排沙漏斗悬板径向坡度对流场影响的试验研究

吴洋锋 李琳

摘要：為了弄清楚溢流悬板径向坡度改变对排沙漏斗流场的影响，通过物理模型试验方法，利用粒子图像流场测速技术（PIV）对悬板径向坡度分别为0、0087、0173、0259时的排沙漏斗模型三维速度场进行了量测，并结合排沙漏斗工作原理对各工况下的切向速度、径向速度、垂向速度及流线进行了对比分析。结果表明：随着悬板径向坡度增加，漏斗室内旋流强度增大，空气涡面积增大，排沙耗水率降低，泥沙颗粒向室内运动机率增大，淤积在悬板上的可能性减小；悬板坡度对漏斗室内的二次流强度和形成位置影响较大，其中坡度为0173时二次流最为稳定，坡度为0259时，无二次流形成，不利于底部泥沙输移至排沙底孔；垂向速度分布结果表明坡度为0259时过渡区垂直向上流速较少，泥沙落淤悬板或者随流溢出的机会最小，但垂直速度相比切向速度和径向速度而言较小，且过渡区范围很小，对悬板落淤和截沙率的影响可以忽略不计。

关键词：溢流悬板径向坡度；PIV；流场特性；排沙耗水率；二次流

中图分类号：TV673文献标志码：A文章编号：16721683（2018）03016207

Experimental study on influence of radial slope of suspended slab on flow field of vortex settling chamber

WU Yangfeng，LI Lin

（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：In order to find out the influence of the change of the radial slope of overflow suspended slab on the flow field of the vortex settling chamber，through physical model tests，we used the particle image flow velocity measurement technique （PIV） to measure the threedimensional velocities of the vortex settling chamber with the radial slope of suspended slab at 0，0087，073，and 0259.With consideration to the working theory of vortex settling chamber，we compared and analyzed the tangential velocity，radial velocity，vertical velocity，and streamline of each working condition.The results showed that with the increase of the radial slope of the suspended slab，the swirling intensity in the vortex settling chamber increased，the air vortex area increased，the water consumption rate decreased，the probability of sediment particles moving to the interior increased，and the possibility of deposition on the suspended slab decreased.The slope of the suspended slab had a great influence on the strength and formation position of secondary flow in the vortex settling chamber.The secondary flow was the most stable at a slope of 0173.No secondary flow was formed when the slope was 0259，which was not conducive to the transport of bottom sediment to the bottom hole of sediment discharge.The results of vertical velocity distribution showed that when the slope was 0259，the vertical upward velocity of transition zone was small，and there was a minimum chance of sediment silting or overflowing.However，the vertical velocity was smaller than tangential velocity and radial velocity，and the transition zone was very small.The influence of vertical velocity on the deposition and sediment interception rate of suspended slabs was negligible.

Key words：radial slope of overflow suspended slab；PIV；flow field characteristics；water consumption rate for sediment discharge；secondary flow

排沙漏斗是一种应用非常广泛的二级泥沙处理设施[1]。溢流悬板是排沙漏斗的重要组成部分，悬板的设置可有效防止粗颗粒泥沙在漏斗进口淤积，同时可以迫使较细的泥沙随水流沿漏斗绕行一周，在水流稳定区沉降并通过底孔排出，更有效地排除细颗粒泥沙[24]。此外，设置悬板后，漏斗室内的空气漏斗有所减小，可大大减小排沙耗水量[56]。近年来工程实践表明，在处理高含沙且含极细沙水流的悬沙排沙漏斗工程中时常发生悬板塌落破坏事故，致使排沙漏斗失效。如陕西泾惠渠排沙漏斗工程设计引水流量40 m3/s，处理最大含沙量200 kg/m3，泥沙处理粒径00005～01 mm，运行过程中悬板塌落破坏，漏斗被迫停止使用[7]。又如新疆喀什一级电站排沙漏斗工程设计引水流量462 m3/s，处理最大含沙量347 kg/m3，泥沙处理粒径0002～2 mm，运行过程中悬板塌落破坏，漏斗功能丧失[8]。有文献[9]分析悬板塌落破坏的原因之一是传统的排沙漏斗溢流悬板为半圆形，呈水平布置，运行过程中溢流悬板上泥沙落淤量远远超出设计荷载，使悬板及其支撑系统失稳而坍塌。优化悬板布置形式减少泥沙落淤量使悬板正常发挥其功能是保证排沙漏斗有效处理悬移质泥沙亟待解决的问题。

