旋流排螺模型初步試驗研究

王家生，閔鳳陽，魏國遠(yuǎn)，李凌云，王俊洲

（長江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010）

旋流排螺模型初步試驗研究

王家生，閔鳳陽，魏國遠(yuǎn)，李凌云，王俊洲

（長江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010）

一些傳統(tǒng)的水利血防措施（沉螺池、中層取水等）受多種條件的制約，工程效益難以充分發(fā)揮，研究新的水利血防措施勢在必行。本研究借鑒旋流排沙的原理，研制了旋流排螺模型，并通過模型試驗研究裝置內(nèi)的水流特性及排螺效果。結(jié)果表明：流量增大，流速以及紊動強度也隨之增大；切向流速的徑向分布中，靠近邊壁的流速較大；在測流垂線上，切向流速分布中則以表層流速為最大；隔板對水流擠壓使得在隔板邊緣出現(xiàn)較大的軸向流速；模型內(nèi)緣的徑向流速比外緣徑向流速更大。軸向紊動強度的分布為中上層大、底層小。在試驗流量下，投入一定數(shù)量的釘螺，觀測到模型排螺率達(dá)100%，表明旋流排螺技術(shù)是一種行之有效的排螺工程措施。

水利血防；旋流排螺；模型試驗；水流結(jié)構(gòu)；排螺率

2015，32（01）：28－32

1 研究背景

血吸蟲病是我國主要寄生蟲病之一，歷史已久，傳播廣泛，危害嚴(yán)重。釘螺是血吸蟲最大的病源載體，是血吸蟲的唯一中間宿主。實踐證明，控制釘螺擴(kuò)散可有效阻斷血吸蟲病在當(dāng)?shù)氐膫鞑ヅc流行。

隨水流擴(kuò)散是釘螺擴(kuò)散的主要方式，而涵閘和渠道是釘螺擴(kuò)散的主要途徑，控制涵閘渠道釘螺擴(kuò)散是水利血防工作的重點之一。傳統(tǒng)的阻螺工程措施包括沉螺池和中層取水2種，沉螺池通過降低流速使釘螺沉淀［1］；中層取水工程避開表層和底層有螺水體，從中層無螺水體取水［2］。國內(nèi)一些學(xué)者也開展了阻螺技術(shù)方面的研究工作，如吳昭武等［3］采用深層過水和設(shè)置防旋擋板的原理設(shè)計渠道分支口防釘螺擴(kuò)散裝置；李大美等［4］根據(jù)釘螺的生態(tài)水力學(xué)特性和計算水動力學(xué)（CFD）模擬計算結(jié)果設(shè)計無螺取水技術(shù)；方雄等［5］參考固液分離技術(shù)，結(jié)合釘螺的生物、物理特性采用水力旋流器分離釘螺。上述這些阻螺措施在控制釘螺擴(kuò)散方面發(fā)揮了巨大作用，但易受多種條件的制約，工程的效益難以得到充分發(fā)揮，因此急需研究控制涵閘和渠道釘螺擴(kuò)散的新技術(shù)和新方法來適應(yīng)新形勢的需求。

旋流排螺模型是借鑒旋流排沙的原理，通過模型內(nèi)產(chǎn)生的螺旋流使水和釘螺分離。旋流排沙裝置已在新疆等地的灌溉、引水等工程中得到了大量應(yīng)用，其沉沙、排沙設(shè)施占用場地面積小而且排沙效率高，結(jié)構(gòu)也較為簡單。雖然釘螺與泥沙運動規(guī)律有一定的相似性，然而釘螺運動有其特有的規(guī)律，如何借鑒已有的旋流排沙技術(shù)和原理，使其適用于控制釘螺擴(kuò)散，還需要進(jìn)一步深入研究。本文通過模型試驗研究旋流排螺模型的流場特性以及其阻螺效果。

