“渾水水力分離清水裝置”流場(chǎng)數(shù)值模擬
——基于加壓液化輸沙技術(shù)的不同水頭作用

惠 康，譚義海(.新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000；.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 83005)

0 引 言

為了解決渾水水力分離清水裝置[1](以下簡(jiǎn)稱裝置)因錐體徑坡較大難以運(yùn)用于實(shí)際工程的問題，魯霞[2]將加壓液化輸砂技術(shù)引入裝置，成功減緩了錐體徑坡。經(jīng)前期對(duì)布設(shè)加壓液化管路前后的裝置進(jìn)行數(shù)值模擬分析[3]，得出運(yùn)用加壓液化輸沙技術(shù)后，通過加壓液化孔射出水流的擾動(dòng)作用，減少了錐體底部一定范圍內(nèi)泥沙淤積，提高了裝置的運(yùn)行效率，加快了清水溢流流速，有效地解決了裝置因減緩錐體底坡產(chǎn)生的泥沙淤積的難題。大量前期研究成果[4-9]表明運(yùn)用FLUENT軟件提供的RNGk-ε模型和多相流混合模型的計(jì)算結(jié)果，同物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，為后續(xù)運(yùn)用數(shù)值模擬的研究方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)錐體底部泥沙淤積與否，取決于加壓液化孔出流流速，加壓液化孔出流流速取決于壓力水頭的選取。本文在前期研究成果的基礎(chǔ)上，為完善加壓液化輸沙技術(shù)與裝置的結(jié)合，采用數(shù)值模擬的研究方法，運(yùn)用混合物計(jì)算模型對(duì)不同加壓水頭作用下裝置內(nèi)部水沙兩相流三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同加壓水頭作用下，裝置內(nèi)部水沙分離的效果，從而提出最優(yōu)加壓水頭。

1 模型及邊界條件

1.1 模型及工作原理

運(yùn)用加壓液化輸沙技術(shù)后的渾水水力分離清水裝置的計(jì)算模型如圖1所示。裝置主要由柱體區(qū)和錐體區(qū)兩部分組成。柱體區(qū)中包含內(nèi)部上懸板、中懸板和下懸板，溢流出口以及外部進(jìn)水涵洞；錐體區(qū)包含底部排沙底孔、錐體底部加壓液化孔。模型計(jì)算過程中，通過設(shè)置加壓液化孔的進(jìn)口壓力，實(shí)現(xiàn)水流經(jīng)加壓液化孔射出，對(duì)淤積在裝置錐體部的泥沙液化，液化后的泥沙流經(jīng)排沙底孔流出。裝置柱體區(qū)高度H=130 cm，底孔孔徑d=0.6 cm；中懸板45°布置寬度22.5 cm，延柱體區(qū)3/4范圍布設(shè)；下懸板5 cm，延柱體區(qū)1/2范圍布設(shè)；上懸板20 cm，延柱體區(qū)1/2范圍布設(shè)，清水溢流出口高度4 cm，延柱體區(qū)1/4范圍布設(shè)。

本次數(shù)值模擬在裝置錐體底部設(shè)置8根加壓液化管路，每根加壓液化管路上設(shè)置6個(gè)加壓出水孔，加壓液化孔徑為2 mm。

1-涵洞進(jìn)口；2-排沙底孔；3-加壓液化孔；4-下懸板；5-中懸板；6-上懸板；7-溢流出口；8-Z=0剖面圖1 裝置計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The experimental model structure diagram

1.2 數(shù)學(xué)模型

引入相體積分?jǐn)?shù) ，Eulerian坐標(biāo)系統(tǒng)中水沙兩相流雙流體模型的運(yùn)動(dòng)方程可寫為：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：αk為相k的體積分?jǐn)?shù)；Γkj是由于相變所產(chǎn)生的質(zhì)量生成項(xiàng)，對(duì)于水沙兩相流可認(rèn)為相間沒有質(zhì)量輸移，即Γkj=0；Fkj為相k所受的相間作用力；τki、τkj分別為黏性應(yīng)力和紊動(dòng)應(yīng)力。

