旋流排淤器進(jìn)口流速場(chǎng)試驗(yàn)研究

，琦杰，凌峰

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450045)

隨著中國(guó)水利事業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)中葉建設(shè)的多數(shù)水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題日益嚴(yán)峻。針對(duì)水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題，中國(guó)的水利工作者探索出了蓄清排渾、引洪淤灌、機(jī)械排淤等多種措施，以求“攔、排、用”等技術(shù)手段處理泥沙,以緩解水庫(kù)淤積，提高水庫(kù)的興利效益。就水庫(kù)防治措施而言，總體上可分為三大類(lèi)：減少入庫(kù)泥沙、排渾減淤及排淤，但運(yùn)行管理均較復(fù)雜、成本費(fèi)用較高[1]。

20世紀(jì)60年代美國(guó)、日本、印度、巴基斯坦和尼泊爾等國(guó)家開(kāi)始對(duì)渦管螺旋流排沙進(jìn)行試驗(yàn)研究，之后渦管螺旋流排沙技術(shù)在一些地區(qū)得到了實(shí)踐運(yùn)用[2-3]。

中國(guó)對(duì)螺旋流排沙的研究始于20 世紀(jì)70 年代末, 西北水科所王慶祥等[4](1986年)較早進(jìn)行了理論分析和模型試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，太原理工大學(xué)水力系的一些研究者將圓管螺旋流引入了輸沙領(lǐng)域，對(duì)其水利特性[5]、固粒的軌跡與分布[6]、輸送能耗[7]、模型相似率[8]以及圓管螺旋的起旋方式[9]等方面進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。圓管螺旋流輸沙這一輸沙方式，可大大降低管內(nèi)流速，并使工程的高濃度、低耗能成為可能，對(duì)于管道朝著安全型、節(jié)能型的方向發(fā)展有著重要的意義[10]。

螺旋流輸沙的技術(shù)關(guān)鍵首先是如何在管道中產(chǎn)生螺旋流[11]。螺旋流常規(guī)的產(chǎn)生方法一般有3種：安裝導(dǎo)流片、切向進(jìn)流及旋轉(zhuǎn)管道[12]。按照起旋器的結(jié)構(gòu)又可分為: 局部起旋方式的起旋器、全程起旋方式的起旋器、切向進(jìn)流方式的起旋器、軸對(duì)稱(chēng)面內(nèi)小孔徑向向心射入的進(jìn)流方式起旋器、環(huán)狀軸對(duì)稱(chēng)開(kāi)口徑向進(jìn)流加錐形收縮管方式起旋器、能產(chǎn)生螺旋流的彎頭起旋器等6種[13]。

但在利用螺旋流輸送之前的工作，首先的問(wèn)題是讓泥沙再起動(dòng)。本文提出的旋流排淤器，即旋流吸泥頭，采用切向進(jìn)流的方式產(chǎn)生盤(pán)狀螺旋流，利用吸泥頭與淤積泥沙之間的導(dǎo)流縫隙產(chǎn)生高速水流使泥沙起動(dòng)并進(jìn)入螺旋輸送管道中，因此螺旋吸泥頭是圓管螺旋流輸沙運(yùn)行的核心裝置。本文針對(duì)排淤器不同導(dǎo)流布置方式的優(yōu)劣進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討不同導(dǎo)流安放角對(duì)排淤器進(jìn)口流速場(chǎng)的影響，為排淤器有效排淤建立基礎(chǔ)。

1 排淤器原理

旋流排淤器工作原理及排淤器模型見(jiàn)圖1。排淤器利用上下游水頭差將夾帶泥沙的高速水流吸入排淤器中，起旋部位在頭部圓錐過(guò)流面，過(guò)流面設(shè)置多條起旋條，目的是引導(dǎo)水流切向進(jìn)入旋流管。水流在壓力差作用下，從四周進(jìn)入圓盤(pán)狀的縫隙，以螺線形式到達(dá)中部，使其與管壁相切，并從旋流管中排出[14]。

排淤器的主要控制因素包括起旋條及其安放角。起旋條，即在排淤器圓盤(pán)過(guò)流面引導(dǎo)水流進(jìn)入旋流管，同時(shí)使水流在橫截面方向產(chǎn)生旋流的裝置。起旋條安放角，即起旋條兩端相切平面相交形成的夾角，見(jiàn)圖1 c。起旋條安放角的變化對(duì)排淤效果的影響不僅體現(xiàn)在引導(dǎo)水流行進(jìn)方向方面，也同時(shí)體現(xiàn)在改變水流流程大小方面。安放角增大，則流程加長(zhǎng)，沿程水頭損失與局部水頭損失發(fā)生相應(yīng)變化，同時(shí)中心旋流管切向流速也產(chǎn)生變化。

