圆中环沉沙排沙池模型试验及流场数值模拟研究

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1、圆中环沉沙排沙池模型试验及流场数值模拟研究摘要圆中环沉沙排沙池（简称“圆中环”）是一种新型二级泥沙处理设施。它首次应用于新疆呼图壁阿苇滩渠首，重点解决了引水渠泥沙淤积问题，为阿苇滩灌区农业用水提供保障。2006年运行至今，沉沙排沙效果良好。本文以该“圆中环”为原型制作模型，采用物理模型试验、数值模拟及理论分析三种方法对“圆中环”内的流场、含沙量分布规律及沉沙、排沙特性内容进行研究，探求“圆中环”的水沙分离机理，优化“圆中环”的结构形式。主要结论如下：（1）利用模型试验研究了“圆中环”多种工况的径向流速分布特性，结果表明：“圆中环”中心出水环不加高工况的径向流速及径向流

2、速梯度呈不均匀分布，135°～225°范围径向流速及径向流速梯度较大，尤以180°径向断面径向流速及径向流速梯度最大；径向流速及径向流速梯度沿径向与半径成反比，径向流速沿垂向与水深成反比；在距离圆心1/2半径处以内径向流速、径向流速梯度及水流紊动强度较大，其余半径范围较小；沿径向断面存在回流区。增加溢流堰结构高度，“圆中环”内径向流速降低，有利于沉沙，但不能改变“圆中环”内径向流速分布不均匀性。增加“圆中环”中心出水环高度至9cm时，“圆中环”内径向流速及径向流速梯度分布较均匀，更利于沉沙。（2）采用RNGk紊流模型及VOF方法能较准确地计算“圆中环”中心出水环不

3、加高及加高9cm工况的水气两相流场，所得结论较可靠，数值模拟方法对类似工程基本可以代替模型试验，提高研究效率，同时可弥补物理模型试验的不足。数值模拟结果表明：“圆中环”中心出水环不加高工况水相流场是由径向、切向、轴向速度组成的三维流场，径向速度在数值上大于轴向及切向速度，轴向速度最小。不同径向断面紊动能与径向流速沿垂向分布规律基本相同，表明径向速度在“圆中环”内具有关键作用。“圆中环”沿径向产生回流区，回流区的存在不利于细颗粒泥沙沉降。“圆中环”流速及紊动能分布不均匀，135°～225°范围流速及紊动能分布较大。增加中心出水环高度至9cm时，“圆中环”内的流速及水流紊

4、动能分布较为均匀，水流上行区域范围明显减小，更利于泥沙颗粒沉降。I（3）利用模型试验研究了“圆中环”多种工况的含沙量分布特性及沉沙、排沙特性，结果表明：“圆中环”中心出水环不加高工况的含沙量、沉沙范围和沉沙粒径分布不均匀，135°～225°范围含沙量较大、沉沙量较多、沉沙粒径较粗。但含沙量及沉沙粒径在径向与半径成反比，在距离圆心1/2半径处以内含沙量沿垂向与水深成反比，垂向分布不均匀，沉沙颗粒较粗，其余范围含沙量垂向分布较均匀，沉沙颗粒较细。增加“圆中环”中心出水环高度至9cm时，“圆中环”内含沙量、沉沙范围和沉沙粒径分布较均匀。“圆中环”内存在泥沙分选现象，水沙分离

5、依靠重力沉降。在设计流量及含沙量条件下，“圆中环”中心出水环不加高工况的截沙率为90.9%，排沙耗水量6.6%，沉沙粒径范围1mm＜D≤84mm。增加“圆中环”中心出水环高度至9cm时，截沙率为94.2%，排沙耗水量4.37%，沉沙粒径范围1mm＜D≤84mm，同时可提高处理悬移质能力。中心出水环不加高及加高9cm工况的沉沙时间与进水流量的回归模型分别为-0.997-1t=1545.8Q及t=2152.55Q。“圆中环”是利用进水水流动能、较陡的倒锥底坡、泥沙自身重力及高速环流排出沉沙的泥沙处理设施，处理以推移质为主的多泥沙河流具有优势。（4）结合试验研究、数值模拟及

6、理论分析研究结果，从“圆中环”基本结构、流速、含沙量及沉沙粒径分布特性等角度探究“圆中环”水沙分离机理。溢流堰长是“圆中环”利于水沙分离的关键因素。在设计流量条件下，“圆中环”半径与溢出最大泥沙粒径的回归模型为d=-2.43+52.04/R，中心出水环直径与溢流堰直径比D0/D=1/15时对于粒径大于1mm的泥沙颗粒完全沉积在“圆中环”内，截沙率为100%，随着“圆中环”直径增加，D0/D减小，溢出的最大泥沙粒径迅速减小，截沙率为100%的粒径将进一步减小。在相同进水条件下，随着“圆中环”半径增加，溢流堰长迅速增加，截沙率将进一步增加，排沙耗水率将进一步减小。在相同“

7、圆中环”半径条件下，在小于设计流量、含沙量条件下，截沙率将进一步增加，排沙耗水率将进一步减小。关键词：圆中环沉沙排沙池；截沙率；排沙耗水率；水沙分离机理；模型试验；数值模拟IIResearchonModelExperimentandNumericalSimulationofFlowFieldinCircular-ringSedimentDesiltingBasinAbstractTheCircular-ringsedimentdesiltingbasin(HereinafterreferredtoasCircular-ring)isanewsecon