2 試驗裝置與測試方法

2.1 試驗裝置及測試儀器

本試驗在長江科學(xué)院九萬方實驗基地進(jìn)行，試驗裝置采用旋流排螺模型。旋流排螺模型尺寸為：漏斗室直徑2 m；漏斗徑向底坡1/4.75；進(jìn)水管寬0.3 m，高0.3 m；懸板寬0.3 m，長度為180°半圓周；在漏斗室高一半的部位留有1/4圓的缺口作溢水口；漏斗底孔直徑為0.1 m，旋流排螺模型構(gòu)造見圖1。模型進(jìn)水管道與圓柱相切，底孔連接窄水槽通過三角堰測量流量，連接底孔的管道設(shè)有閥門，可以通過調(diào)節(jié)閥門控制底孔出流流量；上部溢流口連接寬水槽，通過三角堰測量其流量，試驗裝置平面布置見圖2。含螺水流從進(jìn)水口進(jìn)入模型后，釘螺會沿螺旋軌跡向底孔運動，再經(jīng)底孔排入窄水槽，上部清水則從溢流口溢出到寬水槽中；窄水槽內(nèi)收集釘螺進(jìn)行滅螺處理，如果釘螺溢出到寬水槽會造成下游釘螺擴(kuò)散。進(jìn)口流量采用量水堰控制；利用Sonteck公司生產(chǎn)的Micro ADV三維流速儀（工作頻率16MHz）觀測裝置內(nèi)的流場。

圖1 旋流排螺模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the vortex basin for oncomelania

圖2 試驗裝置平面布置Fig.2 Floor p lan of the test equipment

2.2 測線布置及測試方法

試驗流量為25，30，35L/s。共布置11個測流垂線，具體位置如圖3所示，每個測線軸向上布置一定數(shù)量的測點，通過ADV測試各流量下切向、徑向、軸向的流速及紊動強度。在進(jìn)水口處用導(dǎo)管投放一定數(shù)量、大小不等的釘螺（尺寸為8.0 mm×3.0 mm～10 mm×5.0 mm和5.0 mm×3.0 mm～6.0 mm× 3.0 mm），測流試驗后，排干寬水槽和窄水槽中的水，收集不同水槽內(nèi)的釘螺。

圖3 測線布置Fig.3 Layout ofmeasuring lines

2.3 數(shù)據(jù)分析及處理

通過winADV軟件將ADV相關(guān)系數(shù)小于70%的流速數(shù)據(jù)過濾，計算各測點的三維時均流速；紊動強度是由脈動流速的均方根值來表征，即樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差，如軸向的紊動強度為RMS［Vz′］＝。本文中的排螺效率為，其中S1為在窄水槽中回收的釘螺數(shù)目，S為在旋流排螺模型中投放的釘螺總數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 切向時均流速分布

前人關(guān)于漏斗螺旋流的切向流速分布規(guī)律，一直存在著2種不同的觀點。一種觀點認(rèn)為螺旋流由外區(qū)的強迫渦與內(nèi)區(qū)的自由渦耦合而成［6］，而另一種觀點認(rèn)為螺旋流運動為Rankine組合渦，即為核心區(qū)的強迫渦與外區(qū)的自由渦的耦合［7］。在自由渦區(qū)切向速度Vθ＝C/r，即流速隨半徑的增大而減??；在強迫渦區(qū)切向速度Vθ＝ωr，流速隨半徑的增大而增大。筆者認(rèn)為螺旋流場的水流結(jié)構(gòu)是與模型的邊界條件即模型半徑、底孔半徑、進(jìn)口與出口的形式位置、底坡等因素相關(guān)的。

