分离鳃水沙流场数值分析及试验研究

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1、分离鳃水沙流场数值分析及试验研究第1章绪论1.1本课题的研究背景及意义邱秀云教授发明了一种新型净水装置《垂向异重流式水沙分离鳃》(简称分离鳃)，专利号：200620137372.X。该装置能在无需添加任何化学药剂和施加外动力作用下快速地从高含沙浑水中分离出清水，其分离速度为泥沙在静水条件下沉降速度的1.9~3.7倍，同添加化学药剂相比，水沙分离速度相近[4]。该装置实现了水沙分离速度快、无化学污染及低能耗等目的，且投资成本低。进一步探求该装置的水沙分离机理、水沙运动轨迹及水力特性，对发展流体力学学科和水沙两相流动力学学科，具有重要的理论意义和学术价

2、值。进一步优化装置结构，提高水沙分离效率，这对节水灌溉用水的泥沙处理、解决高含沙流域农牧区群众生活用水困难及使用地面水水源的自来水预处理工程都具有重要的经济价值与实用价值。1.2分离鳃的简介分离鳃是一种新型的水沙分离装置，由鳃片和鳃管构成，如图1-1所示。其结构参数包括鳃片间距d、鳃片与鳃管长度方向的两侧壁构成的倾斜角α、鳃片与鳃管宽度方向的两侧壁构成的倾斜角β、清水通道宽度e及泥沙通道宽度f。分离鳃的外轮廓尺寸为长、宽和高，分别用小写的a、b、c表示。泥沙颗粒在静水条件沉降时，该装置的最上端为开口状，且有自由表面，最下端呈封

3、闭状，不排沙；而在动水沉降时，将多个分离鳃布置在沉淀池中，分离鳃宽度方向的两侧壁布置有小孔，以便分离鳃内外浑水的交换，而且分离鳃上、下端均为开口状，以便清水上升和泥沙排出。图1-2表示分离鳃的工作原理。泥沙颗粒在重力作用下从鳃片上表面的高端流动至低端，而清水沿着鳃片的下表面由低端流动至高端，从而鳃片上表面的泥沙流运动与鳃片下表面的清水流运动在鳃片间形成一个逆时针方向的横向异重流，见图1-2中带箭头的虚线；当各鳃片低端的泥沙滑落至泥沙通道时便一起垂直向下运动，而各鳃片高端的清水流动至清水通道时便一起垂直向上运动，从而形成沿分离鳃边壁的顺时针垂向异重流

4、，见图1-2中带箭头的实线。朱超[5-9]、严跃成[10-11]、张翔[12-14]及赵丽娜[15]通过室内物理模型试验，初步分析了分离鳃加速水沙分离的机理，以及鳃片布置型式、鳃片倾斜角度、鳃片间距、泥沙通道宽度及清水通道宽度对装置水沙分离效率的影响，对分离鳃的部分结构进行了优化，并从理论角度论证了结构设计参数的合理性，描绘了分离鳃中的水沙运动轨迹概化图，得出分离鳃应用于实际工程中的集成型式。.第2章分离鳃的物理模型试验2.1浑水含沙量对分离鳃水沙分离的影响试验分离鳃的结构示意图见图1-1。笔者制作了1个分离鳃和1个与分离鳃外轮廓尺寸一样的普通管(

5、无鳃片)，分离鳃外轮廓尺寸为17.5460cm(abc)，鳃片间距d=15cm，清水通道宽度e和泥沙通道宽f均为1cm。鳃片以α=60°倾角固定在矩形鳃管长度方向的两侧壁上，而以β=45°倾角固定在矩形鳃管宽度方向的两侧壁上。试验选用新疆乌鲁木齐鲤鱼山的天然黄土作为模型沙。从图2-1的颗粒级配曲线可知：颗粒粒径小于0.05mm的占84.7%，小于0.01mm的占30.3%，小于0.0053mm的占16.8%，小于0.0015mm的占8.6%，中值粒径D50为0.019mm。为研究浑水含沙量对分离鳃水沙分离效率的

6、影响，选取9组不同浑水含沙量的浑水进行静水沉降试验，浑水含沙量由小到大依次为10、15、20、40、60、80、100、120、140kg/m3。将搅拌均匀的浑水同时注入至分离鳃和普通管中，然后将其置于试验台上，利用秒表记录清水层厚度每5cm时所需要的沉降时间。试验过程中观察并拍摄试验现象。试验在恒温约25℃、浑水约20℃的试验室内进行，采用置换法原理快速、准确地获得浑水含沙量值，为克服比重瓶容积小、瓶口小、注沙误差大及无法直接采样的困难，采用口径3.5cm、容量为500mL的小口硬质透明玻璃锥形瓶，其体积在试验室内进行严格率定。.2.2分离鳃最优

7、鳃片间距的静水沉降试验试验选取4组不同浑水含沙量进行试验，各组浑水含沙量分别为80、40、20、10kg/m3，按浑水含沙量由大到小的顺序分别进行试验。将一定质量的模型沙和清水倒入大量筒中，充分搅拌均匀后取样测量，并计算出初始浑水含沙量。当浑水含沙量满足试验要求时，将搅拌均匀的浑水注入置于试验台上的分离鳃和普通管中，利用秒表记录清水层厚度每5cm时所对应的沉降时间，并利用数码相机拍摄试验现象，待泥沙基本沉降完毕后停止观察和记录。分离鳃中存在横向和垂向异重流现象。泥沙沉降到鳃片后汇集成泥沙流，其沿着鳃片的上表面由高端流动至低端的三角形泥沙通道中，而清

8、水流则沿着鳃片的下表面由低端流动至高端的三角形清水通道中，泥沙流与清水流在鳃片间形成了一个横向环流；当各鳃片低端的泥沙流滑