全沙排沙漏斗浑水流场特性及输沙规律

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1、全沙排沙漏斗浑水流场特性及输沙规律摘要：本文通过全沙排沙漏斗三维流场的测试，分析了清、浑水流场流速分布特性和泥沙输移规律，揭示了因泥沙的存在使清、浑水流场流速分布产生了较大的差异和高效输沙的原因。关键词：全沙排沙漏斗浑水流场泥沙模型试验1前言　　在多沙河流上引水所带来的泥沙问题一直是重要研究课题。通常采用沉沙池等设施对进入引水渠道的泥沙进行二次处理。由于沉沙池的截沙率很低，而排沙耗水率很高，一般为30%左右，甚至更高。而随着工农业生产的迅速发展，需水量不断增加，渠道的引水比不断提高，一般为70%，甚至更高，冲沙水量贫乏，人们不愿耗水冲沙，沉沙池很少使用

2、或不用，造成池内泥沙的大量淤积，产生恶性循环，直至沉沙池报废，使引水渠道的泥沙危害更为突出。　　全沙排沙漏斗是近年研究成功的泥沙二次处理的科研成果。它不但可以有效地处理推移质泥沙，而且可同时处理悬移质泥沙，与沉沙池相比，不但结构尺寸小，而且截沙率高，对于粒径大于0.5mm的推移质泥沙截沙达100%，粒径大于0.05mm的悬移质泥沙截沙率达90%以上，而平均排沙耗水率仅为3%，是一种高效排沙节水型的最先进的泥沙处理设施。不仅可广泛用于灌溉、发电、水产养殖、工业供水和人畜饮水，还可用于挖泥船排出的泥浆脱水等领域。2全沙排沙漏斗的基本结构及其工作原理2.1全

3、沙排沙漏斗的基本结构　　全沙排沙漏斗一般设于渠首后的引水渠道上，其基本结果如图1所示，主要由进水闸、进水涵洞、圆形漏斗室、水平悬板、调流墩、曲线形溢流堰、回水道、可调式排沙底孔和排沙廊道等结构组成。2.2全沙排沙漏斗的工作原理　　全沙排沙漏斗之所以具有高效稳定的排沙节水性能，是由其结构型式所产生的水流特性决定的。①进水涵洞②漏斗边墙③调流墩④溢流边墙⑤悬板⑥排沙底孔⑦排沙廊道⑧引水渠道图1排沙漏斗结构示意图SketchoftheSandFunnelstructure当具有一定动能的含沙水流由进水涵洞切向进入漏斗室后，在漏斗圆形边壁约束下促使水体产生一强

4、迫涡，而漏斗中心排沙底孔的存在，由于重力作用使水体在底孔附近产生一自由涡；与此同时，因调流墩和水平悬板的调流作用产生多种副流。上述强迫涡、势涡和多种副流耦合形成了稳定的立轴型螺旋流。泥沙随螺旋水流运动，由于推移质和悬移质泥沙在水中的运动特性不同，沉降输移的路径和距离也不同，依泥沙粒径大小先后沉降输移至排沙底孔，由排沙廊道输送至河道。经漏斗分离后的清水则由曲线形溢流堰流入回水道进入原引水渠道，从而完成水沙分离的全过程。由于空气漏斗的存在减少了排沙底孔过水断面，使冲沙水量减小。3模型试验装置及测试方案3.1模型试验装置　　模型试验装置为一清、浑水自循环系统

5、。全沙排沙漏斗模型结构尺寸为：进水涵洞宽30cm，高10cm，漏斗室直径150cm，水平悬板中心角180°，板宽30cm，漏斗径向底坡1/10，曲线形溢流堰长为漏斗室周长的四分之一，在水平悬板末端设置调流墩，排沙廊道纵坡1/50。　　测速仪器选用天津水运工程科学研究所研制的EMV-89型电磁式流速仪，该仪器既可以测试清水流场流速，又可以测试浑水流场流速。此次流场测试试验，清、浑水都采用相同的流量，其值为0.026m3/s，浑水水流含沙浓度为35.8kg/m3。3.2测试断面及测点布置　　试验选择8个垂直测试断面，根据不同水深布置6个水平测试断面，以等距

6、离5cm布置测点。图2测试断面、测线及测点布置图Layoutofthemeasuringprofile,measuringlineandmeasuringpoint测试断面及测点布置如图2所示。4全沙排沙漏斗清水流场特性4.1清水流场切向流速分布规律　　清水流场切向流速Vθ在不同的区域其分布规律亦不同，如图3所示。根据切向流速Vθ沿径向的分布特性，可将漏斗室流场分为两个区域，即漏斗内区(r0≤r≤0.6R,r0为排沙底孔半径，r为距全沙排沙漏斗中心的距离，R为全沙排沙漏斗半径，下同)和漏斗外区(0.6R≤r≤R)。在漏斗内区，切向流速Vθ与r呈指数关系

7、，Vθ随r的增大而减小；在漏斗外区，切向流速Vθ与r呈线性关系。在靠近水面及漏斗底部一定范围内，切向流速Vθ沿水深方向有一流速梯度，其大小随测线位置的不同而不同，而在中部的切向流速Vθ沿水深基本没有变化，在漏斗内区这一特性更为显著，如图4所示。图32断面切向流速径向分布Tangentialvelocitydistributionalongradialdirectioninsection-2图42断面切向流速轴向分布Tangentialvelocitydistributioninverticaldirectioninsection-24.2清水流场径向流

8、速分布规律　　清水流场径向流速Vr在不同的断面上沿径向的分布具有相同的趋势，即随着r的减小逐渐