浑水水力分离清水装置水沙分离的数值分析及试验研究

论文摘要

我国华北、西北和新疆一带的众多河流都具有高浑浊水的特点,且泥沙粒径极细,小于0.03 mm粒径的泥沙占含沙总量的40%以上,处理起来十分困难。本课题研究的《浑水水力分离清水装置》可以从高含沙浓度的浑水中将水沙（包括0.01mm以下的极细沙和粘粒）分离,并获取清水。与化学处理过程不同的是,该“装置”在获取清水的过程中,不需添加任何化学药剂,也不需任何其它动力、仅靠水流的自身能量就可将水沙分离,因此被称为“绿色环保装置”。该成果可用于自来水厂对浑水进行预处理及灌区水源中的泥沙分离,对环境保护及加速喷、滴灌等先进节水技术的推广应用产生重要影响。为了探求装置的动态水力分离水沙机理,进一步优化“装置”结构形式,为“装置”的推广应用提供理论依据,本文利用试验研究、理论分析和数值模拟三种方法研究“装置”内部弱旋湍流场分布规律、水沙两相流的分离机理以及“装置”相似模化问题。试验研究包括水相流场的测试、水沙分离性能影响因素研究、浑液面的形成对分离性能的影响以及泥沙浓度分布测试。即应用先进的粒子图像测速技术（PIV）测量不同工况下“装置”内的水相流场,揭示了“装置”内的流场的运动规律;运用均匀正交试验和单因素同比试验并结合投影寻踪回归分析法,揭示了“装置”水沙分离的影响因素;观测不同工况下泥沙的絮凝情况,测试不同时间不同工况对应的溢流浓度,揭示了“装置”内泥沙动水絮凝或高浓度下浑液面的形成对“装置”水沙分离效率的影响规律;在“装置”不同位置布置测沙垂线,测试不同工况各测点对应的浓度值,以此验证浑水流场的数值模拟结果的可靠性。数值模拟研究主要包括水相场的湍流模拟和水沙多相流场的模拟。采用了不同的湍流模型RNG k-ε模型和RSM模型封闭时均流动的N-S方程,分别在不同的网格划分方案下对水相场进行数值模拟,详细分析了水相场的三维速度分布及雷诺应力分布规律,并将计算结果与PIV实测值对比。结果表明RSM模型和RNG k-ε模型水相场的数模结果与PIV实测结果吻合均较好,综合考虑计算精度和计算消耗时,可以采用RNG k-ε模型计算“装置”内的弱旋湍流场,而不需采用计算成本较高、耗时较长的RSM模型。对于水沙多相流动的数值模拟,在比较了两相流理论中颗粒运动的描述方法Euler-Euler法和Euler-Lagrangian以及不同方法对应的不同的多相流数学模型后,最终选用Euler-Euler方法中的混合物（Mixture）模型在不同进流量下针对不同泥沙浓度、较宽的粒径分布的非均匀沙和单一粒径的均匀沙多相流场进行数值模拟研究。揭示了不同工况下浑水流场的三维速度、动水压强、紊动强度、泥沙浓度分布以及不同粒径泥沙在“装置”内的分布规律。论文对不同工况下“装置”内泥沙浓度分布的数模结果和试验结果进行了对比,结果表明浑水流场浓度分布规律的数模结果与实测结果较为一致,证明本文采用的水沙多相流Mixture模型可以较准确地计算“装置”内的水沙两相流场,所得结论较为可靠。结合试验研究和数值模拟研究结果,从不同粒径泥沙在”装置”内的分布规律及其所受分离作用力、“装置”内的流场特性、“装置”的结构特点等角度探明了“装置”动态分离水沙的机理,为“装置”的结构和运行工况的优化提供理论指导。最后,在“装置”内的旋转流动中,考虑颗粒在流体中各种受力,包括运动阻力、重力、附加质量力、压强梯度力、Basset力、升力等,忽略低浓度时颗粒间的相互作用,建立了泥沙的运动微分方程。为将模型试验结论推广应用于原型“装置”中,结合水沙两相的运动方程,并根据相似理论中的量纲分析法和方程分析法,推导“装置”相似模化的准则,用以指导“装置”的设计与运行性能预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高含沙浓度水沙分离技术研究现状
• 1.1.1 应用于农业节水灌溉工程的水沙分离技术
• 1.1.2 应用于给水工程中的水沙分离技术
• 1.2 新型高含沙浓度水沙分离装置——《动态浑水水力分离清水装置》
• 1.3 本课题的提出及研究意义
• 1.4 旋流场测试技术的研究现状
• 1.5 单相（水相）旋流场的数值模拟研究现状
• 1.6 研究挟沙水流的两种模式
• 1.7 两相流中颗粒运动的描述方法
• 1.7.1 Lagrangian 描述方法
• 1.7.2 Eulerian-Lagrangian 描述方法
• 1.7.3 Eulerian 描述方法
• 1.8 基于两相流概念的固液两相流场数值模拟研究
• 1.9 本论文的研究目的与主要内容
• 1.9.1 试验研究目的与主要内容
