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承压式合流制溢流深井淤积及清淤技术研究

陈勇民  
【摘要】:承压式合流制溢流深井是在原有合流管道埋深较大时所采用的一种特殊的溢流井,这种溢流井在降低了造价和施工难度的同时也存在水力条件差和易于淤积的问题。本文采用现场探测、模型实验和数值模拟相结合的方法研究了承压式合流制溢流深井的水力特性和淤积规律,在此基础上设计了自虹吸水力清淤装置,并研究了该装置的水力特性和清淤效果。研究内容分述如下: 1、应用管道声纳系统进行现场淤积调查,掌握承压式溢流深井的淤积状况和淤积变化情况;同时采用流量计监测流量变化,将其与淤积状况作对比分析。结果显示,溢流深井内普遍存在1-2m的淤积层,与B1型井相连的截流干管内基本没有淤积,而与B2型井相连的截流干管内存在0.1-0.4m的沉积层。 2、通过模型实验和数值模拟研究承压式溢流井的水力特性和淤积规律,分析溢流井淤积原因,为设计清淤装置提供依据。结果显示,恒定流时溢流井内流场总体上呈现为包含两个螺旋上升涡流的对称结构,涡流中心的切应力和紊动能较小,泥沙实验时该区域的固体颗粒沉积量较大;涡流周边的切应力和紊动能较大,固体颗粒沉积量较小。 3、根据承压式溢流井的水力条件,设计了自虹吸水力清淤装置。通过模型实验和数值模拟,研究了该装置的水力特性。结果显示,自虹吸水力清淤装置能明显改善溢流井底部的水力条件,其速度场对承压式溢流深井的清淤和防淤均能起到显著作用。自虹吸水力清淤装置运行所产生的井室底面切应力与作用水头差之间呈线性关系,而在相同水头差作用下底面切应力与虹吸管截面积参数(1/S)呈指数关系。 4、通过泥沙实验研究了自虹吸水力清淤装置的清淤效果。结果表明:首次清淤率在总清淤率中所占比重最大,随着运行次数的增加泥沙面趋于稳定,清淤率急剧下降。首次清淤率和总清淤率均随着虹吸管截面积参数(1/S)值的增大而增大,但其增长速度随着(1/S)值的增大而降低,(1/S)增大到一定值后清淤率的增长不再明显。 5、在固液两相流的数值模拟中,固体颗粒在边界的沉降现象与当地床面切应力(BSS)有较强的相关性,本文通过将遗传优化算法中的概率选择方法应用到判断颗粒物沉降的边界条件中,提出了“概率沉降”模型。该模型从沉降概率的角度描述固体颗粒与底面的碰撞行为,弥补了临界床面切应力模型不能区分不同区域颗粒沉降难易程度和预测相对沉积量的缺陷。将该模型应用于实验模型和实际溢流井淤积的数值模拟,模拟结果得到实验结果和声纳实测图像的验证。


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