多年的室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用結(jié)果表明：螺旋流排沙的確具有排沙效率高、消耗水量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)排除水庫(kù)電站和灌溉引水渠道的推移質(zhì)泥沙是行之有效的。

2 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容、設(shè)備及方案

2.1 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

本試驗(yàn)旨在研究基于螺旋流排沙原理的旋流排淤器的進(jìn)口的流速場(chǎng)，選取圓管螺旋排沙器進(jìn)口流場(chǎng)作為研究方向，著力研究在其他條件選定的情況下，5個(gè)不同的起旋條安放角(分別為10°、15°、20°、30°和45°)對(duì)吸泥頭中心旋流管的切向渦流流速的影響，從而得到旋流管切向流速在安放角變化時(shí)的變化趨勢(shì)，確定中心旋流管切向流速最大、也就是挾沙能力最強(qiáng)時(shí)的起旋條安放角。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備主要由可調(diào)頻潛水泵、簡(jiǎn)易水池、螺旋吸泥頭、吸泥頭固定裝置、含壁面測(cè)壓孔的吸泥頭蓋板、壓力傳感器、輸水管路等組成(圖2)。

由于實(shí)際工作情況下吸泥頭朝下，如在試驗(yàn)中如此布置對(duì)流速等數(shù)據(jù)的測(cè)量工作較為不利。因此在測(cè)量試驗(yàn)中選擇忽略重力影響，圖2所示將吸泥頭倒扣朝上，使用頂蓋模擬實(shí)際情況下的庫(kù)底泥沙面，同時(shí)在頂蓋面鉆孔布置測(cè)量?jī)x器，方便數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)設(shè)備示意及9個(gè)測(cè)量點(diǎn)位見(jiàn)圖3、表1。

測(cè)點(diǎn)編號(hào)與旋流管中心距離142638410512614716818920

為避免測(cè)量點(diǎn)過(guò)密導(dǎo)致測(cè)量區(qū)域的流場(chǎng)變化，9個(gè)測(cè)量點(diǎn)分布在3個(gè)相鄰的過(guò)流區(qū)中；7個(gè)同心圓將頂蓋圓臺(tái)的母線8等分，相鄰圓半徑差為2 cm；起旋條模擬線將原先由起旋條八等分的3個(gè)過(guò)流區(qū)再次等分；7條曲線及內(nèi)外邊界圓上的9相交點(diǎn)即為測(cè)量點(diǎn)。在起旋條安放角不斷變化的情況下，測(cè)量點(diǎn)的位置也相應(yīng)不斷微調(diào)。

與測(cè)壓孔相連的壓力傳感器共10組，除9個(gè)頂蓋壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn)外，加設(shè)1個(gè)靜水位水頭測(cè)量管來(lái)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的水池靜水位變化。本試驗(yàn)控制控制水池靜水水頭不變，分別測(cè)量10°、15°、20°、30°、45° 5個(gè)起旋條偏轉(zhuǎn)角配置在10個(gè)水流流量梯度下各個(gè)測(cè)量孔位的流速分布，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組對(duì)比。流量選擇7 000～20 000 L/h，在8 cm內(nèi)徑旋流管中的總體軸向流速范圍為0.387～1.11 m/s。

2.3 試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ推鹦龡l高度較小(12 mm)，無(wú)法打孔插入ADV、旋槳流速儀等流速測(cè)量設(shè)備，因此由直接測(cè)量流速v轉(zhuǎn)為測(cè)量壁面壓強(qiáng)p。根據(jù)伯努利能量方程變形：

(1)

保持水池水位始終不變，z1=z2為常數(shù)。水泵開(kāi)啟前處于靜水狀態(tài)，v1=0。式(1)可改寫(xiě)為：

(2)

