南軍虎，高 歡，汪超群，馬康寧，羅 涵，劉一安，李 偉

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

渠道引水應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是水資源利用的常見方式，然而，黃河等河流的泥沙含量遠(yuǎn)高于全球河流泥沙含量的平均水平[1]，引水必引沙[2]。水流中過大的含沙量會(huì)造成引水渠道淤積、水力機(jī)械表面磨蝕、農(nóng)田耕地沙化、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，同時(shí)排沙耗費(fèi)大量的水資源，增加了引水成本[3]。在河流沿線梯級(jí)泵站和水電站建設(shè)不斷增多的背景下，多泥沙河流引水時(shí)的水沙分離和水資源高效利用等問題，自然成為本領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題。

修建渠首工程和沉沙池是引水渠道中處理泥沙問題的傳統(tǒng)方式[4]。但隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量的增加，渠道的引水比不斷提高，沉沙池高排沙耗水量的問題逐漸突出。長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和研究表明，旋流因具有能量集中、挾帶能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，在渠道排沙領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出排沙渦管、排沙漏斗、自排沙廊道等旋流排沙技術(shù)，為解決渠道泥沙沉積問題提供了新思路[6–7]。排沙渦管利用布置在渠底的渦管形成螺旋流，以排除渠道底部推移質(zhì)泥沙[8]。Edling[9]、Atlinson[10–11]、張開泉[12]等從排沙渦管的設(shè)計(jì)、原理，渦管內(nèi)流速、截沙率、分流比等方面對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究，部分成果已在查拉特運(yùn)河等工程中得到應(yīng)用，并解決了山溪性河流上修建引水樞紐的引水防沙問題。排沙漏斗是一種利用立軸旋渦實(shí)現(xiàn)水沙分離的二級(jí)排沙設(shè)施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從結(jié)構(gòu)對(duì)其流場(chǎng)特性影響[13]、排沙漏斗截沙率計(jì)算[14–15]、排沙漏斗內(nèi)部水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律[16–17]等方面對(duì)排沙漏斗進(jìn)行了研究，明確了其內(nèi)部流場(chǎng)特性[18–19]，體現(xiàn)出其具有高截沙率、低耗水量的特點(diǎn)。自排沙廊道通過導(dǎo)流板在廊道中形成三向螺旋流用以排沙，該技術(shù)在黃河二級(jí)懸河的治理[20]和降低潼關(guān)高程[21]的方案中得到應(yīng)用或論證。但是，上述排沙技術(shù)均存在其局限性，例如：排沙渦管適宜于具有一定坡度的渠道[8]，排沙漏斗易產(chǎn)生泥沙落淤懸板的問題[13]，自排沙廊道不能連續(xù)排沙[21]。

旋流排沙渠道[22]是基于旋轉(zhuǎn)水流的特點(diǎn)提出的渠道排沙新技術(shù)，其主要由渠道、起旋室、排沙洞3部分構(gòu)成。在不設(shè)沉沙池的情況下利用渠道沉降泥沙，并在渠道底部適當(dāng)位置設(shè)置排沙洞，渠道與排沙洞通過斷面逐漸收縮的起旋室連接。利用較小的耗水量和有限落差在排沙洞內(nèi)產(chǎn)生較大流速的旋轉(zhuǎn)水流，可將泥沙帶出排沙洞，達(dá)到泥沙分選的效果。從排沙洞排出的高含沙水流經(jīng)處理后可流回原河道或下一級(jí)渠道，在滿足工程需要的同時(shí)也滿足了經(jīng)濟(jì)需求和生態(tài)需求。