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，切向時均流速隨著流量的增加而增大，整體上呈現(xiàn)的是越靠近邊壁區(qū)域，流速越大。1號測線位于水流經(jīng)隔板的出口處，其切向流速在不同流量下均是最大的。各流量下切向流速的軸向分布主要為表層流速最大，中下層流速較小，近似于明渠水流中的流速分布。如圖4（a）所示，在30 L/s流量下1，2，3號和位于內(nèi)緣的測線（如6號測線）的切向流速沿軸向從下往上逐漸增大，表層流速最大；外緣測線（如4號測線）在中下層流速最小，底層和表層的流速較大。如圖4（b）所示，隨流量增加，在35 L/s流量下1，2，3號和位于內(nèi)緣的測線切向流速仍是表層最大，但底層流速有所增加；其余測線流速分布規(guī)律較小流量情況基本不變。

整體時均流速是水流切向、徑向和軸向3個方向流速的合成速度，在本次試驗中，切向流速的尺度比徑向和軸向流速大得多，整體時均流速分布主要受切向流速分布的影響，因此本文不對整體時均流速再作分析。

3.2 徑向時均流速分布

徑向時均流速是表征水流向模型中心的速度，方向以指向中心為正，是影響釘螺能否輸移到模型中心的重要因素。關(guān)于徑向流速分布規(guī)律的研究資料較少，周著等人［8］認(rèn)為，靠近底面的徑向流速較大，而沿軸向逐漸減??；靠近中心區(qū)域的徑向流速較大，而沿徑向逐漸減小。

圖4 不同流量下切向時均流速的軸向分布Fig.4 Time-average tangential velocity distribution along vertical direction in the presence of different flow rates

在旋流排螺模型中，徑向流速分布比較復(fù)雜，不同垂線受到邊界條件如隔板、底孔、溢流口的影響，流速分布有較大差異。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，徑向時均流速隨著流量的增加而增大，位于內(nèi)緣的測線（如9，10號測線）徑向流速比外緣測線的徑向流速大。流量25 L/s和流量35 L/s下的徑向流速分布基本相同，3，10，11號測線徑向流速基本為負(fù)值，其余測線徑向流速正向占絕大多數(shù)；由圖5（a）可見靠近溢流口處的2，3號測線，受到溢流口出流的影響，2號測線表層徑向流速為負(fù)值，3號測線徑向流速全部為負(fù)值。在流量35 L/s下，1，2，9號測線上，徑向流速全為正向，而3，10，11號測線，徑向流速絕大部分為負(fù)值；2號測線位于溢流口處流速為正，對于抑制釘螺溢出有利?？拷撞康狞c的徑向流速較大，這表明漏斗底部有較強的底流，有利于底部釘螺向底孔輸送。

圖5 不同流量下徑向時均流速的軸向分布Fig.5 Time-average radial velocity distribution along vertical direction in the presence of different flow rates

3.3 軸向時均流速分布

軸向（垂直方向）的流速是影響釘螺下沉的重要因素，本次試驗中以向上為正向。從觀測的結(jié)果來看，軸向流速大小要比切向流速小1個數(shù)量級，大多區(qū)域的軸向流速的大小只有幾厘米每秒。

整體上軸向流速隨著流量的增加而增大。進(jìn)口流量的變化對于流場軸向流速分布的改變比較明顯。隨著流量的增加，7號測線的軸向流速由正值變成全為負(fù)值，6號測線軸向流速由負(fù)值變成全為正值，其余測線流速分布均有不同程度的變化。由圖6可以看出，由于隔板對水流的擠壓，鄰近隔板的區(qū)域如1，2，3號測線都出現(xiàn)較大的正向軸向流速，上部分軸向速度為正，下部分軸向速度為負(fù)。2，3號測線位于溢流口附近，表層的軸向流速最大；在隔板出口處有水涌起，此處（1號測線）的向上流速是所有測線中最大的。向上的軸向流速對釘螺的沉降是極為不利的，有可能使釘螺從溢流口溢出。

圖6 不同流量下軸向時均流速的軸向分布Fig.6 Time-average vertical velocity distribution along vertical direction in the presence of different flow rates

3.4 軸向紊動強度

關(guān)于紊動強度對釘螺的沉速影響的研究較少，R.Meyer曾指出紊動的作用將減低泥沙顆粒的沉速；Murray［9］的試驗表明，顆粒沉速減小的程度隨其紊動強度的增大而增大。本文選取軸向紊動強度的分布規(guī)律進(jìn)行介紹。

