圓中環(huán)沉沙排沙池模型試驗(yàn)及流場數(shù)值模擬研究

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1、圓中環(huán)沉沙排沙池模型試驗(yàn)及流場數(shù)值模擬研究摘要圓中環(huán)沉沙排沙池（簡稱“圓中環(huán)”）是一種新型二級泥沙處理設(shè)施。它首次應(yīng)用于新疆呼圖壁阿葦灘渠首，重點(diǎn)解決了引水渠泥沙淤積問題，為阿葦灘灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水提供保障。2006年運(yùn)行至今，沉沙排沙效果良好。本文以該“圓中環(huán)”為原型制作模型，采用物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析三種方法對“圓中環(huán)”內(nèi)的流場、含沙量分布規(guī)律及沉沙、排沙特性內(nèi)容進(jìn)行研究，探求“圓中環(huán)”的水沙分離機(jī)理，優(yōu)化“圓中環(huán)”的結(jié)構(gòu)形式。主要結(jié)論如下：（1）利用模型試驗(yàn)研究了“圓中環(huán)”多種工況的徑向流速分布特性，結(jié)果表明：“圓中環(huán)”中心出水環(huán)不加高工況的徑向流速及徑向流

2、速梯度呈不均勻分布，135°～225°范圍徑向流速及徑向流速梯度較大，尤以180°徑向斷面徑向流速及徑向流速梯度最大；徑向流速及徑向流速梯度沿徑向與半徑成反比，徑向流速沿垂向與水深成反比；在距離圓心1/2半徑處以內(nèi)徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動(dòng)強(qiáng)度較大，其余半徑范圍較?。谎貜较驍嗝娲嬖诨亓鲄^(qū)。增加溢流堰結(jié)構(gòu)高度，“圓中環(huán)”內(nèi)徑向流速降低，有利于沉沙，但不能改變“圓中環(huán)”內(nèi)徑向流速分布不均勻性。增加“圓中環(huán)”中心出水環(huán)高度至9cm時(shí)，“圓中環(huán)”內(nèi)徑向流速及徑向流速梯度分布較均勻，更利于沉沙。（2）采用RNGk??紊流模型及VOF方法能較準(zhǔn)確地計(jì)算“圓中環(huán)”中心出水環(huán)不

3、加高及加高9cm工況的水氣兩相流場，所得結(jié)論較可靠，數(shù)值模擬方法對類似工程基本可以代替模型試驗(yàn)，提高研究效率，同時(shí)可彌補(bǔ)物理模型試驗(yàn)的不足。數(shù)值模擬結(jié)果表明：“圓中環(huán)”中心出水環(huán)不加高工況水相流場是由徑向、切向、軸向速度組成的三維流場，徑向速度在數(shù)值上大于軸向及切向速度，軸向速度最小。不同徑向斷面紊動(dòng)能與徑向流速沿垂向分布規(guī)律基本相同，表明徑向速度在“圓中環(huán)”內(nèi)具有關(guān)鍵作用。“圓中環(huán)”沿徑向產(chǎn)生回流區(qū)，回流區(qū)的存在不利于細(xì)顆粒泥沙沉降。“圓中環(huán)”流速及紊動(dòng)能分布不均勻，135°～225°范圍流速及紊動(dòng)能分布較大。增加中心出水環(huán)高度至9cm時(shí)，“圓中環(huán)”內(nèi)的流速及水流紊

4、動(dòng)能分布較為均勻，水流上行區(qū)域范圍明顯減小，更利于泥沙顆粒沉降。I（3）利用模型試驗(yàn)研究了“圓中環(huán)”多種工況的含沙量分布特性及沉沙、排沙特性，結(jié)果表明：“圓中環(huán)”中心出水環(huán)不加高工況的含沙量、沉沙范圍和沉沙粒徑分布不均勻，135°～225°范圍含沙量較大、沉沙量較多、沉沙粒徑較粗。但含沙量及沉沙粒徑在徑向與半徑成反比，在距離圓心1/2半徑處以內(nèi)含沙量沿垂向與水深成反比，垂向分布不均勻，沉沙顆粒較粗，其余范圍含沙量垂向分布較均勻，沉沙顆粒較細(xì)。增加“圓中環(huán)”中心出水環(huán)高度至9cm時(shí)，“圓中環(huán)”內(nèi)含沙量、沉沙范圍和沉沙粒徑分布較均勻?！皥A中環(huán)”內(nèi)存在泥沙分選現(xiàn)象，水沙分離

5、依靠重力沉降。在設(shè)計(jì)流量及含沙量條件下，“圓中環(huán)”中心出水環(huán)不加高工況的截沙率為90.9%，排沙耗水量6.6%，沉沙粒徑范圍1mm＜D≤84mm。增加“圓中環(huán)”中心出水環(huán)高度至9cm時(shí)，截沙率為94.2%，排沙耗水量4.37%，沉沙粒徑范圍1mm＜D≤84mm，同時(shí)可提高處理懸移質(zhì)能力。中心出水環(huán)不加高及加高9cm工況的沉沙時(shí)間與進(jìn)水流量的回歸模型分別為-0.997-1t=1545.8Q及t=2152.55Q?！皥A中環(huán)”是利用進(jìn)水水流動(dòng)能、較陡的倒錐底坡、泥沙自身重力及高速環(huán)流排出沉沙的泥沙處理設(shè)施，處理以推移質(zhì)為主的多泥沙河流具有優(yōu)勢。（4）結(jié)合試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬及

6、理論分析研究結(jié)果，從“圓中環(huán)”基本結(jié)構(gòu)、流速、含沙量及沉沙粒徑分布特性等角度探究“圓中環(huán)”水沙分離機(jī)理。溢流堰長是“圓中環(huán)”利于水沙分離的關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)流量條件下，“圓中環(huán)”半徑與溢出最大泥沙粒徑的回歸模型為d=-2.43+52.04/R，中心出水環(huán)直徑與溢流堰直徑比D0/D=1/15時(shí)對于粒徑大于1mm的泥沙顆粒完全沉積在“圓中環(huán)”內(nèi)，截沙率為100%，隨著“圓中環(huán)”直徑增加，D0/D減小，溢出的最大泥沙粒徑迅速減小，截沙率為100%的粒徑將進(jìn)一步減小。在相同進(jìn)水條件下，隨著“圓中環(huán)”半徑增加，溢流堰長迅速增加，截沙率將進(jìn)一步增加，排沙耗水率將進(jìn)一步減小。在相同“

7、圓中環(huán)”半徑條件下，在小于設(shè)計(jì)流量、含沙量條件下，截沙率將進(jìn)一步增加，排沙耗水率將進(jìn)一步減小。關(guān)鍵詞：圓中環(huán)沉沙排沙池；截沙率；排沙耗水率；水沙分離機(jī)理；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬IIResearchonModelExperimentandNumericalSimulationofFlowFieldinCircular-ringSedimentDesiltingBasinAbstractTheCircular-ringsedimentdesiltingbasin(HereinafterreferredtoasCircular-ring)isanewsecon