加压液化输沙技术与“浑水水力分离清水装置”结合的实验研究

惠 康

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

文章编号：1006—2610(2015)01—0006—03

加压液化输沙技术与“浑水水力分离清水装置”结合的实验研究

惠 康

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

本文通过物理模型实验的研究方法，通过不同含沙浓度的浑水，以不同进流流量的工况下，所得的清水溢流流量的汇总，拟合得出一定含沙浓度浑水不同进流流量时，清水溢流出口的计算公式。为工程使用中，初步确定装置的尺寸与工作工况提供参考。

浑水水力分离清水装置；水沙分离；数值模拟；加压液化输沙技术

0 前 言

浑水水力分离清水装置[1](以下简称装置)是新疆农业大学课题组研制的一种新型净水装置，该装置的主要特点是在动态条件下利用水流自身的能量，从高含沙浓度的浑水中将水沙分离，仅依靠动态浑水自身水力作用分离出清水。装置结构简单、造价低廉、运行费用低、管理方便。为解决装置因高度缺陷难以运用于实际工程的问题，鲁霞[2]首次引入加压液化输沙技术，通过物理模型试验研究得出，运用加压液化输沙技术后，降低锥体底坡至1∶6，锥体高度可减小83.4%，而锥体底部泥沙不会淤积，水沙分离效果较好。

1 模型及边界条件

1.1 模型及工作原理

运用加压液化输沙技术后的浑水水力分离清水装置的结构如图1所示。装置主要由柱体区和锥体区2部分组成。柱体区中包含内部上悬板、中悬板和下悬板，溢流出口以及外部进水涵洞；锥体区包含底部排沙底孔、锥体底部加压液化进水孔。试验时加压液化进水孔中的水流由压力水箱提供。装置工作一段时间后，打开水箱开关，在压力水头的作用下，水流经加压液化小孔射出，对淤积在装置锥体部的泥沙液化，液化后的泥沙流经锥体的排沙底孔流出。装置柱体区高度H=130 cm，底孔孔径d=0.6 cm。

1.2 实验装置

图1为装置锥体径坡1∶6的试验装置图。径向加压液化输沙管路紧密地贴附在装置锥体底部，如图2所示。

图1 试验装置图

1.3 试验内容

在同一柱体直径、同一底孔孔径的装置中，研究不同的浑水进流流量、清水溢出流量、进流含沙浓度对装置水沙分离的影响。

(1) 在压力水流量Q=51.89 cm3/s，进流含沙浓度S0=10～15 kg/m3条件下，进流流量分别取191、358、396、418、471和494 cm3/s进行试验，以便研究不同进流流量对装置的水沙分离影响。

(2) 在进流流量Q0=326 cm3/s，进流含沙浓度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3进行试验，确定不同进流含沙浓度对装置的水沙分离影响。

(3) 在压力水流量Q=51.89 cm3/s保持不变，进流含沙浓度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3情况下，研究加压液化输沙技术在装置中的应用。

2 实验结果分析

2.1 清水出水量的计算公式

在溢出清水含沙浓度Su= 0.5 kg/m3时，进流含沙浓度分别取S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3时，进流流量与溢流流量的关系如图3所示。从图3中可以看出，在同一进流含沙浓度下，溢流流量随着进流流量的增大而增大，都呈线性增长。由此说明装置溢流清水出口溢出水量随着进流流量的增大也相应增大。进流流量越大，溢流清水出水量也就越大，但是要使装置溢流出的可用清水越多，则就要求控制好进入装置来水流量及含沙浓度。由图3的进流流量和溢流流量的线性图中可以推出式(1)关系表达式，即：

Qu=aQ0-b

(1)

式中:a、b分别代表系数，进流含沙浓度不同，a、b值也不同。

如图3所示，进流含沙浓度S0=8 kg/m3、S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3时，a、b值分别为：a=1.0802、0.9958、0.9974、1.0010；b=154.88、121.45、121.76、127.43。

由实验数据观察对比，可发现S0=8 kg/m3时对应的a、b值与进流含沙浓度为S0=10 kg/m3、S0=20 kg/m3、S0=30 kg/m3时的a、b值有明显差别，剔除此浓度实验结果，可得出拟合公式仅适用于装置中进流含沙浓度S0=10～35 kg/m3进流流量不大的情况。

由图4、5表示的是a、b与进流含沙浓度的关系，经过数值拟合可以得出：

(2)

由式(1) 、(2)可得：

(3)

图2 装置中加压液化径向管路图

图3 装置进流流量与溢流流量的关系图

(4)

以上公式适用于进流含沙浓度S0=10～35 kg/m3、进流流量不大的情况。

由式(3)可知，如果了解实际工程中要分离的来流的进流含沙浓度S0及需要满足的溢流清水出水量Qu的大小，装置的来水流量Q0可以通过公式(3)初步确定；或依据进入装置浑水的含沙浓度S0和装置来水流量Q0的大小，由式(4)可以确定装置所能获得的清水出水量Qu。

图4 a与S0的关系图

2.2 装置清水出水量计算公式的验证

图6列出了装置溢流清水出水量实测值与依据公式(4)装置溢流清水出水量计算值的比较，两值基本吻合。为便于验证式(4)的计算精度，将对应的计算值的相对误差进行线性分析。经分析得出，相对误差点基本控制在±10%附近，计算误差较小，可供工程设计参考。

3 结 语

本文通过物理模型试验所测的每组数据都是在相同的固定条件下测得的，每组数据拟合得到的装置清水出水量的计算公式是经验公式。公式虽然存在一定误差，但对此装置在实际生产中的应用会有一定的参考价值。

图5 b与S0的关系图

图6 装置溢流清水出水量的计算值与实测值图

[1] 周著,侯杰,邱秀云,等.浑水水力分离清水装置：中国，03159507.3[P].2005-11-2.

[2] 鲁霞,侯杰.“浑水水力分离清水装置”排沙结构优化的试验研究[J].水利与建筑工程学报,2011,(2):1-4.

[3] 刘芬.浑水水力分离清水装置结构优化试验研究[D].新疆：新疆农业大学，2007：6.

[4] 余新艳.浑水水力分离清水装置水沙分离试验研究[D].新疆：新疆农业大学，2008：5.

[5] 赵涛,陈伟东,邱秀云.浑水水力分离清水装置进口及底孔对流场影响的数值模拟[J].四川大学学报(工程科学版),2012,44(1)：1-6.

[6] 唐毅.排沙漏斗三维涡流水流结构[J].水利学报：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，新疆托克逊县人，回族，助理工程师，从事水利水电勘测设计工作.

国家星火计划(2012GA890002)；国家自然科学基金重点资助项目( 50469003)

TV142

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.002