陳 鉑,趙利平,陳紹文,黃良材,程永舟,喻黎明,陳 宏

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410004; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410004; 3.廣東金東海集團有限公司,廣東 汕頭 515041)

泥沙濃縮旋管清液排放口布置形式

陳 鉑1,2,趙利平1,2,陳紹文3,黃良材3,程永舟1,2,喻黎明1,2,陳 宏1,2

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410004; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410004; 3.廣東金東海集團有限公司,廣東 汕頭 515041)

為確定一種新型水力吹填用水沙分離裝置——泥沙濃縮旋管關(guān)鍵部件清液排放口的布置形式,使用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方法對初步擬定的幾種清液排放口形式進行了研究,并綜合考慮工程適用性與濃縮效率,選取垂直主管布置排放管的外排放口作為該裝置清液排放口。結(jié)果表明,該排放口形式的泥沙濃縮旋管不但可以提高吹填造陸入場泥沙濃度,同時還會降低入場泥沙細顆粒含量,從而改善吹填泥沙的工程性質(zhì)。

泥沙濃縮旋管;水沙分離;水力吹填;清液排放口;布置形式;數(shù)值模擬;模型試驗

我國沿海地區(qū)土地資源緊張,將疏浚淤泥用來吹填造陸,是一舉兩得、變廢為寶的好方法。水力吹填淤泥由于黏粒含量多、含水率高,其工程特性一般很差,主要表現(xiàn)為壓縮性大、強度低、滲透性能差、排水固結(jié)緩慢。吹填形成的土地需要經(jīng)過長期固結(jié),因此水力吹填工程迫切需要能提高吹填淤泥工程性質(zhì)的技術(shù)。為降低含水率、提高入場泥沙含固率,通常的做法是使用固液分離裝置進行固液分離處理,并將低含沙清液排出以提高泥沙工程性質(zhì)。已有很多固液分離裝置的研究成果[1-6]，固液分離設(shè)備的分離效果都比較好,固體顆粒濃縮率較高。但由于結(jié)構(gòu)大多較為復雜,局部水頭損失大,部分分離設(shè)備還需要外部動力輸入,所以處理能力有限,不適合作為大規(guī)模吹填造陸工程的水沙分離設(shè)備。此外,吹填造陸工程要求水力吹填的泥沙要有一定的流動性,經(jīng)處理的泥沙含水率不宜過低。廣東金東海集團有限公司和長沙理工大學工程技術(shù)研發(fā)中心研制出一種新型水沙分離裝置——泥沙濃縮旋管(下文簡稱旋管),該裝置利用水力吹填的動能在旋管中形成環(huán)流,離心力使比水密度大的泥沙顆粒向旋管外側(cè)邊壁處(即旋管彎曲段遠離曲率中心一側(cè))匯集,出流時泥沙會形成有序分布,靠近旋管外側(cè)邊壁泥沙濃度高,靠近旋管內(nèi)側(cè)邊壁泥沙濃度低。在工程中可以將旋管內(nèi)側(cè)低含沙濃度的清液排出,以增加入場泥沙濃度,進一步提高工程效率。

為使旋管結(jié)構(gòu)定型,并運用于實際工程中,需要考慮如何有效地將清液排出,這涉及排放口位置、形式及布置方式。筆者采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方法,對旋管分沙機理和內(nèi)部水沙運動規(guī)律進行研究,以數(shù)值模擬進行定性比較,指導設(shè)計排放口形式;以物理試驗做定量研究,并通過試驗確定適用的排放口形式。

1 數(shù)值模擬試驗和排放口選型

研究泥沙問題通常采用物理模型試驗方法,物理模型試驗理論基礎(chǔ)較為成熟,對于復雜的綜合性泥沙問題,可以得到較為可信的試驗現(xiàn)象與結(jié)果[7],但由于靈活性和成本等方面的不足,使其應用受到了很多限制。近年來隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,計算流體力學已成為與物理模型試驗同等重要的研究方法,其中的泥沙數(shù)值模擬也正成為研究泥沙問題的重要手段[8]。

