多級(jí)斜板式水沙分離裝置試驗(yàn)

董玉萍,牟獻(xiàn)友,文 恒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

多級(jí)斜板式水沙分離裝置試驗(yàn)

董玉萍,牟獻(xiàn)友,文 恒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

采用渠化設(shè)計(jì)的方法對(duì)垂向異重流式混合流體分離鰓進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在不同流量、不同含沙量、不同斜板間距組合條件下,對(duì)該優(yōu)化的多級(jí)斜板式水沙分離裝置進(jìn)行了動(dòng)水循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:渠化設(shè)計(jì)后,清水流與沉降泥沙各行其道,大幅度減小了相互間的擾動(dòng);溢流泥沙中值粒徑隨進(jìn)流流量的增大不斷增大,隨進(jìn)流含沙量的增大逐漸減小;出流含沙量隨斜板間距減小而降低;在流量為0.9 m3/h時(shí)該裝置水沙分離效果最好,泥沙分離率在80％以上,最高可達(dá)到93％。

斜板沉淀池;分離鰓;水沙分離;渠化設(shè)計(jì);分離率

內(nèi)蒙古地區(qū)水資源匱乏,黃河作為該地區(qū)的重要水源之一,為該地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn),如何高效、合理地利用黃河水資源成為目前重要的研究課題之一,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣滴灌、噴灌等節(jié)水灌溉措施將成為今后農(nóng)田灌溉的必然選擇[1-3]。由于黃河水含沙量高,泥沙顆粒細(xì),極易堵塞灌水器的出水孔[4],嚴(yán)重制約了微灌技術(shù)在黃灌區(qū)的推廣與應(yīng)用,目前解決這一問(wèn)題主要還是通過(guò)沉淀池沉淀的方式進(jìn)行水沙分離,不僅建設(shè)投資大,周期長(zhǎng),而且分離效率較低[5],在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用有很大的局限性。20世紀(jì)70年代后出現(xiàn)的斜板沉淀池具有沉淀效率高、占地面積小等優(yōu)越性,很快在水處理中得到廣泛應(yīng)用[6]。

斜板沉淀池是在1904年美國(guó)學(xué)者Hazen提出的淺池理論上發(fā)展形成的[7],經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,斜板沉淀池的結(jié)構(gòu)形式不斷優(yōu)化。劉振中等[8]對(duì)異向流斜板沉淀池進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,使其在滿足沉淀效率及水力條件的情況下,沉淀池的建設(shè)費(fèi)用最小。方永忠等[9]將傳統(tǒng)上向流斜板由水平排列方式改為垂直排列方式,設(shè)計(jì)出一種新的沉淀分離裝置與工藝。邱秀云等[10-12]發(fā)明了垂向異重流式混合流體分離鰓,使得斜板沉淀池的沉淀效率得到很大提高。

斜板沉淀池雖然得到廣泛應(yīng)用,但有其自身的不足,如結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)不夠合理,使斜板上積存泥沙,水流挾沙能力下降;沒(méi)有直接的排除泥沙通道,泥沙沉降顆粒雜亂無(wú)章等,這導(dǎo)致工程投資費(fèi)用增加。本文對(duì)邱秀云等發(fā)明的垂向異重流式混合流體分離鰓進(jìn)行改進(jìn),對(duì)該分離鰓結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善,通過(guò)試驗(yàn)研究分析改進(jìn)后的裝置水沙分離效果,為內(nèi)蒙古地區(qū)引黃滴灌工程提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

對(duì)垂向異重流式混合流體分離鰓做如下改進(jìn):對(duì)頂層斜板和底層斜板的設(shè)置做適當(dāng)調(diào)整,在泥沙沉降部位增加擋沙板,形成排沙槽,并在排沙槽底部增加排沙孔。通過(guò)這些特殊構(gòu)造措施,促使水流按照設(shè)計(jì)路徑通過(guò)斜板裝置,沉淀的泥沙按照特定的路徑下沉,并集中在模型的排沙孔處,由排沙孔排出。這種設(shè)計(jì)可使進(jìn)入裝置的渾水、分離后的清水及分離的泥沙各行其道,避免了它們之間相互擾動(dòng)、混摻,提高了試驗(yàn)裝置的工作效率,如圖1和圖2所示。本文將此優(yōu)化設(shè)計(jì)稱之為渠化設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)后的裝置稱為多級(jí)斜板式水沙分離裝置。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 水沙分離試驗(yàn)裝置系統(tǒng)布置示意圖