近二十年来，有许多学者对排沙漏斗进行研究。周著等[10]通过模型试验和原型观测结果分析了排沙漏斗的排沙原理和排沙效果。侯杰[11]，王顺久[12]，邱秀云[13]，唐毅[14]对排沙漏斗模型流场进行了研究，揭示流场特性对泥沙分离和输移的影响机制，认为切向流速主要起维持涡旋强度的作用，向下的轴向速度和指向中心的径向速度起促进泥沙的沉降和向排沙底孔输运的作用。显然，排沙漏斗三维流场特性对其泥沙沉降速率、截除率和排沙耗水率有着重要影响。为了解决悬沙排沙漏斗悬板上的泥沙落淤问题，文章提出将悬板由水平放置改为沿径向向漏斗中心倾斜放置，使悬板在径向形成一定坡度，以期减少泥沙落淤于悬板。但悬板径向坡度改变如何影响排沙漏斗三维流场进而如何影响排沙效果和排沙耗水率的研究尚未开展相关研究。因此，文章通过系列试验应用PIV对溢流悬板径向坡度不同的排沙漏斗内三维速度场进行了量测，基于量测结果分析悬板径向坡度变化对漏斗室内三维流场的影响，为优化悬板布置提供参考。

第16卷 总第96期·南水北调与水利科技·2018年6月吴洋锋等·排沙漏斗悬板径向坡度对流场影响的试验研究1试验模型及方案

11试验模型

喀什一级电站排沙漏斗工程是处理悬移质泥沙的二级排沙设施，原型观测结果表明该排沙漏斗对粒径为0002 mm以上的泥沙截除率可达70%。因此，文章以该漏斗工程为原型，依据重力相似准则设计模型。模型几何比尺为1∶273，原型校核流量为571 m3/s，漏斗直径为60 m、漏斗室底坡1∶5，排沙底孔孔径15 m。制作全透明有机玻璃的排沙漏斗模型，其中进水矩形涵洞宽44 mm，高88 mm，漏斗直径220 mm，锥底坡度1∶5，底孔直径55 mm，溢流悬板置于进水涵洞上方距离进水涵洞顶部1445 mm，悬板宽度为44 mm，长度为漏斗半周长。试验中将悬板自漏斗边墙向漏斗室中心倾斜，使其在径向形成一定坡度i，具体布置形式见图1。模型进流量Q= 0079 L/s，悬板径向坡度i分别为 0、0087、0173、0259。

12试验方案

试验采用北京尚水信息技术股份有限公司自主研发的PIV测速系统，由CCD采集相机、光源组件和同步控制器组成[1519]。其中，CCD采集相机的测速范围为0～1 000 m/s，分辨率最大為2 320×1 726像素。光源组件包括连续激光器和棱镜，其中连续激光器工作波长532 nm，功率5 W，功率稳定性为5%，棱镜采用带机械件的60°鲍威尔棱镜，可使激光束通过后最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的直线。使用同步控制器精确控制两个相机的采集频率和曝光时间。为满足PIV测量要求，在排沙漏斗模型的外侧罩上一个方形透明的有机玻璃盒子，里面装满与试验相同的工作介质[2022]。

试验选用的PIV专用示踪粒子主要成分为SiO2，粒径约为8～12 um，密度约为11 g/cm3。示踪粒子的尺度足够小且与被测流体的比重相差不大，其形状接近球形，具有足够高的散射率。示踪剂撒布浓度为8 mg/L，示踪粒子分布均匀、流动跟随性高，其运动能真实反映流体运动状态，试验系统为循环系统。进流量Q0、溢流流量Q1均由称重法测得。