(3)

(4)

采用質(zhì)量平均，最大的好處就是在連續(xù)方程中不出現(xiàn)脈動(dòng)相關(guān)項(xiàng)，所有紊動(dòng)項(xiàng)均出現(xiàn)在動(dòng)量方程中。時(shí)均化方法的不同，會(huì)引起控制方程的形式有所不同。

RNGk-ε模型的基本表達(dá)式如下：

(6)

式中：ρ和μ分別為體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均的密度和分子黏性系數(shù)；μt為紊流黏性系數(shù)；Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；σk和σε為k和ε的紊流普朗特?cái)?shù)；C*1z和Cμ為ε方程常數(shù)；αk=αε=1.39；μeff=μ+μt；其余各項(xiàng)為模型系數(shù)。

其運(yùn)動(dòng)方程的基本組成為：流體相的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和顆粒相的連續(xù)方程。多相流混合模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式見文獻(xiàn)[9]。

1.3 網(wǎng)格劃分

由于裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且裝置錐底布設(shè)有加壓液化進(jìn)水孔，因此按照幾何形狀分塊，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格。將計(jì)算區(qū)域分為6個(gè)區(qū)：上懸板區(qū)、柱體區(qū)、中懸板區(qū)、下懸板區(qū)、錐體區(qū)以及進(jìn)口涵洞區(qū)。在不同區(qū)域根據(jù)速度梯度大小的不同所采用的網(wǎng)格數(shù)也不同，以中懸板區(qū)為界，上部采用六面體網(wǎng)格，下部采用四面體網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格單位尺寸為3 cm，非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格最小尺寸為1 cm，最大尺寸為3 cm。

1.4 邊界條件

計(jì)算區(qū)域包括水和沙兩種介質(zhì)。將水定義為主相，其密度為1 000 kg/m3；次相為沙，假定顆粒為球形，平均粒徑為0.1 mm，密度為2 650 kg/m3，進(jìn)流含沙濃度為10 kg/m3。

(1)進(jìn)口邊界。裝置的進(jìn)口為切向涵管進(jìn)流，取來流方向?yàn)閤正向，故進(jìn)口邊界條件為：ux=V，uy=0，uz=0；其中ux、uy、uz分別為x、y和z方向的分速度，設(shè)置進(jìn)口流速V=27.17 cm/s。

(2)出口邊界。裝置的清水溢流出口位于頂部，排沙底孔位于錐體底部，均與大氣相通，故采用壓力出口邊界條件，壓強(qiáng)設(shè)定為大氣壓。

(3)自由表面。由于在裝置上部懸板溢流表面的水面幾乎沒有變化，基本為水平面，故可采用“剛蓋假定”，在自由表面上運(yùn)用對(duì)稱邊界條件來處理，即各個(gè)變量沿水深方向的梯度為零：?ux/?z=0，?uy/?z=0，?uz/?z=0。

(4)固壁邊界條件。在固壁邊界上，采用無滑移邊界條件，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定固壁附近的流動(dòng)。

(5)壓力進(jìn)口邊界條件。裝置錐底布設(shè)加壓液化孔，由于進(jìn)水條件取決于上游引水高程。本文加壓液化滲水孔壓力水頭分別取1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.3 m 7種水頭進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算時(shí)將水頭用壓強(qiáng)表示。根據(jù)公式p=ρgh(ρ為清水密度1 000 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為壓力水箱水面至加壓液化滲水孔之間的距離，m)分別計(jì)算得液化滲水孔壓力水頭與壓強(qiáng)的關(guān)系見表1。

表1 不同加壓水頭作用時(shí)壓力進(jìn)口壓力值計(jì)算表Tab.1 The calculation table of the inlet pressure value under different pressure water head pressure

