面压强分布规律可知，壁面压强沿流动方向总体呈减小的趋势，且各断面均在旋流中心处形成低压区，越靠近排沙洞出口，水流的旋转运动越明显，低压区面积越大，并在断面4的旋流中心出现负压，负压极值为–800 Pa。由流速分布规律可知，除靠近壁面的边界层区域外，各断面相应位置处的流速沿程逐渐增加，且在旋转水流的沿程发展中，断面4流速激增，该断面最大流速达2.12 m/s，较该工况下上游渠道内平均流速0.77 m/s增加了175%。

图10 压强和流速分布Fig.10 Pressure and flow velocity distribution

由图10（b）数值模拟结果可以看出：尽管排沙洞中心位置属于各断面的低速区，但量测结果表明，其流速较渠道来流速度仍有所增加。例如：在H/B=0.26时，排沙洞断面3中心合速度的时均值达1.26 m/s，较该工况下渠道内断面平均流速0.92 m/s增大37%，且形成具有较大速度脉动的3维流动，对应的轴向流速、切向流速及径向流速时均值分别为0.69、0.48及0.90 m/s。

综上所述，排沙洞内存在高压区低流速、低压区高流速的现象，表明旋流排沙渠道能够利用渠道和排沙洞之间的有限落差，实现水流压强–流速的转化，并显著增大排沙洞内的流速，具有速度脉动的3维流动，更有利于泥沙的悬浮卷扬。

3.4 泥沙特性

试验选择粒径范围为0.075～3.000 mm的模型沙进行试验，上游渠道内相对水深H/B=0.21时对应的泥沙特性见表1，表1中，来沙为通过加沙装置进入上游渠道内的泥沙，排沙为排沙洞排出的泥沙，余沙为渠道下游的泥沙。将模型沙加入水流中后，旋流排沙渠道内存在明显的泥沙分选现象。粒径大于2.360 mm的粗颗粒泥沙首先沉积在渠底，并随水流全部进入排沙洞，旋流排沙渠道对该粒径范围泥沙的截沙率达100%；粒径为0.160～2.360 mm较细颗粒的泥沙在渠道内逐渐沉积，随后大部分进入排沙洞，旋流排沙渠道对该粒径范围泥沙的截沙率超过93%；粒径为0.075～0.160 mm极细颗粒的泥沙不受水流挟沙力的限制，部分随水流流向下游渠道，旋流排沙渠道对该粒径范围泥沙的截沙率为71.2%，且该粒径范围的泥沙占余沙总质量的76.6%。旋流排沙渠道对试验样沙的总体截沙率为93.7%，表明旋流排沙渠道排沙效果良好，可达到引清沉沙的目的。

表1 旋流排沙渠道的泥沙特性Tab.1 Sediment characteristics of the channel

此外，试验和数值模拟均观测到在靠近起旋室封闭端的排沙洞内存在一定的泥沙淤积现象（图11），其淤积特性见表2。结合排沙洞内流态（图5）、压强和流速分布规律（图10）不难看出，靠近起旋室封闭端排沙洞内水流的流动较为紊乱，且水流流速较小，难以形成稳定的旋转水流，从而造成了该区域的泥沙淤积；由颗粒级配分析结果可知，淤积的泥沙以1.250～3.000 mm的大粒径泥沙为主；随着上游渠道内相对水深的增加，排沙洞内水流的流速不断增大，该位置的泥沙淤积量逐渐减小，其中，上游渠道内相对水深H/B=0.27较H/B=0.17时的泥沙淤积量减小85.3%。排沙洞内若产生大量的泥沙淤积会影响旋转水流的产生及发展，因此旋流排沙渠道的体型尚需进一步优化，以改善起旋室封闭端的水力条件，减小或消除该区域的泥沙淤积。

图11 排沙洞局部区域的泥沙淤积Fig.11 Sediment deposition at local location in the pipe

表2 排沙洞内泥沙淤积特性Tab.2 Sediment deposition characteristics in the pipe

4 讨论

1）在起旋室进口为淹没流流态时，排沙洞内形成了流态稳定的旋转水流，越靠近排沙洞出口，水流的旋转运动更为明显，这一水流特征有利于将水流中的推移质泥沙转变为悬移质，可避免泥沙在排沙洞内的大量淤积。同时，除在小流量工况下排沙洞上部渠道内存在由缓流向急流过渡的局部水力现象外，渠道其他位置的流态稳定，旋流排沙渠道对进入下游渠道内水流流态的影响很小。

2）渠道内的泥沙运动轨迹表明，旋流排沙渠道能够实现渠底高含沙水流与主流的分离。当上游渠道内相对水深H/B=0.97时，试验体型下，旋流排沙渠道的分流比仅为6.07%；当H/B=0.21时，其对粒径范围为0.075～3.000 mm泥沙的截沙率达93.7%。这些关键指标与同类旋流排沙技术相近，甚至优于部分旋流排沙技术，因此，旋流排沙渠道是一种基于水资源高效利用且排沙性能良好的渠道排沙技术，且实现了泥沙的连续分选。

3）排沙洞内能产生比渠道流速更高的旋转水流，这一水流特征的形成与旋流排沙渠道的独特结构有关，该结构实现了水流“压强–流速”间的能量转换，并产生了具有较大速度脉动的3维流动，更有利于泥沙在排沙洞内的悬浮卷扬。

4）旋流排沙渠道是一种水沙分离新技术，尚无可借鉴的资料，本文的试验体型是基于大量数值模拟的试算确定的，其水力设计方法有待于进一步研究；同时，在靠近起旋室封闭端的排沙洞内出现泥沙淤积现象，表明体型尚需进一步优化，以减免该区域的泥沙淤积。