梭锥管混浊流体分离装置水力分离水沙机理研究

本项目研究是在已获得的《梭锥管混浊流体分离装置》专利技术（简称梭锥管）基础上提出的。拟继续通过系统试验研究梭锥管体型参数与其水力特性、水沙分离机理、分离效率和耗水率的内在关系，提出结构优化原则；运用固液两相流动力学和泥沙运动力学理论建立数学模型模拟梭锥管内水沙两相流运动，获得两相流场的速度矢量分布、不同粒径固相颗粒分布规律等流场信息。模型试验和数值模拟相互印证，从理论上探明梭锥管水沙两相流分离机理，优化梭锥管结构。.前期研究表明，使用梭锥管分离高浑浊水流中的水与沙或水与其他固体颗粒具有投资成本低、分离效率高、能耗低、处理流量大、耗水率低、无化学污染的特点。在水利工程泥沙处理、净水工程污泥脱水和环境工程石膏浆液浓缩领域都具有广阔的应用前景。项目研究成果不仅具有重要应用价值，更重要的是可望为解决高浓度细颗粒固液两相流高效率低耗水率的水力分离提供理论基础和科学依据，具有重要理论意义和学术价值。

本项目运用粒子图像测速技术测试了《梭锥管》内部流场，并根据固液两相流动力学理论建立数学模型，模拟了梭锥管内均匀沙和非均匀沙的水沙两相流运动，获得两相流场的速度矢量分布、不同粒径固相颗粒分布等详细的流场信息；通过系列模型试验和理论分析获得了梭锥管体型参数与其水力特性、分离效率和耗水率的内在关系。在以上研究成果的基础上，探明了《梭锥管》的分离机理及其内水沙分离的水流结构，并提出其结构优化原则，推导了《梭锥管》主要结构尺寸的计算公式，为《梭锥管》应用于工程实际提供设计依据。.通过试验研究、数值模拟和理论分析，得到以下成果：（1）梭锥管内泥沙自由沉降完成所需的时间约为尺寸相同的普通装置所需时间的67%；（2）梭锥管内的流场可概化为相邻锥圈间沿锥圈上表面向下和沿锥圈下表面向上的小环流及沿上锥管壁面母线方向的清水通道向上到达梭锥管顶部后沿重力方向经浑水通道向下的大环流组成；（3）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。在任意一沉降区域内，泥沙自锥圈下表面开始自由下沉，沉降至相邻锥圈上表面后沿母线下滑至浑水下沉通道排出，滑动速度大于自由沉降速度，从而提高了水沙分离的速度；（4）梭锥管内锥圈倾角必须大于泥沙水下自然休止角，锥圈最佳倾角为45°；（5）建立了考虑泥沙粒径和浑水含沙浓度的泥沙沉降速度与梭锥管结构参数之间的量化模型，根据模型可计算最佳锥圈个数，锥圈个数越多梭锥管分离泥沙的速度越快，但水沙分离所需时间不会随着锥圈个数的增加而无限制增加；（6）锥圈个数和倾角一定时，选择较大的锥圈长度和锥圈间距比值作为设计值；（7）处理含沙量较小（小于5kg/m3）的浑水时，梭锥管转角愈小越有利于提高水沙分离效率；（8）推导出梭锥管内任意泥沙颗粒或絮团在锥圈上滑动的轨迹方程，获得整个分离过程的泥沙沉降路径；（9）对具有一定浓度的含沙水流进行水沙分离时，梭锥管比普通装置具有更为明显的优势，并且其水沙分离效率随含沙浓度的增大而增大，其优越性越显著；（10）梭锥管采用管道排泥浓度远高于孔口排泥浓度，排泥水浓缩率可达5倍以上，耗水率仅为10%左右。