整體上軸向紊動強度隨著流量的增加而增大，靠近外緣的紊動強度比內(nèi)緣的紊動強度略大。在各流量下，紊動強度最大的出現(xiàn)在1號測線。如圖7（a）所示，在30 L/s流量下不同測線的軸向紊動強度在軸向的分布比較穩(wěn)定，基本上都是中層或上層紊動強度較大，而往底層其軸向紊動強度減小。在模型中層，水體受到進(jìn)口射流影響，上層受隔板、溢流口的影響，水流比較不穩(wěn)定；模型底層邊界條件穩(wěn)定，紊動強度較小，這有利于釘螺的沉降。如圖7（b）所示，隨流量的增加，在35 L/s流量下不同垂線上的紊動強度的分布變化差異變大，1號測線仍然是中上層紊動強度最大，而其余測線軸向上紊動最大強度的位置變?yōu)橄聦踊蚪讓印?/p>

圖7 不同流量下1，2，3號測線軸向紊動強度的軸向分布Fig.7 Vertical turbulence intensity distribution of p lot 1 p lot 2 and p lot 3 along vertical direction in the presence of different flow rates

3.5 排螺效率

排沙漏斗不僅可以有效地處理推移質(zhì)泥沙，而且可同時處理懸移質(zhì)泥沙，對于粒徑＞0.5 mm的推移質(zhì)泥沙截沙達(dá)100%，粒徑﹤0.5 mm的懸移質(zhì)泥沙截沙率達(dá)90%以上［10］。釘螺與泥沙運動規(guī)律有一定的相似性，用幾何尺寸來比較，最小體積的釘螺也比懸沙最大顆粒大，然而由于釘螺的比重小于泥沙的比重，若以懸沙的最大沉速作為判別釘螺能否以懸移方式擴(kuò)散的標(biāo)準(zhǔn)，則河流中成螺一般不能以懸移方式擴(kuò)散［1］。以推移質(zhì)形式運動的釘螺，比含大量懸移質(zhì)的泥沙更容易被排除。

含螺水流進(jìn)入裝置后，釘螺隨水流在模型內(nèi)部沿螺旋線運動，在指向中心的徑向水流作用下向模型中心運動；越靠近中心，水流整體流速越小，釘螺越容易沉降；且釘螺愈向下沉，整體流速隨水深增加而減小，釘螺逐漸沉淀在模型底部，在較強的底流作用下進(jìn)入底孔被排出。由表1看出，在3個不同流量下，釘螺的排螺率均達(dá)100%。

表1 旋流排螺模型的排螺效果Table 1 Trap efficiency of oncomelania by vortex basin in experimental tests

A.R.Keshavarzi等人［11］的研究表明，在入口射流的影響下會產(chǎn)生2個螺旋二次流：一個形成于進(jìn)口射流之下靠近底部，這是形成向底孔流動的重要原因；另一個形成于射流上部，形成于上部的螺旋流使得釘螺不能在模型中沉降，且將其帶出溢流口。在射流入口之上、溢流口位置之下布置1個隔板，能夠減弱上部螺旋流，延緩它的形成，并增強底部螺旋流。隔板的布置減弱了將釘螺帶出溢流口的二次流，增加了釘螺運動到溢流口的距離，延長了釘螺在模型中的運動時間，有利于釘螺的沉降；同時，隔板會加大水流徑向流速，促使釘螺更快地向底孔輸移，并具有減弱進(jìn)入漏斗水流紊動強度，穩(wěn)定水流的作用［12］。

