污水海洋扩散器海水入侵及清除特性研究

论文摘要

污水海洋处置方法是一种经济有效的城市污水和工业污水处置方式,海水入侵扩散器系统是影响排污水力效率的重要因素之一,在工程中一直未得到很好解决。本文运用实验量测方法和三维数值模拟方法对海水入侵及清除流动过程中扩散器系统内部的流动结构以及影响因素进行了较为全面的研究,得到了一些有意义的结论。本文的主要研究包括: （1） 在实验室中建立海水入侵及清除流动物理模型实验系统,将PIV激光图像测速技术应用于污水扩散器系统内部流场的量测,观测得到扩散器系统内部流场结构及发展过程,对系统内部流场发展细部特征进行分析,阐述海水入侵和清除的流动机理。 （2） 建立扩散器系统内水流三维数值计算模型,该模型主要基于非结构网格有限体积法,采用RNGκ-ε紊流模型对紊动特征进行模拟,引入流体体积分数方程对密度分层流及其交界面的物质交换过程进行模拟。 （3） 利用建立的三维数值计算模型对概化的方形截面扩散器系统海水入侵与清除过程进行模拟,将模拟结果与现有的二维数值模型计算结果和实验成果进行比较,分析所建立的三维数值模型与现有二维数值模型模拟效果的差异,探讨三维数值模型在流动非恒定特征、密度分层流及交界面紊动掺混特征、流动三维结构特征等关键流动机制方面的模拟效果。 （4） 利用所建立的三维数值模型对圆形截面扩散器系统的海水入侵及清除流动过程进行模拟,通过与实验实测流场进行比较,分析三维数值模型对圆形截面扩散器系统海水入侵及清除流动的预测能力,比较结果表明三维数值模型能够对海水入侵与清除流动的非恒定过程以及扩散器系统内部的分层流及其交界面掺混过程进行准确模拟。 （5） 利用三维数值模型对扩散器系统内部海水入侵及清除流动通量变化规律及物质交换过程进行分析,建立排污流量与系统内部流场特征（污水楔推进速度、海水楔入侵速度、污水楔厚度、分层界面稳定性、系统入侵程度）的关系。分析扩散器系统结构型式以及系统运行模式对扩散器系统海水清除能力的影响,在此基础上提出考虑非恒定多相流阻力特性的扩散器系统海水清除能力预测方法。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 符号列表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 扩散器系统海水入侵及清除问题研究现状
• 1.2.1 扩散器系统海水入侵及其危害
• 1.2.2 研究现状
• 1.2.3 研究现状评价
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 扩散器系统海水入侵及清除流动实验研究
• 2.1 实验装置系统的建立
• 2.1.1 实验装置设计
• 2.1.2 实验工况
• 2.1.3 量测技术及工作原理介绍
• 2.1.4 操作步骤及实验中应该注意的问题
• 2.2 实验结果
• -3m³／s的实测流场分析'>2.2.1 排污流量为0.2×10^-3m³／s的实测流场分析
• -3m³／s的实测流场分析'>2.2.2 排污流量为0.6×10^-3m³／s的实测流场分析
• -3m³／s的实测流场分析'>2.2.3 排污流量为0.72×10^-3m³／s的实测流场分析
• 2.3 扩散器系统海水入侵及清除流动特征
• 2.3.1 流动发展过程
• 2.3.2 海水入侵流动机理
• 2.3.3 海水清除流动机理
• 2.4 本章小结
• 第三章 扩散器系统内水流三维数值模型建立
• 3.1 扩散器系统海水入侵及清除三维数值模型建立
• 3.1.1 计算模型的选择
• 3.1.2 计算区域的选取及网格方案
• 3.1.3 计算边界处理方法
• 3.1.4 差分格式的选择
• 3.1.5 压力与速度耦合关系的处理
• 3.1.6 计算控制参数
• 3.2 本章小结
• 第四章 方形截面扩散器系统内水流三维数值模拟
• 4.1 方形截面扩散器系统内水流二维数值模拟
• 4.2 方形截面扩散器系统内水流三维数值模拟
• 4.2.1 数值计算模型
• 4.2.2 三维数值模拟结果与二维数值模拟结果的比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 圆形截面扩散器系统内水流三维数值模拟
• 5.1 圆形截面扩散器系统内水流运动三维数值模拟
• 5.1.1 基本结构参数
• 5.1.2 计算区域选择及网格布置
• 5.1.3 计算工况及参数设置
• 5.2 计算结果分析
• -3m³／s的结果比较'>5.2.1 排污流量为0.2×10^-3m³／s的结果比较
• -3m³／s的结果比较'>5.2.2 排污流量为0.6×10^-3m³／s的结果比较
• -3m³／s的结果比较'>5.2.3 排污流量为0.72×10^-3m³／s的结果比较
• 5.3 本章小结
• 第六章 扩散器系统海水入侵及清除特性研究
• 6.1 扩散器系统海水入侵及清除流动通量交换过程分析
• 6.1.1 排污流量低于清除临界流量时的流动分析
• 6.1.2 排污流量大于清除临界流量时的流动分析
• 6.2 恒定排污流量大小对流动特征的影响分析
• 6.2.1 不同排污流量对系统内部分层流特征的影响
• 6.2.2 不同排污流量对系统海水入侵程度的影响
• 6.3 扩散器系统海水清除能力分析
• 6.3.1 扩散器系统海水清除流动影响因素分析
• 6.3.2 扩散器系统清除临界流量预测方法探讨
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A：攻读博士学位期间发表学术论文及参加科研项目情况