渾水水力分離清水裝置水沙分離的數(shù)值分析及試驗(yàn)研究.pdf

1、我國(guó)華北、西北和新疆一帶的眾多河流都具有高渾濁水的特點(diǎn)，且泥沙粒徑極細(xì)，小于0.03 mm粒徑的泥沙占含沙總量的40％以上，處理起來(lái)十分困難。本課題研究的《渾水水力分離清水裝置》可以從高含沙濃度的渾水中將水沙(包括0.01mm以下的極細(xì)沙和粘粒)分離，并獲取清水。與化學(xué)處理過(guò)程不同的是，該“裝置”在獲取清水的過(guò)程中，不需添加任何化學(xué)藥劑，也不需任何其它動(dòng)力、僅靠水流的自身能量就可將水沙分離，因此被稱(chēng)為“綠色環(huán)保裝置”。該成果可用于自來(lái)水

2、廠(chǎng)對(duì)渾水進(jìn)行預(yù)處理及灌區(qū)水源中的泥沙分離，對(duì)環(huán)境保護(hù)及加速?lài)?、滴灌等先進(jìn)節(jié)水技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。為了探求裝置的動(dòng)態(tài)水力分離水沙機(jī)理，進(jìn)一步優(yōu)化“裝置”結(jié)構(gòu)形式，為“裝置”的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)，本文利用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬三種方法研究“裝置”內(nèi)部弱旋湍流場(chǎng)分布規(guī)律、水沙兩相流的分離機(jī)理以及“裝置”相似?；瘑?wèn)題。 試驗(yàn)研究包括水相流場(chǎng)的測(cè)試、水沙分離性能影響因素研究、渾液面的形成對(duì)分離性能的影響以及泥沙濃度分布測(cè)試

3、。即應(yīng)用先進(jìn)的粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)測(cè)量不同工況下“裝置”內(nèi)的水相流場(chǎng)，揭示了“裝置”內(nèi)的流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；運(yùn)用均勻正交試驗(yàn)和單因素同比試驗(yàn)并結(jié)合投影尋蹤回歸分析法，揭示了“裝置”水沙分離的影響因素；觀(guān)測(cè)不同工況下泥沙的絮凝情況，測(cè)試不同時(shí)間不同工況對(duì)應(yīng)的溢流濃度，揭示了“裝置”內(nèi)泥沙動(dòng)水絮凝或高濃度下渾液面的形成對(duì)“裝置”水沙分離效率的影響規(guī)律；在“裝置”不同位置布置測(cè)沙垂線(xiàn)，測(cè)試不同工況各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度值，以此驗(yàn)證渾水流場(chǎng)的數(shù)值模

4、擬結(jié)果的可靠性。 數(shù)值模擬研究主要包括水相場(chǎng)的湍流模擬和水沙多相流場(chǎng)的模擬。采用了不同的湍流模型RNGk-ε模型和RSM模型封閉時(shí)均流動(dòng)的N-S方程，分別在不同的網(wǎng)格劃分方案下對(duì)水相場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了水相場(chǎng)的三維速度分布及雷諾應(yīng)力分布規(guī)律，并將計(jì)算結(jié)果與PIV實(shí)測(cè)值對(duì)比。結(jié)果表明RSM模型和RNGk-ε模型水相場(chǎng)的數(shù)模結(jié)果與PIV實(shí)測(cè)結(jié)果吻合均較好，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算消耗時(shí)，可以采用RNGk-ε模型計(jì)算“裝置”內(nèi)的弱

5、旋湍流場(chǎng)，而不需采用計(jì)算成本較高、耗時(shí)較長(zhǎng)的RSM模型。對(duì)于水沙多相流動(dòng)的數(shù)值模擬，在比較了兩相流理論中顆粒運(yùn)動(dòng)的描述方法Euler-Euler法和Euler-Lagrangian以及不同方法對(duì)應(yīng)的不同的多相流數(shù)學(xué)模型后，最終選用Euler-Euler方法中的混合物(Mixture)模型在不同進(jìn)流量下針對(duì)不同泥沙濃度、較寬的粒徑分布的非均勻沙和單一粒徑的均勻沙多相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。揭示了不同工況下渾水流場(chǎng)的三維速度、動(dòng)水壓強(qiáng)、紊動(dòng)強(qiáng)

6、度、泥沙濃度分布以及不同粒徑泥沙在“裝置”內(nèi)的分布規(guī)律。論文對(duì)不同工況下“裝置”內(nèi)泥沙濃度分布的數(shù)模結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明渾水流場(chǎng)濃度分布規(guī)律的數(shù)模結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致，證明本文采用的水沙多相流Mixture模型可以較準(zhǔn)確地計(jì)算“裝置”內(nèi)的水沙兩相流場(chǎng)，所得結(jié)論較為可靠。 結(jié)合試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究結(jié)果，從不同粒徑泥沙在”裝置”內(nèi)的分布規(guī)律及其所受分離作用力、“裝置”內(nèi)的流場(chǎng)特性、“裝置”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等角度探明了“裝