式中 Δp=p1-p2。由此，通過(guò)測(cè)量過(guò)流區(qū)的頂蓋壁面壓強(qiáng)可以得到測(cè)量點(diǎn)的流速v2。

其中2—9號(hào)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值為每個(gè)過(guò)流區(qū)中心的水流流速；1號(hào)測(cè)量點(diǎn)緊貼中心旋流管管壁，體現(xiàn)的是旋流管切向漩渦流速。在突出螺旋管流節(jié)水、節(jié)能優(yōu)勢(shì)的背景下，控制入流總水頭不變，旋流管內(nèi)切向旋流流速越大，則軸向推進(jìn)流速越小，水流流量越小，耗水量越小，同時(shí)挾沙能力也越強(qiáng)。因此，5個(gè)安放角的系列試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)中，能使1號(hào)點(diǎn)位流速最大的安放角度即為最宜角。

分析測(cè)量數(shù)據(jù)需要注意的是：壓力傳感器的顯示數(shù)值滯后于實(shí)際水流流速的變化，因此中心處的測(cè)量值僅代表該點(diǎn)附近的長(zhǎng)時(shí)平均流速，并非主流流速或斷面平均流速，可能會(huì)存在橫截面面積小的斷面選點(diǎn)的流速測(cè)量值反而小于截面面積大的測(cè)量值。

3 試驗(yàn)成果及數(shù)據(jù)分析

3.1 中心旋流管切向流速分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，單獨(dú)取出各個(gè)角度、流量下1號(hào)點(diǎn)位的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以看到，在7 000～9 000 L/h的流量范圍內(nèi)，起旋條安放角15°布置情況下的中心漩渦流速相對(duì)更大；當(dāng)入流流量增加到10 500～15 000 L/h時(shí)，45°布置下漩渦流速更大；當(dāng)流量進(jìn)一步增加到16 500～20 000 L/h時(shí)，15°布置下的流速更高。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，入流流量范圍在7 000～12 000 L/h時(shí)，10°、15°、20°、45°布置之間的切向流速差并不大，尤其是15°與45°之間各個(gè)流量下的最大流速差Δvmax僅為0.055 m/s；流量范圍在13 500～15 000 L/h時(shí)，45°布置的流速高于其他4類(lèi)布置，而10°、15°、20°布置之間的流速差距不大；當(dāng)入流流量達(dá)到16 500 L/h以上時(shí)，15°布置的流速明顯更高，而其他4類(lèi)的流速差距也較為明顯。

在所有入流流量范圍內(nèi)，30°布置的切向流速始終明顯低于其他4類(lèi)，因此30°角可以確定為挾沙能力相對(duì)最差的起旋條安放角。在最優(yōu)安放角的選擇上，7 000～15 000 L/h的入流流量范圍內(nèi)，可以選擇45°作為螺旋吸泥頭的安放角；而當(dāng)流量為16 500 L/h以上時(shí)，15°布置的流速明顯更高，因此選擇15°作為安放角更宜。

從旋渦流速隨安放角度變化趨勢(shì)上看，可以看到從10°～15°布置變化時(shí)，中心漩渦流速呈上升狀；而從15°～30°變化時(shí)，流速開(kāi)始減小，在30°達(dá)到極小值；而在30°向45°變化時(shí)，流速再一次提高。

3.2 過(guò)流區(qū)測(cè)量點(diǎn)流速分析

以安放角20°布置為例，對(duì)單組配置在不同流量下流速區(qū)距離旋流管中心點(diǎn)不同距離的9個(gè)測(cè)量點(diǎn)的流速進(jìn)行取樣分析見(jiàn)圖5。

可以看到，隨著入流量的增大，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量流速的上升趨勢(shì)較為明顯，部分測(cè)點(diǎn)的流速偏差基本在正常的測(cè)量誤差內(nèi)?？梢钥吹骄嘀行?6、18、20 cm測(cè)點(diǎn)間的流速變化較為明顯和異常，12、14、16 cm測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)可能偏小。根據(jù)公式：

Q1A1=Q2A2

(3)

18 cm測(cè)點(diǎn)的流速應(yīng)小于16 cm測(cè)點(diǎn)，同理，16 cm測(cè)點(diǎn)應(yīng)小于14 cm測(cè)點(diǎn)；實(shí)際試驗(yàn)讀數(shù)得到的數(shù)據(jù)顯示各組布置下的12、14、16 cm測(cè)點(diǎn)中均存在一個(gè)流速極小值。