在悬板径向坡度不同时，分别对排沙漏斗的不同水平测试面及径向测试面进行二维PIV拍摄。根据装置的几何结构以及PIV系统中CCD相机的视场大小要求，拍摄水平面时CCD相机轴线垂直于排沙漏斗的水平测试面，柱体的中心轴线垂直于激光片光，相机镜头与被拍摄的面之间的距离约为60 cm[23]。以排沙漏斗进水渠底所在水平面z=0 mm为基准面，选择z=24 mm、z=10 mm、z=-85 mm作为水平测试面（见图2（a））。拍摄垂直测试面时激光片光面通过排沙漏斗中心轴线，选取以x正半轴绕中心轴逆时针旋转90、270后所在的垂直面为测试面（见图2（b）、（c））。在每个试验工况下，CCD相机拍摄200张示踪粒子图像，然后在PIV后处理计算系统里对其进行互相关计算，对200张测试结果取平均，并通过Tecplot进行数据的显示和提取。

2试验结果及分析

21水平测试面流速

悬板径向坡度i不同时水平测试面z=24 mm、-85 mm的x，y方向速度u，v的合速度V=u2+v2的速度及流线如图3、图4所示。图中r/R为测点所在径向位置与漏斗室半径的比值。因受壁面圆弧边界的限制，测点不能刚好布置于边界上，导致了图3、图4中流场边界上及其附近处流场速度缺失，流场边界呈折线型，但由于壁面边界附近处流场同时受壁面激光反射光的影响较大，因此本文不考虑边界附近处流场速度的缺失影响。从图3、图4可以看出，漏斗室内平面旋流速度随i增大而增大。受漏斗中心空气 涡旋转影响的旋流环状区域面积和流速均随i的增大而增大。如平面z=24 mm、-85 mm上，空气涡边缘处的速度值由022 m/s、028 m/s（i=0）增至036 m/s、036 m/s （i=0259），增加了64%和29%；位于平面z=24 mm的漏斗近边墙区的合速度值由017 m/s增至025 m/s增加了47%。不同坡度i下，悬板末端出口处的低速区（图3（a）中A）面积随着i的增大而减小。i=0时，空气涡外围为环形低速带（见图3（a）03

悬板径向坡度增加，漏斗室内旋流强度随旋流速度增加而增强，离心惯性力增加，有利于水沙离心分离。与i=0时相比较，i>0后悬板及其上方水体作用于悬板下方水体的垂向和径向约束增强，减少了水流沿径向向中心和沿垂向向上的扩散，离心力作用增强，使水流经有压涵洞进入漏斗室后继续保持较大旋转速度有压运行，有利于维持水流旋流强度。如试验中进水涵洞内的速度为02 m/s，i=0和0259时，

悬板下方水流平面旋转合速度为016 m/s和018 m/s。i>0悬板上方水体受到了悬板的支持力，支持力的水平分力与离心力方向相反，与径向的压力差方向一致，i越大悬板上方的压力体越重，指向中心的水平分力和沿斜面向下的垂直分力越大，与i=0相比，i>0时泥沙颗粒在水平分力和垂直分力作用下向室内运动机率增大，淤积在悬板上的可能性减小。

试验量测中发现排沙底孔孔径和进流量保持不变，空气涡位置基本位于漏斗中心，悬板坡度的改变对其影响较小，但是空气涡的面积随悬板径向坡度的增大而增大，排沙耗水率随其增大而减小。如空气涡面积（xoy平面）由i=0时的113 mm2增加至i= 0259时的380 mm2，增加了236%（见表1）。

从图3所示的流线可以看出，排沙漏斗溢出水流（图3（a）中B区）主要由I、II两部分组成，I部分是指经悬板末端发出并沿近边墙区（095< r/R<1）逆时针旋转运动约270°后至溢流口后溢出的水流，II部分是指进入漏斗室中心区域（03

