斜板浅层内液流运动特征研究

　　1　试验条件和方法

　　1·1　主要试验设备

　　自制的斜板单元设备包含两块斜置的平板和板间层、给料与排料设施以及观测窗口和测试取样口等,其动态连续试验装置如图1所示。主要技术参数为:板长2.0 m,板宽0·3 m,斜置倾角50°,板间距55 mm,水平投影总沉降面积0·37 m2,位于给料口上端的澄清面积0.3 m2。

　　1·2　试验方法

　　用清水作介质,采用液体示踪法(红墨水、高锰酸钾、颜料等)和固体粒子示踪法。设定并保持某一流量,在给入的清水流中加入示踪液体和固体粒子,观察记录颜色的分布与扩散,以及固粒迁移运动轨迹。通过对照比较及必要的重复,查明不同给定流量下板间流态变化、给水区涡流尺度、沿板宽和板长的流速分布及流体运动规律。试验中发现,液体示踪法由于扩散速度快而不便连续观察,较大的固粒迅速沉底或飘浮,细小的固粒则无法追踪,都难以满足试验要求。现有的几种流速测定仪,经多方调查研究,或因待测的液流断面太小,或流速过低,结果都不适用。经过大量的探索和试验,最后选择了在板间液层内悬丝线的办法显示流态的概貌,用密度略大于水的固粒进行量化测试。选用了便于观察的ABS粒子作为流态示踪固粒,密度1·05 g/cm3,平均粒径约0.1 mm。假定粒子的自由沉降末速相对于板间上升流速可忽略(给定流量5 l/min,上升流速为沉降末速的40倍),则粒子的运动轨迹代表流体质点运动轨迹,通过实测可得不同流量下板间流态分布及不同板长横截面的定量流速分布规律。

　　2　试验结果和分析

　　2·1　板间流态及过渡区长度

　　在不同流量下对板间流态进行观察及测试结果见表1。跟踪记录固粒从给料口到溢流口的运行,得到不同流量下粒子在板间的几组运动轨迹曲线,分别见图2、3。分析表1和图2、3表明,随着流量增大,雷诺数Re也增大,板间流态由层流逐步过渡到紊流。水力学上通常以Re≤500作为层流条件判据,由于斜板间的沉降高度很小,水力半径R也就很小,因此在较高的上升水速下,仍能保证较低的雷诺数,有利于创造层流条件。从粒子的运动轨迹观察和图中看出,当Re≈130时,给料口有局部涡流,但经过过渡区后粒子上部运动迹线平稳,扰动度不大,属层流。因此,可将Re≤130作为斜板浅层沉降流态判据,校核选定的斜板结构尺寸和板间流速。

　　为使水流由斜板进口端的紊流过渡到层流,朗勒尔(Langleir)介绍了过渡长度计算公式:

　　式中,l′为过渡区长度,v0为上升流速,γ为介质的运动粘滞度。

　　试验实测的过渡区长度和利用式(1)计算所得的长度值以及对计算公式(1)系数的修正值列于表2。式(1)是由斜管进水的稳定流试验中所得,考虑了进水端内上升水和沉泥上下交替的过程。由于斜管的水力半径很小,通常计算的斜管过渡区长度约在20 cm左右。对于斜板沉降,由试验观察,涡流区尺度大小随Re数增加而增加,但式(1)计算结果远比实测值大,不符实际。根据试验观测结果,对式(1)进行修正,得出斜板层内过渡区长度计算公式