裝置的斜板參考文獻(xiàn)[10]進(jìn)行設(shè)置,即斜板與長(zhǎng)、寬方向分別保持45°和60°的夾角不變,并作如下改進(jìn):①分離鰓側(cè)壁不打小孔;②增加了擋沙板,使泥沙顆粒有秩序地進(jìn)入排沙通道,避免上升水流對(duì)下沉泥沙的擾動(dòng);③如圖2(b)所示,頂層斜板的前后邊緣、低端邊緣與側(cè)壁密封,底層斜板的前后邊緣、高端邊緣與側(cè)壁密封,中間斜板的前后邊緣與側(cè)壁密封;④將3個(gè)同樣大小的水槽集成3級(jí)串聯(lián)水沙分離裝置,第1級(jí)、第2級(jí)、第3級(jí)斜板間距依次為9 mm、6 mm、3 mm。在試驗(yàn)裝置的第1級(jí)、第2級(jí)、第3級(jí)布置不同的斜板間距,是為了使不同顆粒粒徑泥沙逐級(jí)分離出來(lái)。斜板間距大,能沉降粗顆粒,但細(xì)顆粒不能在此斜板范圍內(nèi)沉降,只能進(jìn)入下一級(jí),這樣經(jīng)過(guò)3級(jí)分離以后基本可以保證將大部分泥沙顆粒分離出來(lái)。

試驗(yàn)裝置系統(tǒng)布置如圖2所示,將配置的特定含沙量的渾水注入水箱,攪拌均勻后,由渾水泵抽入試驗(yàn)裝置系統(tǒng),經(jīng)進(jìn)水管、流量計(jì)進(jìn)入第1級(jí)水沙分離裝置,分離出來(lái)的清液經(jīng)溢流口、輸水槽、進(jìn)水口進(jìn)入第2級(jí)水沙分離裝置,將第1級(jí)分離出的渾液經(jīng)排沙槽、排沙管排入水箱;第2級(jí)、第3級(jí)水沙分離流程同第1級(jí)。在進(jìn)水管、排沙管、出水管均設(shè)有取樣口,試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)取樣,測(cè)試含沙量、流量及顆粒粒徑。

試驗(yàn)儀器包括誤差不超過(guò)1％的渦輪流量計(jì)、1000 mL量筒、100 mL的比重瓶、精度為1/1000 g的電子天平、BT-2002激光粒度分析儀、渾水泵、攪拌泵、秒表、數(shù)碼相、溫度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)材料

黃河水流經(jīng)地域不同,其泥沙顆粒級(jí)配也有差別[13]。試驗(yàn)所用泥沙取自呼和浩特市托克托縣樹(shù)林揚(yáng)水站下游200m渠底。采用BT-2002激光粒度分析儀對(duì)所采試樣進(jìn)行顆粒分析,測(cè)試分析結(jié)果表明泥沙中值粒徑為81.69 μm,最大粒徑為312.56 μm,顆粒分布如圖3所示。

圖3 泥沙顆粒分布曲線

1.3 試驗(yàn)方案與內(nèi)容

試驗(yàn)是在保證各級(jí)流速相同的條件下,測(cè)量溢流口及排沙孔的流量、含沙量及顆粒分布,研究渠化設(shè)計(jì)措施對(duì)水沙分離裝置分離效果的影響。試驗(yàn)過(guò)程中采用0.4m3/h、0.6m3/h、0.9m3/h、1.3m3/h這4種流量和2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3這5種進(jìn)流含沙量?jī)蓛山M合成20個(gè)試驗(yàn)方案。

根據(jù)試驗(yàn)方案,主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究:①觀察水流及沉淀泥沙在試驗(yàn)裝置中的運(yùn)動(dòng)路徑,驗(yàn)證渠化設(shè)計(jì)的合理性;②研究進(jìn)流流量、各級(jí)流速及排沙孔流量一定時(shí),流量與溢流含沙量之間的關(guān)系,流量、進(jìn)流含沙量對(duì)溢流泥沙中值粒徑的影響,斜板間距與進(jìn)、出流含沙量的關(guān)系;③確定合理的工作參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中可直觀地觀測(cè)到濁液經(jīng)過(guò)斜板以后,清液上升,從裝置上部溢出,被分離的泥沙則不斷沿斜板向一側(cè)匯集于斜板與豎壁的V形夾角處,進(jìn)而滑入排沙槽內(nèi),在各級(jí)排沙槽內(nèi)均可形成較高含沙量的泥沙沉降帶,且各級(jí)分離裝置內(nèi)的含沙量逐級(jí)遞減。經(jīng)過(guò)3級(jí)分離裝置分離后,可以保證得到含沙量較小的溢流液,如圖4所示。