4 結(jié) 論

旋流排螺裝置結(jié)構(gòu)小，排螺率高且耗水率小。旋流排螺模型中的水流結(jié)構(gòu)是與模型的邊界條件如隔板位置、進(jìn)口與出口條件、底坡等因素相關(guān)的。切向流速的軸向分布主要為表層流速最大，中下層流速較小，越靠近邊壁，切向流速越大。內(nèi)緣測線上的徑向流速比外緣測線上的徑向流速大，靠近溢流口的部位受溢流口出流影響，表層徑向流速基本為負(fù)值；漏斗底部有較強的底流，靠近底部徑向流速較大。由于隔板對水流的擠壓，鄰近隔板的區(qū)域出現(xiàn)較大的向上軸向流速。在模型中上層，水體受到進(jìn)口射流以及隔板、溢流口的影響，水流比較不穩(wěn)定，軸向紊動強度的分布為中上層大、底層小。

從排螺效果來看，3個流量下釘螺的排除效率都為100%，這表明了旋流排螺技術(shù)是一種有效的排螺工程措施。流量的增大會使得模型中的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，模型內(nèi)流速變大，釘螺從進(jìn)口到中間底部出水口的時間變短，同時軸向流速的增加使得釘螺不易下沉，釘螺被帶出溢流口的幾率增加。當(dāng)流量繼續(xù)增大，關(guān)于模型能否繼續(xù)有效排除釘螺的研究還待進(jìn)一步開展。

［1］張 威，熊正安，潘慶?w，等.釘螺擴(kuò)散方式及防止釘螺擴(kuò)散工程研究［J］.人民長江，1993，（8）：45－47.（ZHANGWei，XIONG Zheng-an，PAN Qing-shen，etal.Diffusion and Prevention ofOncomelania［J］.Yangtze River，1993，（8）：45－47.（in Chinese））

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［8］周 著，唐 毅，吳持恭.排沙漏斗水流結(jié)構(gòu)及對輸沙過程的影響［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯，1996，（2）：181－187.（ZHOU Zhu，TANG Yi，WU Chi-gong.Flow Field Measurements of the Sand Funnel and Its Influence on Sediment Transport［J］.Chinese Journal of Hydrodynamics，1996，（2）：181－187.（in Chinese））

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（編輯：陳 敏）

Prelim inary M odel Test of Vortex Basin for Oncomelania Control

WANG Jia-sheng，MIN Feng-yang，WEIGuo-yuan，LILing-yun，WANG Jun-zhou
（River Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

As some traditionalwater conservancymeasures for schistosomiasis control（settling basin for oncomelania snail，and middle layer water intake projects）are restricted by a variety of conditions，it is imperative to conduct research on new measures of schistosomiasis control.In this research，vortex basin for oncomelania was developed based on the principles of desilting funnel，and model experimentwas carried out to research the flow characteristics and trap efficiency of oncomelania by the vortex basin.Results show that as flow rate increases，the flow velocity and turbulence intensity increases.The tangential velocity decreases bymoving from the center of themodel towards sidewall along radial direction and by moving from the bottom ofmodel to water surface along vertical direction.Large vertical velocity is found near the edge of deflector caused by the compress of deflector.Radial velocity at the inner edge is larger than that in outer regions.Vertical turbulence intensity inmiddle and upper partof flow is higher than that in low layer.Under different flow rates，a certain number of oncomelania snails are fed into themodel and it is observed that the trap efficiency reaches 100%.It shows that vortex basin for oncomelania is an effective engineeringmeasure.

schistosomiasis control；vortex basin for oncomelania；model experiment；flow structure；trap efficiency

R532.2；TV149.2

A

1001－5485（2015）01－0028－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.006

2014－03－25；

2014－04－28

長江水利委員會血防項目（CKSG2013136/HL）

王家生（1976－），男，河南桐柏人，教授級高級工程師，主要從事水利血防、河流生態(tài)等研究，（電話）027－82927225（電子信箱）wangjiasheng2002＠126.com。

閔鳳陽（1983－），男，湖北當(dāng)陽人，工程師，碩士，主要從事河流生態(tài)及水利血防方面的研究，（電話）15172498397（電子信箱）minfengyang1983＠163.com。