然而，旋流排沙渠道作為一種渠道排沙新技術(shù)，對(duì)其水力特性和排沙性能缺乏研究，而這些特性是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)?；诖?，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)旋流排沙渠道的流態(tài)、分流比、壓強(qiáng)、流速、排沙特性等進(jìn)行研究，并討論其可行性和有效性，具有重要的應(yīng)用基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值。成果可豐富引水工程中的水沙分離技術(shù)，并為這種排沙技術(shù)在泵站和水電站、水產(chǎn)養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)及工業(yè)用水的初步處理等工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1為旋流排沙渠道的體型示意圖，在渠道底部與水平排沙洞內(nèi)設(shè)置直切式起旋室，即從渠道底部到排沙洞，一側(cè)壁面鉛垂向下并與排沙洞相切，另一側(cè)壁面向下收縮與排沙洞相交，過流斷面逐漸減小。若渠底高含沙水流在重力作用下進(jìn)入起旋室，可利用渠道和排沙洞之間的有限落差，在排沙洞內(nèi)形成流速大于渠道內(nèi)水流流速的旋轉(zhuǎn)水流，有利于將推移質(zhì)泥沙轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙瀑|(zhì)，并排出排沙洞。為確定旋流排沙渠道的幾何尺寸，試驗(yàn)中令渠道寬度B為30 cm，并將其余各部分尺寸以與B相關(guān)的無量綱數(shù)表示。x/B為渠道順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度，(x/B)max=20.67，排沙洞在x/B=10.0～11.3之間；起旋室進(jìn)口寬度為0.33B，出口寬度為0.12B，高度h為0.50B，排沙洞直徑為0.23B；經(jīng)試算確定排沙洞軸線與渠道長(zhǎng)度方向呈60°夾角，渠道無坡度。

圖1 旋流排沙渠道體型示意圖Fig.1 Body schematic diagram of the desilting channel with swirling flow

1.2 試驗(yàn)布置

為研究旋流排沙渠道的流動(dòng)規(guī)律，搭建了如圖2所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由旋流排沙渠道模型、供水系統(tǒng)、尾水池等部分組成，其中：供水系統(tǒng)由蓄水水箱、水泵及供水管道組成；旋流排沙渠道模型由渠道、起旋室、排沙洞組成，如圖1所示。在渠道、起旋室、排沙洞內(nèi)布置了壓強(qiáng)、流速、水面線等測(cè)點(diǎn)，其中，排沙洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)的斷面（1～4）如圖3所示；并在渠道上游、排沙洞出口及尾水池內(nèi)設(shè)置加沙及泥沙回收裝置。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test layout

圖3 排沙洞內(nèi)量測(cè)斷面Fig.3 Measured sections in the sediment transport pipe

在供水管道及排沙洞回水管上各布置1個(gè)電磁流量計(jì)，用以測(cè)量渠道來流量和排沙耗水量；通過閥門控制上游渠道來流量，流量調(diào)節(jié)范圍為0～90 m3/h，對(duì)應(yīng)H/B（H為上游渠道內(nèi)水深）的范圍為0～0.27，渠道內(nèi)能夠形成不同的來流條件，滿足試驗(yàn)要求。渠道水面線和壁面壓強(qiáng)分別采用測(cè)針和測(cè)壓管測(cè)量；在渠道x/B=5.67～17.00間布置流速量測(cè)斷面，每個(gè)斷面上沿水深方向每隔1 cm采用旋槳式流速儀測(cè)量一次流速；在排沙洞中心布置流速測(cè)點(diǎn)，采用聲學(xué)多普勒流速儀（acoustic doppler velocimeter，ADV）量測(cè)3維流速；排沙洞1～4斷面近壁面水流旋流角采用絲線示蹤法測(cè)量；上述測(cè)量方式的精度均滿足試驗(yàn)要求。在渠道x/B=4.33斷面上設(shè)置勻速加沙裝置，為保證懸沙沉降相似，模型沙采用河道天然砂，粒徑范圍介于0.075～3.000 mm之間；試驗(yàn)時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選6種不同粒徑的泥沙試樣，用電子秤稱取每種粒徑的泥沙均各50 g，配制成中值粒徑d50=0.6 mm的試驗(yàn)沙；試驗(yàn)后對(duì)泥沙回收裝置中的泥沙烘干、篩分、稱重后進(jìn)行級(jí)配分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 邊界條件

為深入研究旋流排沙渠道內(nèi)水流的內(nèi)部流場(chǎng)特性，使用Fluent商業(yè)軟件進(jìn)行3維瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算。數(shù)值模擬的幾何建模按照模型試驗(yàn)體型進(jìn)行。上游渠道內(nèi)的水流進(jìn)口采用速度進(jìn)口，方向沿渠道長(zhǎng)度方向；水流上部為空氣，定義空氣進(jìn)口為壓力進(jìn)口，壓強(qiáng)設(shè)定為大氣壓，氣體的體積分?jǐn)?shù)為1；排沙洞出口和渠道下游出口均與大氣接觸，故均采用壓力出口，壓強(qiáng)設(shè)定為大氣壓。