水力吹填時管道內(nèi)水流速度很高,為紊流流動。目前紊流數(shù)值模擬中主要使用混合長模型、標準k-ε模型、RNGk-ε模型等?；旌祥L模型和標準k-ε模型對于各向異性紊流流場模擬誤差較大,并不適于計算存在強烈二次流的旋管。RNGk-ε模型是Yokhoth等[9]于1986年使用重整化群理論在標準k-ε模型基礎(chǔ)上進行改進后的模型,該模型通過修正紊動黏滯系數(shù)考慮了流動中的旋轉(zhuǎn)等情況,所以本文數(shù)值模擬使用RNGk-ε模型進行流場計算。為了解泥沙顆粒在旋管中的運動規(guī)律,使用基于Lagrange方法的離散相模型計算單顆粒泥沙運動。顆粒運動控制方程[10]為

式中:u為水流速度;us為顆粒速度;udiff為顆粒擴散(隨機運動)速度;FP為壓力;G為質(zhì)量力(包括重力和其他質(zhì)量力);ρ為水體密度;ρs為顆粒密度;CD為拖曳系數(shù);D為顆粒直徑。

水和沙是通過拖曳力互相作用。對于球形顆粒,其拖曳系數(shù)有經(jīng)驗公式[11]

(2)

式中Red為顆粒雷諾數(shù)。計算時不考慮顆粒之間的碰撞影響。

為了解旋管實現(xiàn)泥沙有序分布的原理,使用數(shù)值模擬方法研究旋管中挾沙水流的運動規(guī)律。旋管結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,管道內(nèi)徑為d,螺旋管道軸線半徑為R,本文取d=90 mm、R=350 mm。旋管入口壓力為1.4 MPa,旋管出口壓力為1.0 MPa;投放顆粒為5組直徑0.054～0.9 mm的球形顆粒,在進口段每秒投放5 000顆,投放位置隨機分布,初始速度為零;顆粒密度為2.65 g/cm3,顆粒與管壁碰撞為非彈性碰撞,碰撞后回彈系數(shù)取為0.658,顆粒拖曳系數(shù)取為0.43。

圖1 旋管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 旋管內(nèi)部壓力、流場和泥沙顆粒分布

經(jīng)計算得到旋管內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。水流剛進入彎曲段時,由于管道曲率影響使靠近旋管外側(cè)的水體壓強變大,內(nèi)側(cè)水體壓強變小,如圖2(b)所示。進入彎曲段后水體同時還受到離心力作用,在離心力與壓力梯度共同作用下旋管內(nèi)水流會形成很強的二次流。水流在沿管道軸線運動的同時還會繞軸線做圓周運動,形成靠近邊壁處的高速環(huán)流帶,如圖2(c)所示,根據(jù)流線在管道截面位置變化情況,主流方向逐漸偏離管道軸線向旋管外側(cè)靠近。圖2(d)給出了泥沙顆粒分布情況,泥沙顆粒隨水流運動,受離心力作用逐漸向旋管外側(cè)集中。進入旋管內(nèi)的泥沙顆粒數(shù)隨時間變化曲線如圖3所示,泥沙顆?？倲?shù)在6 s后基本穩(wěn)定在3 000顆左右。進入螺旋管道后,從θ=90°開始順水流方向取4個截面(圖4(a))分析泥沙顆粒分布,將管道截面劃分為8個區(qū)域(圖4(b))。在泥沙顆?？倲?shù)穩(wěn)定后持續(xù)觀測收集各截面不同位置出現(xiàn)的泥沙顆粒,各截面泥沙顆粒分布情況見表1,可以看出隨水流運動泥沙在旋管中逐漸向外側(cè)下方聚集。

