垂直螺旋管道内单颗粒运动受旋转科氏力影响的试验研究

通过对垂直螺旋管道中单颗粒运动进行试验,采用单颗粒动力学模型对其受旋转科氏力影响的特性进行了分析。结果表明：颗粒在运动过程中主要受到离心力、有效重力、旋转科氏力及阻力的作用。颗粒速度与水流速度之比λ和旋转科氏力与离心力之比ζ存在明显的指数关系。当λ=1时,颗粒所受旋转科氏力为零;当λ>1时,颗粒所受旋转科氏力与离心力的方向相同,均为背离圆心方向;当λ<1时,颗粒所受旋转科氏力与离心力的方向相反。试验中颗粒所受旋转科氏力与离心力在同一数量级的概率为3/4。因此,在小尺度低速度旋转流下研究颗粒受力时,颗粒所受旋转科氏力不应被忽略。     

水平螺旋管道内单颗粒运动中受旋转科氏力的试验研究

通过对水平螺旋管道内单颗粒运动进行试验,采用高速摄影方法拍摄记录管道内颗粒的运动,捕捉颗粒运动轨迹,获得其运动参数,并采用单颗粒动力学模型对其受旋转科氏力特性进行了分析,结果表明:颗粒主要受到离心力和旋转科氏力的作用;无量纲量λ与ζ存在明显的指数关系;颗粒所受旋转科氏力不能忽略样本数约实测总数的3/4。因此,在小尺度低速度旋转流下研究颗粒受力时,颗粒所受的旋转科氏力不应被忽略。     

垂直螺旋管道内单颗粒悬浮运动的试验

采用高速摄影方法拍摄记录垂直矩形螺旋管道内单颗粒的悬浮运动,采用捕捉试验中颗粒运动轨迹的方法,获得其运动参数,并分析颗粒受力的规律。试验结果表明:旋转水流的角速度对颗粒运动有较大的影响;颗粒在运动过程中主要是受有效重力、阻力和旋转科氏力的作用;在一定条件下,颗粒所受的旋转科氏力与离心力满足抛物线的关系,旋转科氏力比离心力大2～3个数量级;在小尺度低速度旋转流中,颗粒所受的旋转科氏力所占比例较大,在受力分析中不应被忽略。     

多级水沙分离装置不同斜板间距分沙效果试验

针对黄河内蒙古段河水高含沙问题,通过改变多级斜板水沙分离装置中的斜板间距,探讨了不同流量、不同浓度浑水下斜板间距对泥沙分离率的影响。结果表明:第一级和第二级分沙装置中斜板间距越小,水沙分离效果越好;第三级分离装置的斜板间距减小到2 mm时,其对提高水沙分离率的影响不明显,而且会导致泥沙淤积,不利于排沙。同时分析了不同流量下斜板间距对排沙孔分离出的泥沙中值粒径的影响,结果表明:在同一流量下,排沙孔泥沙颗粒粒径随斜板间距的增大而增大。     

基于滴灌浑水水力分离装置的水沙分离试验研究

针对西北地区农业滴灌中河水泥沙含量高的问题,结合新疆玛纳斯河流域下游段泥沙资料及喷、滴灌灌区需水量的大小,分析了流量、河水浓度对浑水水力分离清水装置水沙分离效果的影响,对其首次应用于滴灌泥沙处理进行了试验研究。观测和分析各工况下进流量、进流浓度对溢流浓度、溢流中泥沙粒径分布及最大泥沙粒径和底孔浓度的影响规律。结果表明:浑水水力分离清水装置完全可以代替沉沙池加滤网的旧模式处理泥沙以满足滴灌用水的规范要求。     

小尺度固液旋转两相流中科氏力的试验研究

科氏力对大尺度的河流、湖泊、海湾等水域影响是公认的事实,而对于小尺度流体运动过程中,目前研究者往往忽略其产生的作用。但是在小尺度旋转多相流中颗粒往往呈现向心运动的现象,这证明颗粒在旋转多相流存在相对速度并受到科氏力的作用。本文采用高速摄影机对试验过程中旋转两相流中颗粒的运动轨迹进行拍摄、记录,得到科氏力在小尺度旋转两相流中的作用:根据试验数据,可以准确的判定科氏力量值的大小,以及它和颗粒在小尺度两相流中其他受力之间的关系,得到科氏力在何种工况下对颗粒运动的影响是不可忽略的,并在颗粒运动中起主导力的作用。     

黄河泥沙颗粒卫星化现象的探索与研究

利用动态泥沙粒形分析技术对黄河泥沙颗粒进行了形态分析,从微观上解释了黄河"揭河底"现象产生的机理:黄河泥沙的颗粒级配组成范围非常广,完全具备产生卫星化现象的客观条件;在泥沙输移过程中,粗细泥沙颗粒能形成河床层理淤积结构,中间层的小颗粒泥沙往往黏在大颗粒泥沙上形成不规则颗粒,从而引起泥沙颗粒的堆积,形成强度非常大的胶泥块,一旦遇到合适的水沙条件,就易产生"揭河底"现象。     