圖4 不同進(jìn)流含沙量下排沙槽內(nèi)的泥沙沉降情況

2.1 流量與溢流含沙量的關(guān)系

如圖5所示,試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),溢流含沙量隨流量的增大而增大;當(dāng)流量達(dá)到0.6 m3/h時(shí),溢流含沙量趨于穩(wěn)定;當(dāng)流量增大到0.9 m3/h即過(guò)流斷面流速為13.5 mm/s時(shí),溢流含沙量隨流量的增大呈線性增長(zhǎng)。根據(jù)淺池理論,由于流量增大,斜板間斷面流速也增大。泥沙顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度是過(guò)流斷面速度和該泥沙顆粒沉降速度的矢量和,而泥沙顆粒的相對(duì)沉降速度不會(huì)因斷面流速改變而改變,當(dāng)過(guò)流斷面流速達(dá)到13.5mm/s以后,濁液中的部分泥沙無(wú)法在斜板范圍內(nèi)沉降到斜板上。所以對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)流流量控制在0.9m3/h之內(nèi)時(shí),分離效果較好。

2.2 流量、進(jìn)流含沙量對(duì)溢流泥沙中值粒徑的影響

由于進(jìn)流的流量、含沙量不同,使得溢流口的溢流泥沙顆粒粒徑大小也有所不同。圖6為流量、進(jìn)流含沙量與溢流泥沙中值粒徑的關(guān)系曲線,可以看出:隨著進(jìn)流流量的增大,溢流泥沙中值粒徑呈不斷增大的趨勢(shì),這與淺池理論相符。流量小于0.6 m3/h 時(shí),溢流泥沙中值粒徑變化不大,說(shuō)明此時(shí)溢流泥沙已無(wú)法通過(guò)該裝置分離出來(lái)。在相同進(jìn)流流量條件下,溢流泥沙中值粒徑隨著進(jìn)流含沙量的增大而逐漸減小,這與試驗(yàn)用沙是天然混合沙,其中包含6.2％的小于10μm的細(xì)顆粒成分有關(guān):當(dāng)含沙量較低時(shí),泥沙顆粒沉降彼此互不干擾;當(dāng)含沙量小于15 kg/m3時(shí),隨著含沙量逐漸增大,泥沙顆粒之間連接成為絮團(tuán),其沉速大于單顆粒泥沙的沉速,這就使得部分細(xì)顆粒泥沙隨絮團(tuán)一起沉降下來(lái),水中所剩下的泥沙顆粒隨著進(jìn)流含沙量的加大而逐漸變小,直至在動(dòng)態(tài)水循環(huán)下這些極細(xì)泥沙顆粒不能沉降[14-15],所以溢流泥沙中值粒徑隨進(jìn)流含沙量增大而逐漸減小。

圖5 不同進(jìn)流含沙量下流量與溢流含沙量的關(guān)系

圖6 不同進(jìn)流含沙量下流量與溢流泥沙中值粒徑的關(guān)系

2.3 試驗(yàn)裝置的泥沙分離率

用試驗(yàn)裝置各級(jí)分離出的泥沙量與進(jìn)流所含泥沙總量的比值表示試驗(yàn)裝置各級(jí)的泥沙分離率。如圖7所示,試驗(yàn)裝置的泥沙分離率在80％以上,流量控制在0.6～0.9m3/h,則可以達(dá)到93％。由圖7還可看出:①隨著流量的增大,總的分離率呈降低的趨勢(shì),但是隨著進(jìn)流含沙量的增大這種降低的趨勢(shì)越來(lái)越不明顯;②第1級(jí)分離裝置的分離率隨著流量的增大而明顯下降,而第2級(jí)及第3級(jí)分離率較為穩(wěn)定,略有上升。分離率試驗(yàn)結(jié)果不但很好地印證了前文結(jié)論的正確性,同時(shí)也說(shuō)明了本裝置的高效性和實(shí)用性。