2 計(jì)算結(jié)果及分析

以各離散相計(jì)算結(jié)果及參數(shù)曲線小于1×10-3為計(jì)算模型收斂條件。得出不同加壓水頭作用下結(jié)算分別分析如下。

2.1 濃度場(chǎng)分析

表2給出了裝置在不同加壓水頭作用下，進(jìn)出口濃度變化情況。經(jīng)表中數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，同等含沙濃度水流進(jìn)入不同加壓水頭作用的裝置，出口含沙濃度各不相同。

由表2可見，裝置進(jìn)流涵洞含沙濃度均為10 kg/m3。加壓水頭為1.5、1.6和1.7 m時(shí)，清水溢流出口含沙濃度均大于0.4 kg/m3，清水溢流出口含沙濃度和排沙底孔含沙濃度相對(duì)較大，說明裝置錐體底部已經(jīng)出現(xiàn)泥沙淤積；加壓水頭為2.0和2.3 m時(shí)，清水溢流出口含沙濃度較大，排沙底孔含沙濃度較小，說明裝置排沙底孔向外排沙過程中，損失了大量清水，水沙分離不徹底；加壓水頭為1.8和1.9 m時(shí)，清水溢流出口含沙濃度均小于0.4 kg/m3，說明清水溢流效果較好；排沙底孔含沙濃度適中，說明裝置錐體底部沒有出現(xiàn)泥沙淤積，裝置可以順利排沙；對(duì)比不同加壓水頭作用結(jié)果，可知加壓水頭為1.9 m時(shí)，清水溢流出口含沙濃度最小，說明裝置內(nèi)部水沙分離作用較為徹底，且排沙底孔附近沒有出現(xiàn)泥沙淤積。

表2 不同加壓水頭作用下裝置進(jìn)出口含沙濃度對(duì)比表Tab.2 the contrast table of equipment import and export of sediment concentration under different pressure head

2.2 流場(chǎng)分析

圖2為1.5、1.7、1.8、1.9、2.0、2.3 m 6種不同加壓水頭作用的裝置，在同一時(shí)間下Z=0剖面處流速矢量線分布圖。

由圖2可見，不同加壓水頭作用下，加壓液化滲水孔周圍，流速方向均指向上。但不同加壓水頭作用下，排沙底孔附近流速方向隨著滲水孔壓力水頭的變化而變化。由圖2(a)可見，加壓水頭為1.5 m時(shí)，排沙底孔附近流速方向指向上，說明此時(shí)排沙底孔已經(jīng)不出流，被高濃度泥沙淤堵。加壓水頭大于1.5 m時(shí)，排沙底孔附近流速方向指向下，說明排沙底孔已經(jīng)開始排沙，且隨著壓力水頭的增大，排沙流速也相應(yīng)增大。由圖2(a)(b)(f)可見，在溢流表面非懸板附近，當(dāng)加壓水頭為1.5、1.7、2.3 m時(shí)，流速指向上，加劇了清水溢流流速；由圖2(c)(d)可見，當(dāng)加壓水頭為1.8和1.9 m時(shí)，流速指向下，表明此水頭作用下，清水溢流效果較好；由圖2(e)可見，加壓水頭為2.0 m時(shí)，除溢流表層外，流速指向下，說明裝置柱體區(qū)水沙分離沒有影響。

圖2 不同加壓水頭作用下裝置在Z=0剖面處水沙流速矢量線分布圖Fig.2 Distribution of water and sediment flow velocity vector line of device at Z=0 section under different pressure water head

3.3 泥沙分布分析

圖3為不同加壓水頭作用的裝置在同一時(shí)間下、Z=0剖面處含沙濃度分布云圖。由圖3可見，6種不同的加壓水頭作用下，裝置內(nèi)部濃度場(chǎng)均受到加壓液化作用，出現(xiàn)不同的濃度分層現(xiàn)象。

圖3 不同加壓水頭作用的“裝置” 在Z=0剖面處含沙濃度分布云圖Fig.3 Sediment concentration distribution：at Z=0 section under different pressure water head