浑水水力分离装置中水沙两相湍流的数值模拟

文章采用RNG(重整化群)k-ε双方程紊流模型和简化的多相流Mixture(混合)模型,对浑水水力分离装置内水沙两相湍流场进行了数值模拟,得到浑水水力分离装置的柱体区、悬板区以及锥体区内含沙水流的平面速度矢量分布、含沙水流的紊动强度分布以及泥沙体积浓度分布。通过装置内清、浑水流场的计算结果,分析了泥沙的存在对装置内水流平均流速和紊动强度的影响,以及不同区域内影响水沙分离的主要作用力。研究结果表明泥沙的存在不会削弱水流的平均运动,但泥沙可有效地抑制水流的紊动扩散作用,有利于悬浮泥沙的沉降,装置内不同部位影响水沙分离的主要作用力不同,在锥体区和悬板区水沙分离主要依靠离心力,而在柱体主要依靠重力沉降。     

浑水水力分离清水装置柱体高度对流场影响的数值模拟研究

基于Fluent软件对浑水水力分离清水装置的流速场进行数值模拟,分析了柱体高度对装置速度场的影响。结果表明:随着柱体区高度的增加,切向速度衰减,无法产生1 cm.s–1数量级的切向速度,并使得正向轴向流速增加,不利于泥沙沉降。当柱体区高度较小时,中心轴线两侧均存在明显的循环涡流,产生的回流将会降低泥沙颗粒向装置顶部清水溢出口流动的可能性,其径向速度数量级非常小,无明显特点。为了在装置内形成良好的弱旋流场,装置高度不宜过高,建议径高比在0.7～0.8之间。     

双球体颗粒沉降过程实验研究

颗粒沉降是泥沙运动力学的基本课题之一,同时也是环境泥沙学的基础。对球体双颗粒并排释放时的沉降过程在雷诺数过渡区进行实验研究,发明颗粒电磁释放装置,研究颗粒初始间距对沉降过程的影响。结果表明:电磁释放装置可以实现颗粒同步释放,消除释放装置对液体的扰动,保证颗粒沉降实验初始条件严格可控;并排释放的双颗粒沉降过程中产生排斥作用,颗粒沉降过程经历3个阶段;颗粒初始间距对沉降过程影响显著,初始间距越小,排斥作用越强烈,在初始间距超过5倍粒径后,颗粒间几乎不存在相互作用。     

垂向异重流式水沙分离鳃水沙分离机理浅析

对新形净水装置——垂向异重流式水沙分离鳃的水沙分离机理进行初步研究。在已有的利用加单排鳃片分离鳃对含沙质量浓度为60 kg/m3的浑水进行研究的基础上,对无鳃片普通模型、加单排鳃片模型和加双排鳃片模型在泥沙质量分数为8%~20%的范围内进行了不同含沙浓度浑水中泥沙沉降速度的对比试验,得出3种不同装置中泥沙沉降速度的基本规律。分别从泥沙絮凝的角度和异重流的角度阐述了垂向异重流式水沙分离鳃这一装置可以快速进行水沙分离的机理,并简单论述了垂向异重流的概念。     

斜板式水沙分离装置中泥沙水力沉速特性研究

为探明斜板式水沙分离装置中的泥沙沉降特性,设计了由3个不同斜板间距的水槽串联组成的试验装置,通过量测该模型装置溢流口的泥沙中值粒径,并结合泥沙沉降半经验公式,对装置中泥沙的群体沉速特性进行了分析研究。结果表明:装置中每一级斜板的截留速度均比泥沙群体沉速小,泥沙均能发生沉降;每一级斜板能够分离出的最小的泥沙中值粒径计算值与现场实测值非常接近。     

黏性泥沙受紊动剪切作用下的絮凝效果研究

我国水库运行一直面临着泥沙淤积的问题,而水动力条件的改变对泥沙的絮凝有莫大的影响,针对此问题,研发了一套絮凝沉降装置,以三峡库区长寿河段泥沙为样本,利用多层震动格栅在圆柱形沉降筒中产生各向同性均匀紊流,结合絮凝沉降观测装置,研究分析紊动剪切作用对黏性泥沙絮凝的影响,并得出了基于试验的最优剪切率。结果表明:紊动对于泥沙颗粒的絮凝有较明显的促进作用,且随泥沙浓度的增大(0. 3~1. 0 g/L),絮凝程度也相应地增加;紊动剪切对于中、大颗粒絮体(0. 048~0. 384 mm)的分布具有较大影响;泥沙颗粒在进入沉降柱后可以在几十分钟内快速完成絮凝,在30 min左右即可观测到最大颗粒絮体,随后颗粒最大粒径逐渐下降直至平衡;随着紊动剪切率的增加,其对于絮凝的作用呈现先促进后抑制的规律。     

