動水條件下分離鰓水沙分離效率的分析

張繼領(lǐng)，陶洪飛，姜有為，馬小翔，麥麥提江·熱合曼，楊保成，阿卜杜熱希提·圖爾蓀，艾斯喀爾·圖爾蓀

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 前 言

西北地區(qū)的地表水含沙量高且泥沙粒徑極細，一般粒徑小于30 μm的泥沙占含沙總量的40%以上，若不進行處理則極易造成微灌工程技術(shù)中的灌水器堵塞，但往往處理地表水中的黏性泥沙非常困難。目前是通過建立大型沉淀池對黏性泥沙進行沉降處理的方法，但該措施存在沉降時間長、占地面積大及投資大等缺點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)推廣運用中具有很大的局限性[1-3]。為滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求，對研究高含沙量給水處理技術(shù)已十分必要。垂向異重流式混合流體分離鰓裝置(簡稱“分離鰓”)在處理地表水中的黏性泥沙時，具有水沙分離速度快、占地面積小及投資少等優(yōu)點[4]。目前，許多專家學者利用用物理模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析的方法對分離鰓進行了研究。朱超[5-9]、嚴躍成[10,11]、趙麗娜[12]、陶洪飛[13,14]開展了靜水條件下的室內(nèi)物理模型試驗，根據(jù)試驗結(jié)果探討分析了分離鰓加速水沙分離的機理，優(yōu)化了分離鰓結(jié)構(gòu)，并從理論角度證明了結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的合理性，描述了分離鰓中水沙運動軌跡的原理圖。羅菲[15]和陶洪飛[16-20]運用Fluent軟件中的兩相流模型對分離鰓在靜水條件下的水沙兩相流流場進行了三維數(shù)值模擬，通過物理試驗與數(shù)值計算結(jié)果的對比，確定了模擬分離鰓在靜水條件下的水沙兩相流數(shù)學模型，并在此基礎(chǔ)上對不同傾斜角、鰓片間及泥沙粒徑下分離鰓中流場進行了數(shù)值模擬。前人幾乎沒有做過動水條件下分離鰓的水沙分離試驗研究，筆者擬通過開展相同含沙量不同流量下分離鰓和普通管的物理模型試驗，從而探究動水條件下分離鰓的水沙分離效率，為該裝置在微灌工程或市政給水工程中推廣應用提供理論支撐。

1 試驗裝置和材料

1.1 試驗裝置

圖1表示分離鰓的三維示意圖。從圖1中可知分離鰓由普通管(沒有布設鰓片)和鰓片構(gòu)成；分離鰓的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鰓片相鄰間距d、鰓片與普通管的長度方向兩側(cè)壁和寬度方向兩側(cè)壁構(gòu)成傾斜角α和β、鰓片和普通管之間設置的清水上升通道和泥沙下降通道寬度e和f；為了實現(xiàn)動水環(huán)境，分別在分離鰓寬度側(cè)壁的泥沙下降通道和清水上升通道處設置渾水進口和清水出口，分離鰓底部設置排沙口。本次試驗制作了1個分離鰓和1個普通管，2個裝置外形及尺寸相同，即長度a=200 mm，寬度b=100 mm，高度h=1 000 mm；根據(jù)靜水條件下的研究成果，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值為d=50 mm、α=60°、β=45°、e=10 mm、f=10 mm；此次設置的渾水進口直徑、清水出口直徑、排沙口直徑分別為20、20、2.5 mm，渾水進口位置距分離鰓頂端240 mm。

圖1 分離鰓三維示意圖Fig.1 Three-dimensional diagram of GPSD

圖2為分離鰓循環(huán)裝置示意圖。從圖2可知該循環(huán)系統(tǒng)由水箱、攪拌泵、抽水泵、分離鰓(或普通管)等構(gòu)成。試驗開始之前，利用攪拌泵將配置好的水和沙充分攪拌均勻，然后啟動抽水泵將渾水注入分離鰓中進行水沙分離，沉降的泥沙通過排沙口進入水箱，而溢流的清水通過清水出口也進入水箱中，兩者混合，重新構(gòu)成一個動水循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 分離鰓循環(huán)裝置示意圖 Fig.2 Schematic diagram of DPSD circulation device