圖3 旋管內(nèi)泥沙顆粒數(shù)歷時曲線

圖4 旋管截面區(qū)域位置示意圖

表1 各截面泥沙顆粒分布情況 %

在實現(xiàn)泥沙有序分布后,需有效排除低含沙清液,提高入場泥沙濃度。先采用數(shù)值模擬進行定性研究,對不同排放方案排放效率、流動條件做比較。排除清液使用直徑為45 mm的直管進行外排放,排放管與主管分別布置不同角度,如圖5(a)(b)(c)(d)所示;或是在主管內(nèi)部添加一塊擋板將主流與清液分開進行內(nèi)排放,如圖5(e)所示。各方案邊界條件相同,旋管入口壓力為1.4 MPa,主管出口壓力為1.3 MPa,排放管出口壓力為1.0 MPa,比較旋管整體工作效果。

圖5 排放口結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 排放口管軸平面流速矢量

經(jīng)計算后得到各排放口流場如圖6所示。流動狀態(tài)穩(wěn)定后(6～20 s)在排放管捕捉被排出的顆粒,被排出顆粒隨時間變化曲線如圖7所示,均為粒徑為0.054 mm的細顆粒。各方案捕捉顆粒數(shù)量如表2所示,進行方差分析結(jié)果如表3所示,可見5種方案有顯著差異(P值遠小于5%)。方案1、4排水管排出泥沙顆粒相對較少,而且泥沙顆粒數(shù)隨時間變化較小(圖8),對旋管泥沙濃縮較為有利;方案1由于排放管與主管夾角較小,兩部分連接段(實際工程中的焊縫)很長,加工難度較大,故不作為推薦方案。方案2、3排出的泥沙顆粒較多,同時泥沙排放很不穩(wěn)定,泥沙濃縮效率較低。從流動結(jié)構(gòu)來看,方案2、5水流較為平順,挾沙水流引起的管道磨損與振動也相對要小,對工程運行較為有利。綜合比較,選取外排放方案4和內(nèi)排放方案5作為進一步的研究對象,制作物理模型進行試驗分析。

圖7 排放管捕捉顆粒數(shù)歷時曲線

排放口形式取樣次數(shù)顆?？倲?shù)顆粒數(shù)平均值方差方案1292317.975.89方案22935012.0712.50方案32933411.5215.62方案4292227.666.52方案52929910.318.22

表3 排放管排出顆粒方差分析

圖8 排放管捕捉顆粒數(shù)小提琴圖[12]

2 物理模型試驗

2.1 試驗裝置及工況

物理模型使用有機玻璃制作,旋管內(nèi)徑d=90 mm,旋管軸線曲率半徑R=350 mm,排放口根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果制作了內(nèi)排放口和外排放口兩種(圖9),清液排放管內(nèi)徑均為20 mm,內(nèi)排放口中的擋板距管壁25 mm。試驗裝置如圖10所示,蓄水池中事先配置好質(zhì)量分數(shù)為3.57%的含沙渾水,使用攪拌泵均勻混合。試驗用水(包括排放出的清液)最終流回蓄水池,保持蓄水池中水體含沙濃度的穩(wěn)定。

圖9 排放口結(jié)構(gòu)示意圖(單位: mm)

圖10 試驗裝置示意圖

試驗流速根據(jù)天津某吹填工程選取,該工程單管設(shè)計最大流量為8 000 m3/h,輸送管道內(nèi)徑為0.8 m,管內(nèi)平均流速為4.42 m/s;模型采用重力相似準則,即

(3)