22 径向测试面流速

选取典型工况下90断面和270径向断面垂向速度w和径向速度v的合速度w2+v2矢量如图5、图6所示。图中Z/H表示测点所在z轴位置与漏斗室高度（自底孔至漏斗顶部的距离）的比值。从图中可以看出，与前人研究结果[24]一致，当i=0时，90断面上受悬板溢出水流的影响，水流在大部分区域有向上的垂向速度和指向边壁的径向速度，悬板上方径向流速达到最大。悬板下方受二次流的影响表现出靠近底板区域速度较大，且受底坡影响愈靠近锥体排沙底孔速度越大（如图5（a）），二次流是排沙漏斗将通过离心分离至边墙附近和重力沉降至底板处的泥沙排出的关键[25]。当i从0增大至0259，垂直面上合速度随之增大，二次流位置和强度随之变化。当i=0259时，90和270断面上均无二次流现象，受悬板向漏斗中心倾斜的影响，悬板近区径向流速均指向边壁，不利于泥沙排出；270断面上底板附近速度矢量较大且指向排沙底孔，但是其余区域的速度矢量水平指向圆心，不利于泥沙沉降和离心分离。i=0173的90和270断面上二次流强度和范围较i=0明显增加，断面上靠近空气涡附近的大部分径向速度在离心力作用下背离圆心，在90断面上受悬板下方指向圆心的速度的影响在近悬板区域出现回流漩涡，延长了泥沙停留时间。在270断面上形成稳定的二次流，且二次流强度明显大于i=0工況，有利于延长泥沙停留时间和加速底部泥沙排出。

23典型测线速度分布

不同悬板径向坡度时排沙漏斗典型测线的切向和垂向速度如图7、图8所示。图7为不同水平测试面上x=0测线上的切向速度，规定切向速度逆时针旋转为正。由图中可以看出，悬板径向坡度改变对漏斗室内的涡流特征无影响，不同i时，同一水平面上的涡流特征相同。但是在相同i时，漏斗柱体区（z=10 mm）和锥体区（z=-85 mm）表现出的涡流特征不相同。柱体区内，0

图8为90°和270°径向测试面在z=224 mm测线上的垂向速度，其中r/R> 0和r/R<0分别为90°和270°一侧的垂向速度，速度大于0表明水流沿z轴正方向运动，否则，沿负方向运动。从图中可以看出，在02

3结论与展望

文章研究了悬板径向坡度对排沙漏斗内流场的影响，通过PIV测量不同悬板径向坡度下排沙漏斗内水平测试面、径向测试面、典型测线的速度分布，对比分析悬板径向坡度改变对排沙漏斗的截沙率、排沙耗水率和水沙分离的影响，主要得出以下结论。

（1）悬板径向坡度改变对漏斗室内的涡流特征无影响，不同i时，同一水平面上的涡流特征相同。柱体区流场是强迫涡和自由涡的耦合，锥体区内为自由涡。悬板径向坡度改变对空气涡的位置基本无影响，但空气涡面积随悬板坡度增大而增大，排沙耗水率减小。

（2）随着i的增大，漏斗室内旋流强度随切向速度增大而增强，离心惯性力增加，有利于水沙分离。悬板坡度增大，作用于悬板上方水体指向漏斗中心的水平分力和沿悬板向下的垂直分力越大，泥沙颗粒在水平分力和垂直分力作用下向室内运动机率增大，淤积在悬板上的可能性减小。

（3）悬板径向坡度改变影响了水流在漏斗内的运动路径，水流溢出前在漏斗室内的运动路径随i从0增大至0259而随之增长，有利于延长泥沙在排沙漏斗内的停留时间，使其被分离机会增加。

（4）悬板径向坡度改变对径向测试面中二次流的强度和位置影响较大，i=0173时，二次流强度较其它i下的大，可加速底部泥沙的输出，提高截沙率。i=0259时，90°和270°断面上均无二次流形成不利于泥沙排出。

（5）垂向速度分布结果表明坡度为0259时过渡区垂直向上流速较少，泥沙落淤悬板或者随流溢出的机会最小，但垂直速度相比切向速度和径向速度而言较小，且过渡区范围很小，对悬板落淤和截沙率的影响可以忽略不计。

文章仅从清水流场的角度从理论上分析了悬板径向坡度改变后排沙漏斗内三维流场特性的变化对水沙分离效果的影响，文章的结论尚需要通过浑水模型试验进行验证。

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