1.2 試驗材料

選用烏魯木齊市西山的天然黃土作為試驗泥沙，其泥沙顆分曲線如圖3所示。由圖3可知：顆粒粒徑小于0.075 mm占100%，小于0.048 mm占80.4%，小于0.023 mm占47.8%，小于0.01 mm占26.0%，小于0.005 mm占13.5%，小于0.001 5 mm占6.6%，中值粒徑D50為0.025 mm。

圖3 泥沙顆分曲線Fig.3 Gradation curve of sediment

主要的試驗儀器：電子臺秤、精度0.01 g的電子天平、渾水攪拌泵、渾水抽水泵、錐形瓶、量筒、玻璃燒杯、玻璃攪拌棒、秒表、溫度計、數(shù)碼照相機。

2 試驗方法和考核指標

為研究動水條件下分離鰓的水沙分離效率，開展分離鰓和普通管的對比試驗。試驗條件：含沙量取10 kg/m3，渾水進口流量為5種不同的流量，分別為 0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 m3/h。

2.1 試驗方法

體積法測定流量。用玻璃燒杯在清水出口和排沙口取出一定體積的水樣，同時用秒表記錄時間t，并用量筒量出燒杯中水樣的體積V，每一個位置的水樣用量筒量取3次，取平均值為水樣的最終體積，代入式(1)進行計算，從而得出清水出口Q清水出口和排沙口Q排沙口的流量。2者之和為分離鰓的進口流量Q渾水進口。

(1)

Q清水出口+Q排沙口=Q渾水進口

(2)

置換法測定含沙量。每一個位置用玻璃燒杯在清水出口、分流口和排沙口取出一定體積的水樣采用精度0.01 g的電子天平稱重3次，取3次稱重的平均值為水樣最終稱重值，然后根據(jù)計算公式(3)和(4)計算出渾水含沙量值，即：

(3)

(4)

式中：S為渾水含沙量，kg/m3；m瓶+渾水為空錐形瓶和渾水的質(zhì)量，kg；m瓶+水為空錐形瓶和自來水的質(zhì)量，kg；m瓶為空錐形瓶的質(zhì)量，kg；V瓶為空錐形瓶的體積，m3；ρs為泥沙密度，kg/m3；ρw為自來水的密度，kg/m3。

2.2 考核指標

水沙分離效率是分離鰓水沙分離性能的一項重要指標。水沙分離效率是指水沙分離前后含沙量之差與水沙分離前含沙量之比，其表達式為：

(5)

式中：η為水沙分離效率，%；S進為渾水進口含沙量，kg/m3；S清為清水出口含沙量，kg/m3。

耗水率是反應分離鰓水量損失的一項重要指標。耗水率W是指排沙口的流量與渾水進口的流量之比，其表達式為：

(6)

3 試驗現(xiàn)象

分離鰓在動水條件下的試驗現(xiàn)象同靜水條件下有異同點。渾水通過渾水進口進入分離鰓中，因進水流速的影響，距離渾水進口位置一定范圍內(nèi)不會存在橫向異重流和垂向異重流現(xiàn)象，且流量越大影響的范圍也就越大，但超過這個范圍可觀察到分離鰓中存在同靜水條件下觀察到的試驗現(xiàn)象，如圖4(a)和(b)所示。相鄰鰓片間的黏性泥沙沉降至鰓片上表面后形成泥沙流，泥沙流沿著鰓片的高端滑落至低端，再進入三角形泥沙通道中沉降至分離鰓底部，如圖4(a)所示；而鰓片下表面的清水流則由鰓片低端流動至高端，再進入三角形清水通道上升至清水出口處，如圖4(b)所示。將試驗現(xiàn)象進行概化，如圖4(c)所示，即泥沙流和清水流在鰓片間形成了一個逆時針方向的橫向異重流，見圖4(c)中箭頭的虛線；泥沙通道中的泥沙流和清水通道中的清水流形成了順時針垂向異重流，見圖4(c)中帶箭頭的實線。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 分離鰓與普通管對比

