小尺度旋转两相流中泥沙科氏力的作用

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1、第32卷第6期人民黄河Vo1．32．No．62010年6月YELLOWRIVERJun．，2010【水文·泥沙】小尺度旋转两相流中泥沙科氏力的作用汪艺义，苏枋，胡景龙，牧振伟，沈晓阳，张志雁(1．新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052；2．新疆农业大学教务处，新疆乌鲁木齐830052；3．天津科技大学，天津300000)摘要：对排沙漏斗及浑水水力分离清水装置小尺度旋转两相流中泥沙科氏力的作用进行了研究。结果表明：科氏力大于离心力，泥沙沿径向向中心运动，所有泥沙颗粒都能被完全分离；决定所有泥沙颗粒是否能够被完全分离的因素有装置的半径

2、、水流切向速度以及泥沙粒径。关键词：小尺度；科氏力；两相流；水沙分离装置中图分类号：P333文献标识码iAdoii10．3969／j．issn．1000—1379．2010．06．017浑水分离清水装置模型介绍2浑水水力分离装置两相流中泥沙分离原理目前，水沙分离装置的种类有很多，例如新疆农业大学水两相流动分离原理：当单独的颗粒在连续的流体中运动利与土木工程学l完水力学教研室课题组研制出的排沙漏斗及时，颗粒受到流体拖摇曳力的控制，又由斯托克斯方程能够确浑水水力分离清水装置(图1)”，是在动态条件下利用水流自定分散相在连续相流体中的沉降、上浮等现象。在

3、离心场中，身的能量，从高含沙浑水中将水、沙包括极细沙和黏粒分离，获颗粒重力可以忽略不计(笔者只考虑某一平面上分散相的受力取清水的取水装置。特征以及运动轨迹)。当两相密度不等时，在离心力作用下，连续相流体与分散相颗粒产生一定的速度差“。，此时受力方程为一9CIl詈dPdu=詈d3(—P)一3(1)9CEIl式中：d为颗粒直径为连续相流体的黏度d分别为连续相流体、分散相流体的密度；‰为流体切向速度；r为装置的内径。当颗粒受力达到平衡时，由式(1)可得平面图立面图I—I剖面图亟①涵洞②排沙底孔③下悬板④中悬板⑤上悬板“o—一一㈤‘zr固1水沙分离装置当“

4、。为正时，表示颗粒与连续相流体沿着反方向运动的根据浑水水力分离装置的数值模拟计算结果J，水体在速度差；当为负时，表示颗粒与连续相流体沿着相同方向运“装置”内形成两种方向相反的螺旋流线(图2)；对比泥沙分离动的速度差。这个速度差使得浑水水力分离装置内部形成双的水力旋转器的数值模拟计算结果_3可知，水流在旋转流中，螺旋模型。分离相颗粒从底流口流出，连续相流体从溢流IZl其流线是自然界中常见的旋转曲线。流出，这已在浑水水力分离装置和排沙漏斗中得到证实。3数学模型的建立与计算研究对象是离散相颗粒，主要是单颗粒在小尺度旋转流中的受力特点。研究的重点为科氏力和

5、离心力对离散相颗粒的主导作用。采用的模型为单颗粒动力学模型，假设颗粒对流场收稿日期：20o9_05-07基金项目：国家自然科学基金资助项目(10762004)作者简介：汪艺义(1985～)，男，江西九江人。硕士研究生，研究方向为如工结l底流口构与计算机辅助计算。通讯作者：苏枋(1963一)．女，副教授。图2水体的螺旋流线E-mail：xjbnsf@163．corn·40·人民黄河2010年第6期没有影响，颗粒之间互不相关，两相相间存在较大滑移。离散将式(2)、式(5)联立，解得相颗粒在旋转多相流中受力情况很复杂，由于研究的重点在于。e=—d。2(p

6、a-一p)[lR代+r一√(而2)]J(6)旋转科氏力的作用，只考虑在一个平面上旋转科氏力与离心力的作用，因此在竖向上的力可忽略不计。再令s=R／r，由式(6)可得由式(2)可知：当‰为负时，此时为正旋转，旋转科氏力与s=÷L—1+(7)离心力的方向是相同的，科氏力的作用只是增加离心作用。在此主要讨论负旋转情况(即。为正时)。取一颗颗粒作为研究4结语对象，由于计算模型处理颗粒某一时刻的科氏力大小与离心力大小的比较，并忽略脉动速度对固相的影响，因此取平均速度由式(7)可知：给定一个“和r都可以得到一个8。因为式为切向速度。笔者只取某一时刻某一平面上的

7、受力情况，其中(7)中每个字母都为正数且PdP，所以≥0。因此，可以证明连续相流体的切向速度为，则流体的角速度为=旦尺。在R=r内，仃<1，科氏力大于离心力，此时泥沙沿径向向中r心运动，在此范围内所有泥沙颗粒都能被完全分离。而决定因假定颗粒距离旋转中心的半径为R，则由科氏力与离心力，L，L素有装置的半径r、水流3切向速度。4以及泥沙粒径d，这些已在、、，的定义可得科氏力的大小为F=2u。=2m，离心力排沙漏斗及浑水水力分离清水装置中得到证实，但具体量值关，、2系还有待更多资料加以{证实。的大小为F：_兰。定义离心力的大小与科氏力的大345／l参考文

8、献：小的比值为[1]李琳，邱秀云．浑水水力分离装置中水沙两相湍流的数值模拟[J]．水利学(“B一／Z0)——报，2007(