2.2 計(jì)算設(shè)置

數(shù)值模擬中采用VOF法捕捉自由水面，計(jì)算自由界面的水體體積率函數(shù)方程。由于旋流流動(dòng)的壓力梯度較大，其沿壁面有大量的耗散，因此，計(jì)算壁面附近流速分布采用非平衡壁面函數(shù)法。Realizablek–ε紊流模型修正了不同方向上的渦黏性系數(shù)，考慮了旋流流動(dòng)情況及流線彎曲因素的影響，可以反映旋流紊流的各向異性，更適用于模擬旋流流動(dòng)，因此采用Realizablek–ε紊流模型[23]。使用離散相模型（discrete phase model，DPM）[24]添加泥沙粒子，泥沙級(jí)配和質(zhì)量與試驗(yàn)保持一致，根據(jù)粒徑和形狀將泥沙形狀系數(shù)取值介于0.3～1.0之間。采用有限體積法隱格式迭代求解，速度壓力耦合采用PISO算法，離散格式采用QUICK格式。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析及模型驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，將模型進(jìn)行分區(qū)，定義不同尺寸的網(wǎng)格，并對(duì)起旋室及排沙洞網(wǎng)格局部加密，共選擇了4種網(wǎng)格劃分方案。圖4為不同網(wǎng)格劃分方案下，上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)，渠道底部流速的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。綜合考慮計(jì)算精度與效率，采用總數(shù)為306萬的網(wǎng)格劃分方案，其中，排沙渠道最大網(wǎng)格尺寸為0.02 m，起旋室與排沙洞最大網(wǎng)格尺寸為0.004 m。在該網(wǎng)格密度下，兩種方法相應(yīng)位置處的水力參數(shù)吻合良好，截沙率的相對(duì)誤差小于4.9%，表明所采用的數(shù)學(xué)模型能夠客觀描述旋流排沙渠道的內(nèi)部流動(dòng)特性。

圖4 不同網(wǎng)格劃分方案下渠道底部流速的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between simulated and measured results of channel bottom velocity under different grid schemes

3 結(jié)果分析

3.1 流態(tài)

3.1.1 起旋室流態(tài)

試驗(yàn)表明，起旋室進(jìn)口流態(tài)大致可分為自由流、臨界流和淹沒流3種流態(tài)。隨著上游渠道來流量的增加，起旋室進(jìn)口流態(tài)演變過程如圖5所示。

圖5 起旋室進(jìn)口流態(tài)演變Fig.5 Evolution of the flow pattern at the inlet of the swirling flow generator

當(dāng)上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B＜0.12時(shí)，泥沙隨水流呈自由跌落狀全部進(jìn)入起旋室，而后從排沙洞流出，流態(tài)具有圖5（a）所示的自由流流態(tài)；由于流量較小，排沙洞內(nèi)難以形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)水流，水流以跌落和折沖形態(tài)運(yùn)動(dòng)，泥沙運(yùn)動(dòng)無明顯規(guī)律。當(dāng)上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B為0.12～0.14時(shí)，泥沙隨水流通過起旋室全部進(jìn)入排沙洞，渠道下部無水流流動(dòng)，但起旋室進(jìn)口被水流完全淹沒，水位呈波動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)具有圖5（b）所示的臨界流流態(tài)，排沙洞內(nèi)可形成一定的旋轉(zhuǎn)水流，但旋轉(zhuǎn)水流波動(dòng)較大，且靠近起旋室封閉端出現(xiàn)泥沙淤積。當(dāng)上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B>0.14后，渠道后部開始過流，起旋室進(jìn)口被完全淹沒，流動(dòng)具有圖5（c）所示的淹沒流流態(tài)，因泥沙密度遠(yuǎn)大于水的密度，大部分泥沙在重力作用下沿起旋室斜面滑入排沙洞，小部分泥沙隨水流進(jìn)入下游渠道。

3.1.2 排沙洞流態(tài)

在淹沒流流態(tài)下，渠道水流以一定的壓力和初始速度沿切線方向進(jìn)入排沙洞，受封閉端頭的約束影響被迫轉(zhuǎn)向，并在軸向壓強(qiáng)差的作用下沿排沙洞長(zhǎng)度方向流動(dòng)，切向流動(dòng)和軸向流動(dòng)合成方向與排沙洞軸線呈一定夾角的旋轉(zhuǎn)水流，該夾角即為旋流角，其與軸向流速和切向流速之間滿足式（1）：