表1為分離鰓與普通管的水沙分離效率對比。由表1可知：渾水進口流量相同時，分離鰓和普通管的水沙分離效率隨時間的增加而增大，且分離鰓的水沙分離效率比普通管高；渾水進口流量為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 m3/h時，分離鰓的水沙分離效率分別是普通管的1.03～2.26、1.16～2.45、1.30～2.70、1.58～3.85、1.65～1.60倍；渾水進口流量相同時，分離鰓和普通管的耗水率相同，且渾水進水口流量越大，耗水率越小。

無論是不同流量和不同時間下，分離鰓的水沙分離效率都高于普通管。這是因為：①分離鰓中布置的鰓片將整個裝置劃分成多個獨立的沉降區(qū)域，即將普通管垂直高度為1 000 mm的沉降區(qū)域縮短至兩相鄰鰓片間距為50 mm的沉降范圍，因此大大縮短了泥沙沉降時間，提高了泥沙沉速，使得泥沙形成絮團快速沿鰓片上表面滾落至泥沙通道中，再同其他泥沙流沉降至分離鰓底部，而鰓片下表面的清水流則快速流至清水通道中，同其他清水流上升至分離鰓頂端，沿清水出口流出；②鰓片增加了過水斷面濕周，縮小了水力半徑，在相同渾水進口流量下，相對于普通管而言，降低了雷諾數(shù)，從而改善了水力條件，使得大部分泥沙在穩(wěn)定的環(huán)境下沉降，減少了因水流紊動而帶出分離鰓外的泥沙，降低了清水出口含沙量；③分離鰓水沙效率是沉降面積的函數(shù)[21]。分離鰓中安裝了13張等間距鰓片，鰓片的水平投影面積為247 000 mm2，而普通管僅有20 000 mm2,從而使分離鰓增大了黏性泥沙的沉降面積，提升了分離鰓水沙分離效率。

圖5表示120 min時不同渾水進口流量下分離鰓和普通管的水沙分離效率對比。從圖5中可知，分離鰓隨著渾水進口流量的增大，水沙分離效率呈先增大后減小的變化趨勢，流量為0.9 m3/h時，水沙分離效率達到最大，為34.12%，而普通管則隨著渾水進口流量的增大，水沙分離效率呈下降趨勢。渾水進口流量大小對黏性細顆粒泥沙的絮凝有雙重影響[22,23]。一方面，渾水進口流量增大，增大了黏性顆粒的碰撞概率，促進泥沙顆粒的黏結(jié)；另一方面，流量增大，會破壞絮團內(nèi)部黏性細顆粒間結(jié)合不牢固的鏈結(jié)鍵。對于普通管而言，雖然渾水流量的增大能促進黏性泥沙形成絮團，但因為渾水進口靠近普通管頂端較近，黏性泥沙剛形成絮團還未來得及在重力作用下沉降，就被紊動的水流帶出清水出水口，隨著渾水進口流量越來越大，普通管中上部的黏性泥沙未形成絮團，便被帶至清水出口處，故隨著渾水進口流量的增大，水沙分離效率呈下降趨勢。對于分離鰓而言，雖然渾水進水口位置相同，但因為分離鰓中安裝了鰓片，從而使得水沙分離效率隨渾水進口流量的變化規(guī)律不同。當渾水進口流量為0.3～0.9 m3/h時，鰓片間中紊動的水流增加了黏性泥沙顆粒碰撞概率，促進黏性細顆粒彼此互相結(jié)合形成絮團，大部分通過鰓片上表面和泥沙通道下降至分離鰓底端，而鰓片下表面和清水通道中的清水則流至清水出口，從而使清水出口溢出的含沙量減小，水沙分離效率提高，當流量達到0.9 m3/h時，黏性泥沙形成絮團的直徑最大，泥沙的沉降速度最大，清水上升的速度也最大，從而使得在該流量下水沙分離效率最高。而當渾水進口流量增加至1.10 m3/h時，靠近分離鰓中上部的鰓片間水流破壞了絮團內(nèi)部顆粒間連接不牢固的黏性顆粒，將大直徑的絮團分解成小絮團，沉降速度降低，同時已形成的小絮團在渾水進口流量的作用下被帶出清水出口，使得出口含沙量增大，于是降低了水沙分離效率。

