渾水水力分離清水裝置水沙分離的數(shù)值分析及試驗研究.pdf

1、我國華北、西北和新疆一帶的眾多河流都具有高渾濁水的特點，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)處理過程不同的是，該“裝置”在獲取清水的過程中，不需添加任何化學(xué)藥劑，也不需任何其它動力、僅靠水流的自身能量就可將水沙分離，因此被稱為“綠色環(huán)保裝置”。該成果可用于自來水

2、廠對渾水進(jìn)行預(yù)處理及灌區(qū)水源中的泥沙分離，對環(huán)境保護(hù)及加速噴、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)部弱旋湍流場分布規(guī)律、水沙兩相流的分離機(jī)理以及“裝置”相似模化問題。 試驗研究包括水相流場的測試、水沙分離性能影響因素研究、渾液面的形成對分離性能的影響以及泥沙濃度分布測試

3、。即應(yīng)用先進(jìn)的粒子圖像測速技術(shù)(PIV)測量不同工況下“裝置”內(nèi)的水相流場，揭示了“裝置”內(nèi)的流場的運動規(guī)律；運用均勻正交試驗和單因素同比試驗并結(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；觀測不同工況下泥沙的絮凝情況，測試不同時間不同工況對應(yīng)的溢流濃度，揭示了“裝置”內(nèi)泥沙動水絮凝或高濃度下渾液面的形成對“裝置”水沙分離效率的影響規(guī)律；在“裝置”不同位置布置測沙垂線，測試不同工況各測點對應(yīng)的濃度值，以此驗證渾水流場的數(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的湍流模擬和水沙多相流場的模擬。采用了不同的湍流模型RNGk-ε模型和RSM模型封閉時均流動的N-S方程，分別在不同的網(wǎng)格劃分方案下對水相場進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了水相場的三維速度分布及雷諾應(yīng)力分布規(guī)律，并將計算結(jié)果與PIV實測值對比。結(jié)果表明RSM模型和RNGk-ε模型水相場的數(shù)模結(jié)果與PIV實測結(jié)果吻合均較好，綜合考慮計算精度和計算消耗時，可以采用RNGk-ε模型計算“裝置”內(nèi)的弱

5、旋湍流場，而不需采用計算成本較高、耗時較長的RSM模型。對于水沙多相流動的數(shù)值模擬，在比較了兩相流理論中顆粒運動的描述方法Euler-Euler法和Euler-Lagrangian以及不同方法對應(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進(jìn)行數(shù)值模擬研究。揭示了不同工況下渾水流場的三維速度、動水壓強(qiáng)、紊動強(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)果和試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明渾水流場濃度分布規(guī)律的數(shù)模結(jié)果與實測結(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)確地計算“裝置”內(nèi)的水沙兩相流場，所得結(jié)論較為可靠。 結(jié)合試驗研究和數(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)的流場特性、“裝置”的結(jié)構(gòu)特點等角度探明了“裝