• 1.9.2 数值模拟及理论分析主要内容
• 第二章 《浑水水力分离清水装置》内水相流场可视化试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 PIV 测试系统
• 2.2.1 测试系统介绍
• 2.2.2 PIV 测速原理
• 2.2.3 互相关法图像处理
• 2.3 流场测试系统
• 2.4 测量结果与分析
• 2.4.1 水平测试面结果与分析
• 2.4.2 垂直测试面结果与分析
• 2.4.3 切向速度分布及其分析
• 2.4.4 轴向速度分布及其分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 《浑水水力分离清水装置》内单相（水相）流场特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本方程
• 3.3 湍流模型
• 3.3.1 湍流模型的发展
• 3.3.2 RNG k-ε模型与标准k-ε模型
• 3.3.3 雷诺应力方程模型（RSM 模型）
• 3.4 流场计算的数值方法的比较与选择
• 3.5 边界条件
• 3.5.1 计算模拟区域及网格划分
• 3.5.2 边界条件
• 3.6 数值模拟结果及分析
• 3.6.1 网格数量对计算结果的影响
• 3.6.2 不同湍流模型的计算结果与实测结果的对比分析
• 3.6.3 雷诺应力初步分析
• 3.7 “装置”内清水流场特性
• 3.7.1 轴向速度分布
• 3.7.2 径向速度分布
• 3.7.3 切向速度分布
• 3.8 本章小结
• 第四章 《浑水水力分离清水装置》内水沙两相流场数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 两相流的计算方法
• 4.3 两相流模型的选择原则
• 4.4 混合物（MIXTURE）模型
• 4.5 相间作用
• 4.5.1 水相和泥沙相的作用
• 4.5.2 泥沙和泥沙相的作用
• 4.6 计算工况设计及边界条件
• 4.7 不同进流浓度下水沙多相流场计算结果
• 4.7.1 均匀沙与非均匀沙两相流场的切向、径向及轴向速度对比
• 4.7.2 不同工况下紊动强度对比
• 4.7.3 浑水流场三维速度模拟结果及分析
• 4.7.4 不同进流浓度清、浑水流场水平面流速矢量分布
• 4.7.5 “装置”内泥沙浓度分布规律
• 4.8 不同进流量下水沙两相流的计算结果
• 4.8.1 不同进流量下切向和轴向速度结果
• 4.8.2 不同进流量下平面合速度对比
• 4.8.3 不同进流量下”装置”不同区域紊动强度结果分析
• 4.8.4 不同粒径的泥沙在“装置”内的分布规律
• 4.9 “装置”内动水压强分布
• 第五章 《浑水水力分离清水装置》水沙分离机理试验研究
• 5.1 试验装置与试验方法
• 5.1.1 试验系统装置
• 5.1.2 试验测量方法
• 5.2 《浑水水力分离清水装置》水沙分离影响因素试验研究
• 5.2.1 试验目的及方案
• 5.2.2 试验结果及分析
• 5.2.3 小结
• 5.3 “装置”水沙两相流场数值模拟验证
• 5.3.1 固相颗粒浓度测量方法
• 5.3.2 试验方案
• 5.3.3 验证结果及分析
• 5.4 “装置”内浑液面形成与分离性能试验研究
• 5.4.1 试验目的与试验方案
• 5.4.2 试验结果及分析
• 5.4.3 结论
• 5.5 “装置”内水沙分离机理
• 5.5.1 影响不同粒径泥沙分离的作用力不同
• 5.5.2 “装置”内的流场特性有利于水沙分离
• 5.5.3 “装置”结构特点有利于水沙分离
• 第六章 《浑水水力分离清水装置》的相似模化
• 6.1 引言
• 6.2 相似理论
• 6.3 相似模化方法
• 6.4 “装置”内水沙两相流动的相似与模化
• 6.4.1 “装置”内水沙两相流动的数学模型
• 6.4.2 “装置”相似准则的推导
• 6.4.3 单值条件
• 6.5 分析与讨论
• 6.6 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 试验研究方面
• 7.1.2 数值分析方面
• 7.1.3 《浑水水力分离清水装置》水沙分离机理
• 7.1.4 《浑水水力分离清水装置》的相似模化准则
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 存在的问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介