式中，α為旋流角，υθ為切向流速，υz為軸向流速。

圖6為上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)排沙洞內(nèi)的旋流角。

圖6 旋流角Fig.6 Swirl angle

從圖6可以看出，排沙洞內(nèi)水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非常明顯，旋流角介于25°～135°之間，且沿程呈減小趨勢(shì)，即越靠近排沙洞出口，旋流角越小，表明水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越明顯。排沙洞內(nèi)水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有利于將水流中的推移質(zhì)泥沙轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙瀑|(zhì)，可以減免泥沙在排沙洞內(nèi)的淤積。

3.1.3 引水渠道流態(tài)

圖7為兩種淹沒流條件下的渠道內(nèi)流態(tài)。由圖7（a）可知：渠道內(nèi)水面線的試驗(yàn)量測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好；當(dāng)起旋室呈淹沒流流態(tài)后，上游渠道內(nèi)的水流一部分流向下游渠道，一部分進(jìn)入排沙洞，受排沙洞分流的影響，排沙洞上部渠道內(nèi)水面線有所波動(dòng)，并產(chǎn)生從緩流向急流過渡的局部水力現(xiàn)象。對(duì)比圖7（a）和（b）可知，這一局部水力現(xiàn)象隨著上游渠道來流量的增加逐漸減緩，經(jīng)過一定的距離后，下游渠道內(nèi)流態(tài)趨于穩(wěn)定?？傮w而言，設(shè)置排沙洞對(duì)引水渠道內(nèi)的流態(tài)影響較小，渠道內(nèi)無明顯波狀水躍和折沖水流等不利流態(tài)的發(fā)生。

圖7 渠道水面線Fig.7 Water surface line in the channel

3.2 分流比

上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。

圖8 泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Trajectory of sediment

由圖8可以看出，泥沙因密度大往往位于渠道底部，在重力和水流的雙重作用下大部分隨水流進(jìn)入排沙洞，并在旋轉(zhuǎn)水流的“懸浮卷揚(yáng)”作用下呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此旋流排沙渠道可有效實(shí)現(xiàn)高含沙水流與主流的分離。

但由于排沙需要消耗一定的流量，因此排沙耗水量成為衡量旋流排沙渠道性能的重要指標(biāo)，現(xiàn)定義排沙耗水量與渠道上游來流量之比為分流比，用W表示，即：

式中，W為分流比，Q′為排沙耗水量，Q為渠道上游來流量。

圖9為排沙耗水量Q′、分流比W及渠道相對(duì)水深H/B之間的關(guān)系曲線。在H/B≤0.14時(shí)，起旋室內(nèi)流態(tài)呈自由流和臨界流流態(tài)，上游渠道來流全部進(jìn)入排沙洞，因此排沙洞的分流比為100%，此時(shí)排沙耗水量由上游渠道水深控制，并隨上游渠道水深的增加呈線性規(guī)律增加。當(dāng)H/B>0.14后起旋室呈淹沒流流態(tài)，排沙耗水量由起旋室收縮斷面控制，排沙耗水量與渠道水深仍然是線性關(guān)系，但隨著上游渠道內(nèi)相對(duì)水深的增加，排沙耗水量增加趨勢(shì)減緩，因此Q′與H/B關(guān)系曲線上出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。在該流態(tài)下，W隨H/B的增加呈現(xiàn)先急劇減小、而后緩慢減小的分段式變化規(guī)律，在H/B=0.97時(shí)，該體型下旋流排沙渠道的分流比僅為6.07%；若上游渠道水深繼續(xù)增加，則分流比進(jìn)一步減小。研究表明，旋流排沙渠道的分流比與排沙渦管[25]、排沙漏斗[26]等旋流排沙設(shè)施的分流比相近；因此，從分流比角度而言，旋流排沙渠道是一種水資源高效利用的水沙分離技術(shù)。

圖9 W和Q'隨著H/B變化的分布規(guī)律Fig.9 Distribution of W and Q' with H/B

3.3 壓強(qiáng)與流速

上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)，圖3所示斷面上的壓強(qiáng)和流速分布如圖10所示。分析斷面壓強(qiáng)分布規(guī)律可知，壁面壓強(qiáng)沿流動(dòng)方向總體呈減小的趨勢(shì)，且各斷面均在旋流中心處形成低壓區(qū)，越靠近排沙洞出口，水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越明顯，低壓區(qū)面積越大，并在斷面4的旋流中心出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓極值為–800 Pa。由流速分布規(guī)律可知，除靠近壁面的邊界層區(qū)域外，各斷面相應(yīng)位置處的流速沿程逐漸增加，且在旋轉(zhuǎn)水流的沿程發(fā)展中，斷面4流速激增，該斷面最大流速達(dá)2.12 m/s，較該工況下上游渠道內(nèi)平均流速0.77 m/s增加了175%。