經(jīng)過(guò)分析，問(wèn)題在于確定測(cè)量點(diǎn)位置時(shí)選用了界面中點(diǎn)作為流速測(cè)點(diǎn)。而水流在進(jìn)入吸泥頭過(guò)流面的前期受到起旋條的影響較小，因此18、20 cm測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)接近主流流速；而水流經(jīng)過(guò)過(guò)流面中部時(shí)受到起旋條的引導(dǎo)和影響，可能存在主流偏移的現(xiàn)象。因此中部測(cè)量點(diǎn)測(cè)量的流速并非主流流速而為邊緣流速，所以存在近中心測(cè)點(diǎn)流速小于遠(yuǎn)點(diǎn)流速的可能。過(guò)流面實(shí)際主流位置和朝向猜想見(jiàn)圖6。

此外，距中心4～8 cm間的流速變化幅度較8～20 cm間的幅度明顯加大，且在實(shí)際測(cè)量度數(shù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)近中心測(cè)點(diǎn)讀數(shù)震蕩幅度較大，而壓力傳感器反應(yīng)的流速大幅滯后于實(shí)際流速情況，說(shuō)明在靠近中心旋流管的過(guò)程中過(guò)流斷面迅速縮小，導(dǎo)致近中心過(guò)流面的水流極紊，流速劇烈變化，存在水頭損失。

經(jīng)測(cè)量計(jì)算，過(guò)流面出口、中心旋流管進(jìn)口的截面面積約為1.10×10-3m2，在流量為20 000 L/h時(shí)的理論斷面最大流速為約5.05 m/s，而本節(jié)分析的20°角布置試驗(yàn)中，4 cm測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)流速為3.775 m/s，說(shuō)明水流通過(guò)吸泥頭的局部水頭損失接近總水頭的25%，存在水頭損失較大的情況。

3.3 渦旋強(qiáng)度研究

渦旋強(qiáng)度的計(jì)算公式：

Ω=2ωΑ

(4)

式中Ω——渦旋強(qiáng)度，rad·m2/s；ω——旋流的角速度，rad/s；A——過(guò)水面積，m2。

以20°試驗(yàn)為例，研究排淤器在不同水泵功率下的各測(cè)點(diǎn)流速對(duì)應(yīng)的角速度和渦旋強(qiáng)度，可以得到20°安放角的旋流排淤器在不同水泵功率下對(duì)應(yīng)的上距中心點(diǎn)不同距離的各個(gè)測(cè)點(diǎn)處渦旋強(qiáng)度的曲線見(jiàn)圖7。

由于過(guò)流斷面的半徑、面積A為固定常數(shù)，因此流速v為唯一變量，所以不同角度不同測(cè)點(diǎn)處的渦旋強(qiáng)度的變化趨勢(shì)和對(duì)應(yīng)流速的變化趨勢(shì)基本一致。在安放角度相同的情況下，對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)，渦旋強(qiáng)度隨著流量增大而增大。

對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，距中心10 cm的4號(hào)點(diǎn)在20°最大流量下的Ω= 0.692 7 rad·m2/s，在最小流量下的Ω= 0.062 9 rad·m2/s。同一偏轉(zhuǎn)角度的旋流排淤器上從6 cm測(cè)點(diǎn)到18 cm測(cè)點(diǎn)在不同流量下測(cè)點(diǎn)的渦旋強(qiáng)度變化不大，取10 cm測(cè)點(diǎn)與18 cm測(cè)點(diǎn)作為代表進(jìn)行分析。18 cm測(cè)點(diǎn)整體上渦旋強(qiáng)度小于10 cm測(cè)點(diǎn)，其他規(guī)律則一致。對(duì)于2個(gè)測(cè)點(diǎn)，由圖表可明顯看出其渦旋強(qiáng)度與水泵提供的流量變化及起旋條安放角有關(guān)，但影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

a) 起旋條安放角15°、45°布置下的中心漩渦流速相對(duì)其他3種布置更大，對(duì)比兩者，在流量相對(duì)較小時(shí)，45°布置更為優(yōu)勢(shì)，而在流量大于15 000 L/h時(shí)，15°布置切向流速更大。

b) 水流經(jīng)過(guò)吸泥頭時(shí)受到起旋條的引導(dǎo)，存在主流偏移的現(xiàn)象。此外，過(guò)流面近中心處由于過(guò)流面積的迅速減小，流速劇烈變化，存在水頭損失較大的情況，主要的局部水頭損失應(yīng)產(chǎn)生于該段。

c) 通過(guò)試驗(yàn)分析可以得出渦旋強(qiáng)度與水泵流量變化及起旋條安放角有關(guān)，在實(shí)際排淤工程中使用螺旋流排沙應(yīng)根據(jù)水庫(kù)具體的泥沙粒徑情況來(lái)選擇合適的起旋條安放角。