計算得到試驗最大流量為9.4 L/s,對應旋管內(nèi)平均流速為1.48 m/s。

2.2 試驗結(jié)果與分析

圖11 流量分配

對內(nèi)排放和外排放兩種排放口分別使用不同流量進行試驗,試驗時取樣閥全開,兩種排放形式的主管流量和排放出的清液流量比較見圖11,可以看出兩種排放口清液排放效率相近。在主管和排放管同時取3組水樣測量泥沙濃度,當濃度值組間差異大于20%時重新取樣,將3組水樣泥沙濃度取平均得到該工況主管和排放管泥沙濃度值;濃度測量后將泥沙烘干分析粒徑分布。以主管水樣的泥沙濃度與排放管水樣泥沙濃度的比值作為衡量泥沙濃縮效果的參考值,泥沙濃度比與雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖12所示,可以看出主管水體和排放管清液泥沙濃度比絕大部分情況都大于1,即主管水體含沙量大于排放管,最多時主管水樣泥沙濃度可以達到清液的近20倍。泥沙濃度比隨著流速的增加而增加。泥沙濃度比與排放口形式和雷諾數(shù)之間的影響關(guān)系使用協(xié)方差分析法進行分析,結(jié)果見表4,分析表明泥沙濃度比受雷諾數(shù)影響顯著(雷諾數(shù)P值小于5%)。若假定兩種排放口泥沙濃度比隨雷諾數(shù)變化關(guān)系一致,可對兩種排放口泥沙濃度比和雷諾數(shù)進行線性回歸,并繪制出回歸線(圖12),可以看出外排放試驗組濃縮效果要略好于內(nèi)排放試驗組(回歸斜率相同時,外排放試驗組截距略大),但根據(jù)表4結(jié)果兩者差異并不顯著。

圖12 泥沙濃度比和雷諾數(shù)的關(guān)系

方差來源自由度平方和均方和F比P值/%雷諾數(shù)1131.91131.9086.5341.984*排放口形式123.0223.0241.14029.967殘 差18363.4020.189

表5 泥沙中值粒徑比協(xié)方差分析

試驗還發(fā)現(xiàn)排出的清液不但泥沙顆粒較少,而且其中所含細顆粒的比例高于主管水體,這與數(shù)值模擬試驗中排放口被捕捉到的顆粒均為最小粒徑顆粒的情況相符。使用主管水體和排出清液泥沙中值粒徑d50的比值來反映這種顆粒粗細的差異,兩種排放口泥沙中值粒徑比與雷諾數(shù)關(guān)系如圖13所示,可以看出流速越高主管水體與排出清液中泥沙粒徑差異越大,對細顆粒去除效果越好。使用協(xié)方差分析方法研究泥沙中值粒徑比受排放口形式與雷諾數(shù)的影響,分析結(jié)果見表5,表明泥沙中值粒徑比受雷諾數(shù)影響顯著(雷諾數(shù)P值小于5%),而與排放口形式無關(guān)。依照相同變化規(guī)律進行線性回歸的泥沙中值粒徑比與雷諾數(shù)關(guān)系圖(圖13),也顯示兩種排放口的差異很小。

圖13 泥沙中值粒徑比和雷諾數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 語

使用數(shù)值計算方法模擬了旋管內(nèi)的流動情況,比較了幾種不同清液排放口的排放效果,選取了在管內(nèi)側(cè)R/2處設(shè)擋板的內(nèi)排放口和垂直主管布置排放管的外排放口的兩種排放口形式進行物理模型試驗比較。試驗結(jié)果表明,旋管濃縮效果主要受管內(nèi)流速影響,流速越高濃縮效果越好,配有外排放口的旋管濃縮效果略好于內(nèi)排放旋管。試驗同時發(fā)現(xiàn),排放管排出的清液中所含細顆粒比例明顯高于主管水體,這對于吹填入場泥沙的工程特性會產(chǎn)生有利影響。試驗表明管內(nèi)流速越大,排出的清液中細顆粒比例越高;排放口形式對細顆粒比例并無影響。內(nèi)排放口由于管內(nèi)存在擋板,產(chǎn)生的水頭損失大于外排放口,且加工維護不便,故工程中推薦使用垂直主管排放的外排放口布置形式。

[ 1 ] 龐學詩.水力旋流器理論與應用[M].長沙:中南大學出版社,2005.