圖10 壓強(qiáng)和流速分布Fig.10 Pressure and flow velocity distribution

由圖10（b）數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：盡管排沙洞中心位置屬于各斷面的低速區(qū)，但量測(cè)結(jié)果表明，其流速較渠道來流速度仍有所增加。例如：在H/B=0.26時(shí)，排沙洞斷面3中心合速度的時(shí)均值達(dá)1.26 m/s，較該工況下渠道內(nèi)斷面平均流速0.92 m/s增大37%，且形成具有較大速度脈動(dòng)的3維流動(dòng)，對(duì)應(yīng)的軸向流速、切向流速及徑向流速時(shí)均值分別為0.69、0.48及0.90 m/s。

綜上所述，排沙洞內(nèi)存在高壓區(qū)低流速、低壓區(qū)高流速的現(xiàn)象，表明旋流排沙渠道能夠利用渠道和排沙洞之間的有限落差，實(shí)現(xiàn)水流壓強(qiáng)–流速的轉(zhuǎn)化，并顯著增大排沙洞內(nèi)的流速，具有速度脈動(dòng)的3維流動(dòng)，更有利于泥沙的懸浮卷揚(yáng)。

3.4 泥沙特性

試驗(yàn)選擇粒徑范圍為0.075～3.000 mm的模型沙進(jìn)行試驗(yàn)，上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)對(duì)應(yīng)的泥沙特性見表1，表1中，來沙為通過加沙裝置進(jìn)入上游渠道內(nèi)的泥沙，排沙為排沙洞排出的泥沙，余沙為渠道下游的泥沙。將模型沙加入水流中后，旋流排沙渠道內(nèi)存在明顯的泥沙分選現(xiàn)象。粒徑大于2.360 mm的粗顆粒泥沙首先沉積在渠底，并隨水流全部進(jìn)入排沙洞，旋流排沙渠道對(duì)該粒徑范圍泥沙的截沙率達(dá)100%；粒徑為0.160～2.360 mm較細(xì)顆粒的泥沙在渠道內(nèi)逐漸沉積，隨后大部分進(jìn)入排沙洞，旋流排沙渠道對(duì)該粒徑范圍泥沙的截沙率超過93%；粒徑為0.075～0.160 mm極細(xì)顆粒的泥沙不受水流挾沙力的限制，部分隨水流流向下游渠道，旋流排沙渠道對(duì)該粒徑范圍泥沙的截沙率為71.2%，且該粒徑范圍的泥沙占余沙總質(zhì)量的76.6%。旋流排沙渠道對(duì)試驗(yàn)樣沙的總體截沙率為93.7%，表明旋流排沙渠道排沙效果良好，可達(dá)到引清沉沙的目的。

表1 旋流排沙渠道的泥沙特性Tab.1 Sediment characteristics of the channel

此外，試驗(yàn)和數(shù)值模擬均觀測(cè)到在靠近起旋室封閉端的排沙洞內(nèi)存在一定的泥沙淤積現(xiàn)象（圖11），其淤積特性見表2。結(jié)合排沙洞內(nèi)流態(tài)（圖5）、壓強(qiáng)和流速分布規(guī)律（圖10）不難看出，靠近起旋室封閉端排沙洞內(nèi)水流的流動(dòng)較為紊亂，且水流流速較小，難以形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)水流，從而造成了該區(qū)域的泥沙淤積；由顆粒級(jí)配分析結(jié)果可知，淤積的泥沙以1.250～3.000 mm的大粒徑泥沙為主；隨著上游渠道內(nèi)相對(duì)水深的增加，排沙洞內(nèi)水流的流速不斷增大，該位置的泥沙淤積量逐漸減小，其中，上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.27較H/B=0.17時(shí)的泥沙淤積量減小85.3%。排沙洞內(nèi)若產(chǎn)生大量的泥沙淤積會(huì)影響旋轉(zhuǎn)水流的產(chǎn)生及發(fā)展，因此旋流排沙渠道的體型尚需進(jìn)一步優(yōu)化，以改善起旋室封閉端的水力條件，減小或消除該區(qū)域的泥沙淤積。

