粒子在旋转锥形容器内运动的数值仿真研究

论文摘要

改善沉积在港湾、湖泊、江河等水底堆积的污泥是改良生态环境的一个重要课题。由于大气和水体环境的污染,使河床上产生了大量的垃圾沉淀物。这些不能够通过自然分解的垃圾在长时间堆积后,必然对运输和河道的寿命产生不利的影响。使用传统的机械装置和方法清除淤泥的时候,在清除的淤泥中包含95%以上的水分,清淤的效率低,成本高,且破坏了原生态环境。为了在清除河床上淤泥的时候能够同时将淤泥和水分分离,并达到将水资源回流到河中的最佳效果,从而尽可能的保持原生态环境,我们提出用一种固液分离装置来达到这一最佳的分离效果。在本研究中提出一种旋转式锥形固液分离机,以达到能够收集到100um以下的细小颗粒并且符合经济实用的设计理念。本课题中将以优化和改善分离器的设计,从而达到高效的收集细小粒子为主要目的。本研究作为关于固液及固气两相流中固体颗粒运动的基础研究,以回转锥形分离机为模型,水为分离介质,对不同尺寸的玻璃粒子在容器内的回转流场中的运动建立了动力学模型,并进行了两相流在容器内实施连续流动过程中粒子运动全过程的数值解析。动力学模型中除考虑了传统的受力以外,还考虑了假想质量力、Basset力、Saffman扬力以及压力梯度力等多种力的作用。在计算过程中还考虑了锥形容器的角度、流体垂直流速以及不同的粒子直径等相关参数。并最终发现了容器高度、锥形容器角度、垂直水流速度、容器旋转速度以及粒子直径与粒子分离的时间之间的相互关系。通过可视化的实验方法最终验证了计算的结果,从而证明了数学模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 研究背景
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 研究现状及发展动态
• 1.4.1 固液分离用设备介绍
• 1.4.2 国内外污水处理设备发展现状
• 1.4.3 发展动态
• 1.4.4 发展前景
• 1.5 旋转式固液分离机的发展概况
• 1.5.1 圆柱型固液分离器的动力学模型及可视化实验
• 1.5.2 圆柱型固液分离器的应用
• 1.5.3 圆锥形固液分离装置
• 1.6 研究内容及方法
• 1.6.1 理论依据
• 1.6.2 旋转式锥形固液分离机的基本原理
• 1.6.3 研究方法
• 1.6.4 本文主要工作
• 第2章 粒子运动的数值仿真方法
• 2.1 在回转锥形容器中单一粒子所受的作用力
• 2.2 回转锥形容器中单一粒子的运动方程式
• 2.3 其他计算问题
• 2.4 Runge-Kutta积分方法
• 第3章 旋转容器中投入粒子的运动仿真
• 3.1 模拟仿真程序与图像绘制方法
• 3.1.1 多粒子在旋转锥形容器中运动的程序设计
• 3.1.2 单粒子在旋转型锥形容器中运动仿真的程序设计
• 3.1.3 仿真数据的图像绘制程序
• 3.2 数值解析结果与分析
• 3.2.1 不同半径的粒子在锥形容器中的相对运动轨迹
• 3.2.2 初始流体速度对粒子运动的影响
• 3.2.3 粒子的垂直触壁长度与初始水流速度关系
• 3.2.4 触壁时间与容器旋转速度之间的关系
• 3.2.5 流速与粒子运动轨迹的关系
• 3.2.6 触壁垂直长度与粒子密度之间的关系
• 3.2.7 粒子直径对粒子触壁轨迹的影响
• 3.2.8 粒子触壁以后运动的研究
• 第4章 实验数据与仿真结果的比较
• 4.1 实验数据与计算数据之间的比较
• 4.2 比较结果分析与结论
• 4.2.1 比较结果分析
• 4.2.2 结论
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文