[ 2 ] 譚義海,李琳,邱秀云,等.梭錐管內(nèi)錐圈對水沙分離的影響[J].水利水電科技進展,2011,31(1):79-82.(TAN Yihai,LI Lin,QIU Xiuyun,et al,Influences of conical circles in shuttle-conical tube on separation of water and sediment[J],Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(1):79-82.(in Chinese))

[ 3 ] 李琳,譚義海,楊海華,等.梭錐管內(nèi)錐圈水沙分離機理及錐圈設(shè)計參數(shù)[J].水利水電科技進展,2013,33(3):5-9,(LI Lin,TAN Yihai,YANG Haihua,et al,Water sediment separation mechanism and design parameters of conical circles in shuttle-conical tubes[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(3):5-9.(in Chinese))[ 4 ] 嚴躍成,邱秀云,張翔,等.兩相流分離鰓泥沙運動軌跡及加速滑移的力學分析[J].水利水電科技進展,2011,31(5):27-29.(YAN Yuecheng,QIU Xiuyun,ZHANG Xiang,et al.Mechanical analysis of sediment motion path and accelerated slip on two-phase flow separation device[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(5):27-29.(in Chinese))

[ 5 ] 趙江濤,侍克斌,李玉建,等.圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽過濾性能試驗[J].水利水電科技進展,2013,33(5):57-60.(ZHAO Jiangtao,SHI Kebin,LI Yujian,et al.Experimental study on filtration performance of filter tank in circular central sand filter for sand discharging and desilting[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(5):57-60.(in Chinese))

[ 6 ] 董玉萍,牟獻友,文恒.多級斜板式水沙分離裝置試驗[J].水利水電科技進展,2013,33(5):52-56.(DONG Yuping,MOU Xianyou,WEN Hen.Experimental study on the water-sediment separator with multilevel inclined plates[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(5):52-56.(in Chinese))

[ 7 ] 左東啟.模型試驗的理論和方法[M].北京:水利電力出版社,1984.

[ 8 ] ANDERSON J D.Computational fluid dynamics[M].New York:McGraw-Hill,1995.

[ 9 ] YAKHOT V,ORSZAG S A.Renormalization group analysis of turbulence:I.Basic theory[J].Journal of scientific computing,1986,1(1):3-51.

[10] BARKHUDAROV M,DITTER J L.Particle transport and diffusion[R].Santa Fe:Flow Science,Inc,1994.

[11] BATCHELOR G K.An introduction to fluid mechanics[M].Cambridge:Cambridge University Press,1983.

[12] HINTZE J L,NELSON R D.Violin plots:a box plot-density trace synergism[J].The American Statistician,1998,52(2):181-184.

Study of layout form of clear liquid discharge port on sediment concentrated spiral tube//

CHEN Bo1,2, ZHAO Liping1,2, CHEN Shaowen3, HUANG Liangcai3, CHENG Yongzhou1,2, YU Liming1,2, CHEN Hong1,2

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,China; 2.KeyLaboratoryofWater-SedimentSciencesandWaterDisasterPreventionofHunanProvince,Changsha410004,China; 3.GuangdongGoldEastSeaEngineeringCompany,Shantou515041,China)

In this paper, it is proposed a new type of water-sediment separation device named sediment concentrated spiral tube (SCST), which is used in hydraulic fill. To confirm layout form of clear liquid discharge port—key components of the device, several tentative of clear liquid discharge port of SCST were investigated by numerical simulation and physical experiment. Considering the engineering applicability and efficiency of concentration, this paper selected the outside discharge port, whose discharge pipe was perpendicular to the main pipe, as the recommended clear liquid discharge port for SCST. Overall, the results showed: SCST, with the selected layout form, not only could improve sediment concentration for hydraulic fill, but also reduced the content of fine particles, as well as improved the engineering properties of fill sediment.

sediment concentrated spiral tube; water-sediment separation; hydraulic fill; clear liquid discharge port; layout form; numerical simulation；model test

湖南省高等學校科學研究項目(12C0029);水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室開放基金(2012SS06);廣東金東海集團有限公司資助項目(12061901)

陳鉑(1978—),男,浙江瑞安人,講師,博士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:colby_cn@hotmail.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.016

TV142

A

1006-7647(2015)03-0080-05

2014-02-15 編輯：熊水斌)