大渦模擬在處理水電工程砂石廢水的旋流沉砂池中的研究.pdf

1、水電工程，特別是大型水電站，在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高濁度砂石廢水，如不加處理直接排入水體，勢(shì)必造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，水電工程砂石系統(tǒng)生產(chǎn)廢水的達(dá)標(biāo)處理具有重要的環(huán)保意義。
　　 本文建立了耦合VOF(Volume of Fluid)法的Eulerian-Lagrangian高濃度氣-液-固多相流大渦模擬數(shù)學(xué)模型，探討了旋流沉砂池內(nèi)部流體的流動(dòng)特性、顆粒的微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行了旋流沉砂池結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化模擬，取得了如下主要

2、成果：
　　 (1)建立了耦合VOF法的Eulerian-Lagrangian高濃度氣-液-固多相流大渦模擬數(shù)學(xué)模型。針對(duì)水電工程高濃度砂石廢水處理中的旋流沉砂池具有氣-液-固多相流復(fù)雜流態(tài)特點(diǎn)，采用分子動(dòng)理學(xué)方法，從顆粒間相互作用的微觀特性角度出發(fā)，推導(dǎo)了合理描述高濃度下顆粒間碰撞項(xiàng)的耦合VOF法的Eulerian-Lagrangian氣-液-固多相流大渦模型，揭示了旋流沉砂池內(nèi)湍流場(chǎng)瞬時(shí)變化的精細(xì)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋流沉砂池的

3、自由液面以及砂石顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤。
　　 (2)探討了耦合VOF法的Eulerian-Lagrangian大渦模擬數(shù)學(xué)模型的求解方法、網(wǎng)格劃分和邊界條件確定。基于多塊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)及滑移網(wǎng)格技術(shù)，建立了六面體單元網(wǎng)格模型。選用盒式過(guò)濾器過(guò)濾小尺度脈動(dòng)，亞格子雷諾應(yīng)力的封閉方程采用Smargorinsky渦粘模型。運(yùn)用有限體積法QUICK格式進(jìn)行離散，并采用PISO算法進(jìn)行了數(shù)值求解。通過(guò)擴(kuò)大進(jìn)口計(jì)算域以及增加出口嵌邊區(qū)的方法得到

4、了合理經(jīng)濟(jì)的進(jìn)、出口邊界條件。
　　 (3)分析了旋流沉砂池內(nèi)VOF和流場(chǎng)分布，探討了砂石顆粒的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合一、二級(jí)旋流沉砂池實(shí)驗(yàn)得到的最佳工況，首先分析了旋流沉砂池內(nèi)復(fù)雜的自由液面及液面的波動(dòng)情況；其次討論了旋流沉砂池內(nèi)液相大渦結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的發(fā)展、合并和破碎的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及渦量場(chǎng)的變化；再者探討了不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況。在一級(jí)旋流沉砂池中，隨著顆粒粒徑減小，其受大渦控制的程度越大，越不易被去除。在二級(jí)旋流沉砂池中，粒徑<10