梭锥管内锥圈对水沙分离的影响

介绍一种新型水沙分离装置梭锥管混浊流体分离装置(简称梭锥管)的初步研究成果。梭锥管是一种新型的低耗水率、动态水力分离水沙两相流的装置。为了探明梭锥管内特有结构——锥圈对泥沙沉降速度的影响,针对结构尺寸相同的有锥圈和无锥圈的梭锥管进行浑水质量浓度分别为30 kg/m3,60 kg/m3,80 kg/m3的泥沙静水沉降试验。试验结果表明,与无锥圈梭锥管相比,泥沙在有锥圈梭锥管中沉降的速度较快,锥圈的存在改变了泥沙的沉降方向,缩短了沉降距离,增加了沉降面积,提高了泥沙的沉降速度。因此,为了提高泥沙的沉降速度,可以适当增加梭锥管内的锥圈数量以增强其水沙分离性能。     

斜板式水沙分离装置中泥沙水力沉速特性研究

为探明斜板式水沙分离装置中的泥沙沉降特性,设计了由3个不同斜板间距的水槽串联组成的试验装置,通过量测该模型装置溢流口的泥沙中值粒径,并结合泥沙沉降半经验公式,对装置中泥沙的群体沉速特性进行了分析研究.结果表明:装置中每一级斜板的截留速度均比泥沙群体沉速小,泥沙均能发生沉降;每一级斜板能够分离出的最小的泥沙中值粒径计算值与现场实测值非常接近.     

黄河流域黏性泥沙群体沉速计算分析

针对黄河流域由黏性矿物组成的黏性泥沙群体沉降特征展开研究。基于泥沙颗粒受力分析和能量守恒定律,以处于稳态的泥沙颗粒为参照物,构建了泥沙颗粒水沙界面能量耗散物理图形;建立了考虑挟沙水流运动黏性系数和紊动黏性系数的泥沙群体沉速显式表达式,并采用黄河流域典型黏性泥沙红色砒砂岩颗粒开展了泥沙群体沉速试验研究。结果表明：红色砒砂岩组成的含沙水体中泥沙群体沉速整体随含沙量增大而减小并逐渐趋于定值;当垂向平均含沙量为0.34～0.45 kg/m³时,泥沙群体沉速表现为随含沙量的增加而增大。采用试验数据对建立的公式进行验证,公式能较合理地表达水流黏性和尾流分离对泥沙颗粒沉降阻力的影响。研究结果可为黄河流域黏性泥沙淤积和输移规律研究提供参考。     

梭锥管混浊流体分离装置流场PIV 测试及分析

利用粒子图像测速技术,测试了两种工况下梭锥管混浊流体分离装置（简称梭锥管）内的水沙两相流的速度场,给出了梭锥管内泥沙运动的流速矢量分布及流速大小云图。对测试结果的分析表明,实测结果与理论分析结果一致。含沙水流进入梭锥管后,其内设置的多层锥圈把泥沙沉降区域分割成若干个沉降距离较短且相互独立的沉降空间,缩短了泥沙的自由沉降距离。相邻锥圈组成的水沙分离空间内,形成了沿锥圈上表面向下运动的泥沙流和沿锥圈下表面向上运动的清水流,使分离后的泥沙流和清水流沿各自独立路径流动,泥沙流流入排沙装置中心的排沙通道,而清水流流入装置边壁处的清水流通道,相互之间无混掺和干扰,加快了水沙分离速度。     

BT-301型离心沉降式粒度分布测定仪比测试验

BT-301型离心沉降式粒度分布测定仪是采用液相沉降法的一种无接触方式的粒度分布测定装置,以重力沉降和离心沉降为手段进行颗粒测定,大大提高了悬移质泥沙颗粒分析的效率,具有准确性高、稳定性好等优点,分析结果可靠.该仪器与计算机连接使用,使泥沙颗粒分析向自动化方向迈出了一大步.     

水库泥沙絮凝机理研究

天然水体泥沙絮凝的作用力主要来源于颗粒表面的电荷作用,其絮凝的基本原理可以采用DLVO理论分析研究。以三峡水库中的水体环境因素为基础,通过DLVO理论量化了颗粒之间的作用能和作用力。通过对颗粒之间位能曲线上特征值与泥沙颗粒相对运动具有的动能之间的对比,得到了泥沙颗粒能够形成絮凝的水动力条件。对比三峡水库具体的水动力因素发现,坝前水深较大,当泥沙处于水体的中层时更容易产生絮凝;水库中泥沙的絮凝体均较为疏松,颗粒之间相互作用力较小,容易在水流中被剪切破坏。最后通过力的平衡关系得到了絮凝体的极限下沉速度,沉速等于絮凝体极限下沉速度的单颗粒泥沙粒径即为絮凝临界粒径,约为0.019 mm,小于临界粒径的单颗粒泥沙的沉速需要考虑絮凝因素而进行修正。     

漏斗排沙在陕西省泾惠渠灌溉供水中的应用

许多传统的沉沙设施因只能排除引水中40%左右的来沙,但排沙耗水量亦要占引水量的30%,致使这些设施90%以上都搁置或报废。新建沉沙池投资大,占地多,使许多管理单位难以承受。漏斗式排沙技术利用三维漏斗涡流特性所独有的水沙分离作用,还承受科氏力的影响,水沙分离作用显著。泾惠渠排沙漏斗直径60m,是目前国内最大的排沙漏斗。其应用证明漏斗排沙是解决陕西省多泥沙河流引水的重要途径。