2.4 進(jìn)、出流含沙量關(guān)系

在0.9m3/h流量下,第1級(jí)、第2級(jí)和第3級(jí)裝置(斜板間距分別為9mm、6mm、3mm)的進(jìn)、出流含沙量關(guān)系如圖8所示。由圖8可知,在同一進(jìn)流含沙量下,隨著進(jìn)流含沙量的增大,出流含沙量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),近似呈線性關(guān)系;同時(shí)隨著斜板間距的增大,出流含沙量明顯增大,分離效果不如斜板間距較小的試驗(yàn)組。這種試驗(yàn)現(xiàn)象可用淺池理論來(lái)進(jìn)行解釋:對(duì)于某一固定的斜板間距,經(jīng)過(guò)斜板區(qū)段所分離的泥沙量與斜板的面積正相關(guān),所以分離的泥沙量與水流的挾沙總量近似呈正比例關(guān)系;當(dāng)斜板間距增大時(shí),斜板的面積便相應(yīng)減小,裝置的分離能力自然會(huì)降低。

圖7 不同進(jìn)流含沙量下的試驗(yàn)裝置泥沙分離率

圖8 不同斜板間距的進(jìn)、出流含沙量關(guān)系

2.5 裝置的實(shí)用性分析

若將本裝置推廣應(yīng)用于引黃滴灌等工程中,根據(jù)相似原理“重力相似準(zhǔn)則”測(cè)算,本裝置長(zhǎng)0.21 m、寬0.11 m、高0.61 m,最佳流量按0.9 m3/h計(jì),工程實(shí)際中設(shè)該裝置的高度為2.5 m,經(jīng)計(jì)算可知,實(shí)際流量可達(dá)30.6 m3/h,可以滿足一般的滴灌工程中干支管流量25～50 m3/h的要求。

3 結(jié) 論

a.經(jīng)過(guò)渠化設(shè)計(jì)以后,可以促使水流按照設(shè)計(jì)路徑通過(guò)斜板,沉淀的泥沙通過(guò)排沙槽下沉,并集中在模型的排沙孔處,經(jīng)排沙孔排出,在整個(gè)分離、沉降的過(guò)程中上升水流與沉降泥沙被隔離開(kāi),大幅度減小了相互間的擾動(dòng)。

b.當(dāng)流量在0.9m3/h左右時(shí),進(jìn)流含沙量與出流含沙量近似呈線性關(guān)系,該裝置分離效果較好,泥沙分離率在80％以上,最高可達(dá)到93％。

c.在最佳參數(shù)組合下,溢流泥沙中值粒徑隨著進(jìn)流流量的增大不斷增大,隨著進(jìn)流含沙量的增大而呈逐漸減小的趨勢(shì)。

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Experimental study on the water-sediment separator with multilevel inclined plates

//DONG Yuping,MOU Xianyou, WEN Hen(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agriculture University,Hohhot010018,China)

Channelization design method has been employed for structural optimization of the vertical-component density flow separation devices for mixed fluids.Dynamic water cycle experiments have been conducted for the optimized watersediment separation devices with multiple inclined plates under different discharges,sediment concentrations and distances between plates.Experimental results show that mutual perturbations between clear flow and sediments are greatly reduced through a channelization design.The median size sediments of overflows are increased with an increasing discharge and decreased with an increasing sediment concentration of inflow.The sediment concentration of outflow is decreased with a decreasing distance between plates.The optimal discharge of the device is found to be 0.9m3/h.The water-sediment separation rate is greater than 80％,and with a maxima of 93％at the optimal discharge.

inclined plate sedimentation tank;flow separation device;water-sediment separation;channelization design; separation rate

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.012

TV149.2

A

10067647(2013)05005205

20121126 編輯:熊水斌)

國(guó)家自然科學(xué)基金(50669001)

董玉萍(1985—),女,內(nèi)蒙古開(kāi)魯人,碩士研究生,主要從事工程水力學(xué)及水工模型試驗(yàn)研究。E-mail:dongyp0119@126.com

牟獻(xiàn)友(1969—),男(蒙古族),內(nèi)蒙古赤峰人,教授,博士,主要從事工程水力學(xué)及水工建筑物研究。E-mail:mouxianyou@163.com