由圖3可知，不同加壓水頭作用下，裝置內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)不同的濃度分層，但清水層厚度均沒有太大變化，說明不同加壓水頭作用下，對(duì)裝置清水溢流效果沒有影響。由圖3(b)可見，加壓水頭為1.7 m時(shí)，分布形狀起伏較大，但有部分高濃度泥沙在排沙底孔集中，說明小于此水頭作用下，高濃度泥沙受到一定范圍的擾動(dòng)，但由于加壓水頭較小，導(dǎo)致擾動(dòng)后的高濃度泥沙在排沙底孔附近形成淤積；由圖3(c)(d)(e)可見，加壓水頭為1.8、1.9和2.0 m時(shí)，高濃度泥沙分布較為分散，只在加壓液化滲水孔附近出現(xiàn)一部分泥沙淤積，排沙底孔附近高濃度泥沙分布厚度有所減??；說明在此水頭作用下，高濃度泥沙受到劇烈擾動(dòng)，與“裝置”內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行劇烈混摻，起到了液化高濃度泥沙的作用，有效抑制了泥沙淤積；由圖3(f)可見，加壓水頭為2.3 m時(shí)，錐體底部高濃度泥沙明顯減少，僅在排沙底孔附近出現(xiàn)了小部分泥沙淤積，說明此水頭作用下，高濃度泥沙受到充分?jǐn)_動(dòng)，避免了泥沙在錐體底部形成淤積，有效液化了高濃度泥沙。

由裝置內(nèi)部的濃度場(chǎng)和流場(chǎng)分析可知，加壓作用水頭小于1.8 m時(shí)，造成排沙底孔淤堵，不利于裝置排沙；大于2.0 m加壓水頭作用時(shí)，清水溢流效果較差；加壓水頭1.8和1.9 m作用時(shí)，清水溢流效果濃度較小，排沙底孔暢通，水沙分離效果較好。由泥沙分布狀態(tài)分析可知，加壓水頭小于1.8 m時(shí)，加壓作用水頭過小，液化范圍有限，無法抑制高濃度泥沙在錐體底部淤積；加壓水頭大于2.0 m時(shí)，可有效液化高濃度泥沙，抑制泥沙淤積。但根據(jù)高濃度泥沙分布狀況對(duì)比可知，作用于“裝置”的加壓水頭越大，產(chǎn)生的液化作用越明顯，裝置錐體底部高濃度泥沙越少。綜合上述結(jié)果，可得出加壓水頭大小為1.8～1.9 m時(shí)，裝置底部高濃度泥沙較少，清水溢流較為平穩(wěn)，內(nèi)部流場(chǎng)有利于水沙分流，是裝置運(yùn)行的理想狀態(tài)。

4 結(jié) 語

通過混合物計(jì)算模型對(duì)不同加壓液化滲水孔加壓水頭作用下，裝置濃度場(chǎng)與速度場(chǎng)及泥沙分布狀況的對(duì)比分析，可得出結(jié)論：

小于1.8 m的加壓水頭作用下，水沙分離效果不好，裝置錐體底部容易產(chǎn)生泥沙淤積，不利于排沙；大于2.0加壓水頭作用下，裝置內(nèi)部水沙分離不徹底，清水溢流出口含沙濃度較大；加壓水頭1.8～1.9 m作用下，清水溢流含沙濃度較小，排沙底孔暢通，裝置內(nèi)部水沙分離效果較好，是裝置運(yùn)用加壓液化輸沙技術(shù)最理想的狀態(tài)。

本研究在前期研究成果的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)運(yùn)用加壓液化輸沙技術(shù)后，不同加壓水頭對(duì)裝置內(nèi)部流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，通過分析得出加壓水頭1.8～1.9 m作用下，裝置內(nèi)部水沙分離效果較好，為完善加壓液化輸沙技術(shù)與渾水水力分離清水裝置的結(jié)合奠定了理論基礎(chǔ)。

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