加壓液化輸沙技術與“渾水水力分離清水裝置”結合的實驗研究

惠 康

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)01—0006—03

加壓液化輸沙技術與“渾水水力分離清水裝置”結合的實驗研究

惠 康

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

本文通過物理模型實驗的研究方法，通過不同含沙濃度的渾水，以不同進流流量的工況下，所得的清水溢流流量的匯總，擬合得出一定含沙濃度渾水不同進流流量時，清水溢流出口的計算公式。為工程使用中，初步確定裝置的尺寸與工作工況提供參考。

渾水水力分離清水裝置；水沙分離；數值模擬；加壓液化輸沙技術

0 前 言

渾水水力分離清水裝置[1](以下簡稱裝置)是新疆農業大學課題組研制的一種新型凈水裝置，該裝置的主要特點是在動態條件下利用水流自身的能量，從高含沙濃度的渾水中將水沙分離，僅依靠動態渾水自身水力作用分離出清水。裝置結構簡單、造價低廉、運行費用低、管理方便。為解決裝置因高度缺陷難以運用于實際工程的問題，魯霞[2]首次引入加壓液化輸沙技術，通過物理模型試驗研究得出，運用加壓液化輸沙技術后，降低錐體底坡至1∶6，錐體高度可減小83.4%，而錐體底部泥沙不會淤積，水沙分離效果較好。

1 模型及邊界條件

1.1 模型及工作原理

運用加壓液化輸沙技術后的渾水水力分離清水裝置的結構如圖1所示。裝置主要由柱體區和錐體區2部分組成。柱體區中包含內部上懸板、中懸板和下懸板，溢流出口以及外部進水涵洞；錐體區包含底部排沙底孔、錐體底部加壓液化進水孔。試驗時加壓液化進水孔中的水流由壓力水箱提供。裝置工作一段時間后，打開水箱開關，在壓力水頭的作用下，水流經加壓液化小孔射出，對淤積在裝置錐體部的泥沙液化，液化后的泥沙流經錐體的排沙底孔流出。裝置柱體區高度H=130 cm，底孔孔徑d=0.6 cm。

1.2 實驗裝置

圖1為裝置錐體徑坡1∶6的試驗裝置圖。徑向加壓液化輸沙管路緊密地貼附在裝置錐體底部，如圖2所示。

圖1 試驗裝置圖

1.3 試驗內容

在同一柱體直徑、同一底孔孔徑的裝置中，研究不同的渾水進流流量、清水溢出流量、進流含沙濃度對裝置水沙分離的影響。

(1) 在壓力水流量Q=51.89 cm3/s，進流含沙濃度S0=10～15 kg/m3條件下，進流流量分別取191、358、396、418、471和494 cm3/s進行試驗，以便研究不同進流流量對裝置的水沙分離影響。

(2) 在進流流量Q0=326 cm3/s，進流含沙濃度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3進行試驗，確定不同進流含沙濃度對裝置的水沙分離影響。

(3) 在壓力水流量Q=51.89 cm3/s保持不變，進流含沙濃度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3情況下，研究加壓液化輸沙技術在裝置中的應用。

2 實驗結果分析

2.1 清水出水量的計算公式

在溢出清水含沙濃度Su= 0.5 kg/m3時，進流含沙濃度分別取S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3時，進流流量與溢流流量的關系如圖3所示。從圖3中可以看出，在同一進流含沙濃度下，溢流流量隨著進流流量的增大而增大，都呈線性增長。由此說明裝置溢流清水出口溢出水量隨著進流流量的增大也相應增大。進流流量越大，溢流清水出水量也就越大，但是要使裝置溢流出的可用清水越多，則就要求控制好進入裝置來水流量及含沙濃度。由圖3的進流流量和溢流流量的線性圖中可以推出式(1)關系表達式，即：

Qu=aQ0-b

(1)

式中:a、b分別代表系數，進流含沙濃度不同，a、b值也不同。

如圖3所示，進流含沙濃度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3時，a、b值分別為：a=1.0802、0.9958、0.9974、1.0010；b=154.88、121.45、121.76、127.43。

由實驗數據觀察對比，可發現S0=8 kg/m3時對應的a、b值與進流含沙濃度為S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3時的a、b值有明顯差別，剔除此濃度實驗結果，可得出擬合公式僅適用于裝置中進流含沙濃度S0=10～35 kg/m3進流流量不大的情況。

由圖4、5表示的是a、b與進流含沙濃度的關系，經過數值擬合可以得出：

(2)

由式(1) 、(2)可得：

(3)

圖2 裝置中加壓液化徑向管路圖

圖3 裝置進流流量與溢流流量的關系圖

(4)

以上公式適用于進流含沙濃度S0=10～35 kg/m3、進流流量不大的情況。

由式(3)可知，如果了解實際工程中要分離的來流的進流含沙濃度S0及需要滿足的溢流清水出水量Qu的大小，裝置的來水流量Q0可以通過公式(3)初步確定；或依據進入裝置渾水的含沙濃度S0和裝置來水流量Q0的大小，由式(4)可以確定裝置所能獲得的清水出水量Qu。

圖4 a與S0的關系圖

2.2 裝置清水出水量計算公式的驗證

圖6列出了裝置溢流清水出水量實測值與依據公式(4)裝置溢流清水出水量計算值的比較，兩值基本吻合。為便于驗證式(4)的計算精度，將對應的計算值的相對誤差進行線性分析。經分析得出，相對誤差點基本控制在±10%附近，計算誤差較小，可供工程設計參考。

3 結 語

本文通過物理模型試驗所測的每組數據都是在相同的固定條件下測得的，每組數據擬合得到的裝置清水出水量的計算公式是經驗公式。公式雖然存在一定誤差，但對此裝置在實際生產中的應用會有一定的參考價值。

圖5 b與S0的關系圖

圖6 裝置溢流清水出水量的計算值與實測值圖

[1] 周著,侯杰,邱秀云,等.渾水水力分離清水裝置：中國，03159507.3[P].2005-11-2.

[2] 魯霞,侯杰.“渾水水力分離清水裝置”排沙結構優化的試驗研究[J].水利與建筑工程學報,2011,(2):1-4.

[3] 劉芬.渾水水力分離清水裝置結構優化試驗研究[D].新疆：新疆農業大學，2007：6.

[4] 余新艷.渾水水力分離清水裝置水沙分離試驗研究[D].新疆：新疆農業大學，2008：5.

[5] 趙濤,陳偉東,邱秀云.渾水水力分離清水裝置進口及底孔對流場影響的數值模擬[J].四川大學學報(工程科學版),2012,44(1)：1-6.

[6] 唐毅.排沙漏斗三維渦流水流結構[J].水利學報：1999(4)：55-59.

Experiment and Study on Integration of Technology of Pressured Fluid Sediment Transport and Device for Hydraulic Turbid-Clear Water Separation

HUI Kang

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

Through the physical model experiment and in condition of different inflow discharge of the turbid water with various sediment concentrations, the clear overflow discharges are concluded. Formula for the clear water at overflow outlet is derived by fitting in condition of the sediment turbid water at different discharge. It helps with primary determination of size and operation conditions of the device in engineering application.

device for hydraulic turbid-clear water separation; water sediment separation; value simulation; technology of pressured fluid sediment transport

2014-11-10

惠康(1991- )，男，新疆托克遜縣人，回族，助理工程師，從事水利水電勘測設計工作.

國家星火計劃(2012GA890002)；國家自然科學基金重點資助項目( 50469003)

TV142

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.002