加压液化输沙技术在“浑水水力分离清水装置”中应用的数值模拟

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1、万方数据1．1研究背景及意义第1章绪论新疆河流特性以山溪性河流为主，流域内含沙量较大并且颗粒粗细分布不均，流域内的含沙浓度有的达到十几千克每立方米，甚至高达数百千克每立方米，有的粗颗粒泥沙的粒径达到十几厘米，而细颗粒泥沙的粒径甚至小于0．05ram。由于河水的含沙浓度高，泥沙粒径极细，小于0．03mill粒径的泥沙约占含沙总i的40％，处理起来十分困难，水沙分离f．-j题无法解决，高含沙河流可利用的水资源日趋贫乏。所以，为了更加合理的利用现有的水资源，对如何将高含沙水流水沙分离，获取工农业用水成为一项十分重要的任务。2003年，新疆农业大学水

2、利与土木工程学院水力学教研室课题组成员研制出了一种新型净水装置——《浑水水力分离清水装置》[1l(下文简称“装置”)，实现了高浓度泥沙水净化技术的突破。在2005年“浑水水力分离清水装置”被国家知识产权局授予发明专利(专利申请号为：031595073)。(见图1．1)I

3、

4、厂盟121醛挥木盎＼卜～厂—一＼铲、一，(a)5F面图(b)立面图(c)I-I削面图图1-1“浑水水力分离清水装置”模型结构图通过室内试验，利用该“装置"处理含粘土和细沙的浑水，在浓度为120千克每立方米以内时，每天可得到6至27立方米的清水。根据资料可知，黄河流域中水流的

5、含沙浓度约为30公斤每立方米，试用“装置”去处理泥沙，平均每日分离出的清水可达到19立方米，按日用水量50公斤每人计算，一台“装置”一日可解决380人的用水，而投资一台“装置”的费用仅在万元左右。有关专家提出：将此“装置”用于解决一万方数据魏l医液化输沙技术在‘浑水水墅分离清水装置”中运甬的数僮模掇些偏远农牧区群众的饮水问题，是既环保又经济的：此“装置”的研究将有望用于黄河净水工程、自来水预处工程及解决偏远山村的饮水问题。“浑水水力分离清水装置”的锥体部分1：l的径坡设计使“装置”的高度较大，从而在应用于生产实际时受到了限制。降低锥体径坡则产

6、生底部泥沙淤积的难题，为此，新疆农业大学水利学院水力学课题组提出将“加压液化输沙技术”应用于“浑水水力分离清水装置"中，在“浑水水力分离清水装置”底部铺设带有渗水小孔的液化输沙管道，通过人ran压的方式，将压力水压入液化输沙管道，再经液化输沙管道上的渗水孔渗出，根据渗流力深层启动泥沙原理，使淤积在“浑水水力分离清水装置”锥体底部的泥沙产生液化，并在压力水持续不断加压渗水的情况下，将淤积泥沙液化排出。此设想通过2008级硕士研究生鲁霞的加压液化输沙技术在“浑水水力分离清水装置”中应用的试验研究瞳1得到了验证。为探明设置加压液化输沙管路后对“装置

7、”流场的影响，确定加压液化输沙技术用于“装置"的合理结构形式与主要参数，本文采用数值模拟的方法，运用FLUENT软件，对加压液化输沙技术运用于“装置”的三维水沙两相流旋转流场进行分析研究，为加压液化管路运用于“装置”中的的结构形式及主要参数的确定提供依据。1．2国内外研究现状1．2．1三维旋转流场研究状况我国是世界上河流泥沙最多的国家，国内也有很多学者通过数值模拟研究三维水沙两相流，例如2008年假冬冬【3】建立了弯道三维水沙数学模型。采用有限体积法对方程进行离散，运用SIMPLEC与SIP方法进行模型求解，模拟结果表明采用三维数值模拟时，数

8、模模拟效果较好，且相对于采用经验公式来确定弯道处推移质输移方向，该方法具有易于实现的优势。2009年假冬冬[41通过构建了河岸变形的三维数值模型，基于非正交网格，采用局部网格可动技术处理由河岸崩塌引起的河道摆动过程。模型采用有限体积法对方程进行离散，运用动量插值技术相结合的SIMPLEC算法进行模型求解。通过弯道发展过程的计算表明，模型能够有效地模拟出河道的复杂演变过程。2万方数据薪疆农监大学硕士学位论文2009年张新周【5】采用有限体积法离散方程，以交错网格法避免压力场震荡，离散方程的求解运用SIMPLE算法，耦合压力一速度场的求解方式采用

9、动水压力校正法，计算中以动水压力校正方程的源项小于给定误差值作为判断收敛的依据。计算结果表明根据紊流随机理论构建的三维紊流模型具有较强的模拟预报能力，能够较好的模拟水流运动和泥沙输移情况。2010年刘新阳【6l利用基于雷诺应力模型和颗粒动力学理论的欧拉．欧拉液固多相湍流模型对水力旋流器的水砂两相流动进行了数值模拟。采用了三种粒径的颗粒，能够正确地分析出水力旋流器水沙流动规律，为下一步的试验工作打下基础。2002年成立【7】采用雷诺时均方程结合k—s紊流模型，对典型泵站进水弯道水流及其流态改善进行三维数值模拟，采用有限控制体积法将方程离散化，利

10、用SIMPLE算法计算流场。计算结果较好的反应出弯道水流运动状态。赵宗昌【8】采用各向异性k一占湍流模型及SIMPLE算法对油水分离水力旋流器内部单相流场进行了数值