圖11 排沙洞局部區(qū)域的泥沙淤積Fig.11 Sediment deposition at local location in the pipe

表2 排沙洞內(nèi)泥沙淤積特性Tab.2 Sediment deposition characteristics in the pipe

4 討 論

1）在起旋室進(jìn)口為淹沒流流態(tài)時(shí)，排沙洞內(nèi)形成了流態(tài)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)水流，越靠近排沙洞出口，水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更為明顯，這一水流特征有利于將水流中的推移質(zhì)泥沙轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙瀑|(zhì)，可避免泥沙在排沙洞內(nèi)的大量淤積。同時(shí)，除在小流量工況下排沙洞上部渠道內(nèi)存在由緩流向急流過渡的局部水力現(xiàn)象外，渠道其他位置的流態(tài)穩(wěn)定，旋流排沙渠道對(duì)進(jìn)入下游渠道內(nèi)水流流態(tài)的影響很小。

2）渠道內(nèi)的泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡表明，旋流排沙渠道能夠?qū)崿F(xiàn)渠底高含沙水流與主流的分離。當(dāng)上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.97時(shí)，試驗(yàn)體型下，旋流排沙渠道的分流比僅為6.07%；當(dāng)H/B=0.21時(shí)，其對(duì)粒徑范圍為0.075～3.000 mm泥沙的截沙率達(dá)93.7%。這些關(guān)鍵指標(biāo)與同類旋流排沙技術(shù)相近，甚至優(yōu)于部分旋流排沙技術(shù)，因此，旋流排沙渠道是一種基于水資源高效利用且排沙性能良好的渠道排沙技術(shù)，且實(shí)現(xiàn)了泥沙的連續(xù)分選。

3）排沙洞內(nèi)能產(chǎn)生比渠道流速更高的旋轉(zhuǎn)水流，這一水流特征的形成與旋流排沙渠道的獨(dú)特結(jié)構(gòu)有關(guān)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了水流“壓強(qiáng)–流速”間的能量轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生了具有較大速度脈動(dòng)的3維流動(dòng)，更有利于泥沙在排沙洞內(nèi)的懸浮卷揚(yáng)。

4）旋流排沙渠道是一種水沙分離新技術(shù)，尚無可借鑒的資料，本文的試驗(yàn)體型是基于大量數(shù)值模擬的試算確定的，其水力設(shè)計(jì)方法有待于進(jìn)一步研究；同時(shí)，在靠近起旋室封閉端的排沙洞內(nèi)出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，表明體型尚需進(jìn)一步優(yōu)化，以減免該區(qū)域的泥沙淤積。

5 結(jié) 論

介紹了一種渠道排沙新技術(shù)——旋流排沙渠道，為解決渠道內(nèi)水沙分離問題提供了新思路。通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)其流態(tài)、分流比、壓強(qiáng)、流速、排沙特性進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）隨著渠道來流量的增加，起旋室依次呈現(xiàn)自由流、臨界流、淹沒流的流態(tài)。在淹沒流流態(tài)下，渠道內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定，排沙洞內(nèi)形成了穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)水流，旋流角介于25°～135°之間，沿程呈減小趨勢(shì)。

2）旋流排沙渠道的分流比隨渠道水深的增加呈現(xiàn)先急劇減小，而后緩慢減小的分段式變化規(guī)律；上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.97時(shí)，分流比為6.07%，且進(jìn)入排沙洞內(nèi)的水流以渠道底部高含沙水流為主。

3）排沙洞內(nèi)基本呈現(xiàn)壓強(qiáng)沿程降低、流速沿程增加的趨勢(shì)；上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)，渠道內(nèi)水流的平均流速為0.77 m/s，排沙洞內(nèi)最大流速達(dá)2.12 m/s，并產(chǎn)生了具有較大速度脈動(dòng)的3維流動(dòng)，有利于泥沙在排沙洞內(nèi)的懸浮卷揚(yáng)。

4）上游渠道內(nèi)相對(duì)水深H/B=0.21時(shí)，旋流排沙渠道對(duì)粒徑為0.075～3.000 mm泥沙的截沙率為93.7%，對(duì)粒徑為0.160～2.360 mm泥沙的截沙率超過93%，進(jìn)入下游渠道的泥沙僅為粒徑小于0.315 mm的極細(xì)顆粒，可達(dá)到引清沉沙的目的。