圖5 120 min時不同渾水進口流量下分離鰓和普通管的水沙分離效率對比Fig.5 GPSD compared with common pipe water sediment separation efficiency under different muddy water inlet flow at 120 min

4.2 不同流量下分離鰓的水沙分離效率對比

圖6表示不同渾水進口流量和時間下的分離鰓水沙分離效率對比。從圖6中可得出以下結(jié)論。

(1)不同渾水進口流量下分離鰓中的水沙分離效率隨時間變化規(guī)律不同，渾水進口流量為0.3～0.9 m3/h時，水沙分離效率隨時間的變化可分成緩慢增加、快速增加、緩慢增加3個階段，而渾水進口流量為1.10 m3/h時僅有緩慢增加階段。當時間為0～60 min時，為緩慢增加階段，即水沙分離效率隨著時間的增加而緩慢增加。原因是黏性泥沙在布朗運動、水流紊動、雙電層等作用下，黏性細顆粒之間的公共吸附水膜將它們連結(jié)起來形成絮團，隨著時間的推移，絮團粒徑不斷增加，從而水沙分離效率隨時間的增加而緩慢增加。當時間為60～90 min時，為快速增加階段，即水沙分離效率隨著時間的增加而快速增加。該段時間分離鰓中黏性泥沙絮團粒徑快速增大，其在鰓片和黏性泥沙通道中加速下降，清水也加速流至清水出口處，從而使得水沙分離效率快速增加。當時間為90～120 min時，恢復至緩慢增加階段，即水沙分離效率隨著時間的增加而緩慢增加。該段時間當絮團粒徑隨著時間的增大，黏性顆粒之間的公共吸附水膜吸附能力減弱，使得黏性細顆粒相互分離，分離之后，黏性細顆粒隨著時間開始慢慢絮凝成團，從而水沙分離效率隨時間的增加呈緩慢增加。流量為1.10 m3/h時，在0～120 min內(nèi)未出現(xiàn)其他流量下的規(guī)律，因為渾水進口距離分離鰓頂端較近，渾水流量過大，在水流的紊動作用下，阻礙了黏性細顆粒之間的公共吸附水膜的吸附能力，直接將還未形成絮團的泥沙帶入到分離鰓清水口處，造成清水口處含沙量同進入分離鰓中的含沙量相差不大，水沙分離效率增加緩慢。

(2)不同時間下，渾水進口流量為0.9 m3/h的水沙分離效率均高于其他流量，其水沙分離效率分別是 0.3、0.5、0.7、1.1 m3/h的1.10～1.37、1.09～1.32、1.07～1.29、1.46～3.85倍。

圖6 不同渾水進口流量和時間下的分離鰓水沙分離效率對比Fig.6 GPSD water-sediment separation efficiency under different water inlet flow and time

5 結(jié) 論

對分離鰓(長×寬×高=200 mm×100 mm×1 000 mm，渾水進口位置距離頂端240 mm)開展了動水條件下水沙分離效率的研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)當渾水進口流量為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 m3/h時，分離鰓的水沙分離效率是普通管的1.03～2.26、1.16～2.45、1.30～2.70、1.58～3.85、1.65～1.60倍；

(2)在泥沙沉降時間為120 min時，分離鰓的水沙分離效率隨渾水進口流量的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其最佳渾水進口流量為0.9 m3/h，水沙分離效率可達34.12%，耗水率為5.78%，而普通管水沙分離效率隨流量的增大呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢。

(3)渾水進口流量在0.3～0.9 m3/h時，水沙分離效率隨時間的變化包含緩慢增加、快速增加、緩慢增加3個階段，而渾水進口流量為1.1 m3/h時僅有緩慢增加階段。

(4)當渾水進口流量為0.9 m3/h時，分離鰓的水沙分離效率是渾水進口流量 0.3、0.5、0.7、1.1 m3/h的1.10～1.37、1.09～1.32、1.07～1.29、1.46～3.85倍。