梭锥管内水沙两相流流场及含沙量分布研究

为了探明梭锥管快速分离水沙两相流的机理,分别对梭锥管和普通装置进行了静水和动水沉降试验,获得了不同采样点的含沙量随时间的变化规律.结果表明:与普通装置相比,梭锥管内完成泥沙沉降所需的时间约为普通装置的67％;梭锥管内沉降面积相等的各采样点含沙量均随沉降时间的增加而迅速减小,且在相同时段各采样点的含沙量基本相等,与采样点的位置无关;梭锥管内布置锥圈后,缩短了泥沙的垂直沉降距离和沉降时间,并且沉降到锥圈上的泥沙能快速汇集到浑水通道,达到了快速分离水沙的目的.     

梭锥管内锥圈水沙分离机理及锥圈设计参数

从梭锥管内特有的泥沙沉降特性出发,根据泥沙运动力学和沉淀理论,重点分析梭锥管内锥圈对泥沙沉降特性的影响。以絮团为研究对象,通过力学分析和数值分析给出了满足泥沙不淤积且以较大速度沿锥圈内表面下滑的锥圈倾角范围,并根据沉淀理论推导出锥圈的最佳倾角为45°。理论推导出锥圈长度和锥圈间距,研究这两个参数对泥沙沉降速度的影响,结果表明在相同的水沙条件下,梭锥管可使更多泥沙发生沉降,其沉降能力大于没有加锥圈的普通容器。泥沙沉降速度与锥圈长度和锥圈间距的比值有关,比值越大,泥沙沉降速度越大,设计时建议选择较大的比值。     

梭锥管混浊流体分离装置水沙两相流数值模拟

为了探明梭锥管内水沙分离的机理,在不同网格划分方案下,该文对梭锥管内的水沙两相流进行了静水沉降的数值模拟,并将计算结果与实测值进行了对比,选出了最优网格划分方案.在最优网格方案下,采用层流方程和简化的多相流Mixture模型,对梭锥管内部流场进行计算.计算结果表明:在锥圈上表面形成了“泥沙”流下沉,下表面“清水”流上升的小循环运动;作为泥沙沉降的重要边界,锥圈改变了泥沙的沉降方向,缩短了沉降距离,提高了水沙的分离效率;装置内存在水沙绕相邻锥圈形成的小循环流动和沿梭锥管边壁的清水流通道及中心的泥沙流通道做大循环的水沙流现象;两侧通道与锥圈上、下表面流速较大,其余区域流速较小.计算结果与试验结果基本一致,表明层流方程和Mixture模型耦合可以较好地模拟梭锥管内水沙两相流.     

梭锥管混浊流体分离装置流场PIV 测试及分析

利用粒子图像测速技术,测试了两种工况下梭锥管混浊流体分离装置（简称梭锥管）内的水沙两相流的速度场,给出了梭锥管内泥沙运动的流速矢量分布及流速大小云图。对测试结果的分析表明,实测结果与理论分析结果一致。含沙水流进入梭锥管后,其内设置的多层锥圈把泥沙沉降区域分割成若干个沉降距离较短且相互独立的沉降空间,缩短了泥沙的自由沉降距离。相邻锥圈组成的水沙分离空间内,形成了沿锥圈上表面向下运动的泥沙流和沿锥圈下表面向上运动的清水流,使分离后的泥沙流和清水流沿各自独立路径流动,泥沙流流入排沙装置中心的排沙通道,而清水流流入装置边壁处的清水流通道,相互之间无混掺和干扰,加快了水沙分离速度。     

不同进流浓度梭锥管水沙两相流场三维数值模拟

为了获得全面详细的梭锥管内部流动特性,本文探讨进流浓度对梭锥管内水沙分离效果的影响,据此来揭示梭锥管水力分离水沙的机理。本文采用重整化RNG(renormalization group)紊流模型与简化的多相流Mixture模型在泥沙浓度为5和15 kg/m3时对梭锥管内水沙两相流场进行了三维的数值模拟计算。并将计算结果与PIV测量结果进行对比,计算结果与PIV测试结果一致。结果表明:在进流量相同时随着进流浓度的增加,在上锥管边壁清水上升通道内速度增加,水流挟沙力增强,随水流溢出的泥沙量增多,并且随着进流浓度的增加梭锥管各个断面泥沙体积浓度及紊动强度值也随之增加,上锥管得到的清水面积也随之减小,不利于梭锥管内水沙分离。     

导片锥角和片数对悬锥装置水沙分离效率的影响研究

通过物理模型试验,将泥沙沉降过程中浑水含沙浓度作为量测指标,通过变量控制法就导片锥角和片数对悬锥装置的水沙分离效率影响情况进行了试验研究.研究结果表明:悬锥装置中导片片数的多少是影响该装置水沙分离效率的主要因素,而导片锥角的大小对装置的水沙分离效率影响不大.     

垂向异重流式水沙分离鳃水沙分离机理浅析

对新形净水装置——垂向异重流式水沙分离鳃的水沙分离机理进行初步研究。在已有的利用加单排鳃片分离鳃对含沙质量浓度为60 kg/m3的浑水进行研究的基础上,对无鳃片普通模型、加单排鳃片模型和加双排鳃片模型在泥沙质量分数为8%~20%的范围内进行了不同含沙浓度浑水中泥沙沉降速度的对比试验,得出3种不同装置中泥沙沉降速度的基本规律。分别从泥沙絮凝的角度和异重流的角度阐述了垂向异重流式水沙分离鳃这一装置可以快速进行水沙分离的机理,并简单论述了垂向异重流的概念。     

分离鳃最优鳃片间距的静水沉降试验

为了研究分离鳃的鳃片间距对水沙分离效果的影响,在分离鳃和普通管中进行了4组不同含沙量、7种不同鳃片间距的静水沉降试验,运用浅层沉淀理论对不同鳃片间距的分离鳃水沙分离性能进行了分析。试验结果表明:分离鳃的水沙分离效果好于普通管的,不同鳃片间距的分离鳃泥沙平均沉降速度为普通管的1.40～3.25倍;分离鳃的鳃片间距越小,分离鳃的泥沙沉降速度就越大,反之亦然;5～15cm的鳃片间距对清水层厚度和泥沙沉降速度影响最大,同时考虑制作分离鳃的经济性和工艺难易程度,鳃片间距宜为10cm。     

泥沙浓缩旋管内单相水流阻力特性试验研究

为给一种新型水沙分离装置——泥沙浓缩旋管提供设计依据,通过物理模型试验,研究不同曲率半径泥沙浓缩旋管内单相水流的阻力特性,测量了泥沙浓缩旋管内径和曲率半径对水头损失的影响。研究结果表明:曲率半径越小,该装置局部水头损失越大,局部水头损失主要由二次流造成;总水头损失也与曲率半径有关,该装置水头损失系数ζ与d/R呈正相关,二次流是流动阻力的主要来源。     

多级斜板式水沙分离装置试验

采用渠化设计的方法对垂向异重流式混合流体分离鳃进行结构优化,在不同流量、不同含沙量、不同斜板间距组合条件下,对该优化的多级斜板式水沙分离装置进行了动水循环试验。试验结果表明:渠化设计后,清水流与沉降泥沙各行其道,大幅度减小了相互间的扰动;溢流泥沙中值粒径随进流流量的增大不断增大,随进流含沙量的增大逐渐减小;出流含沙量随斜板间距减小而降低;在流量为0.9 m3/h时该装置水沙分离效果最好,泥沙分离率在80%以上,最高可达到93%。     

刚性植物条件下静水中粗颗粒泥沙沉速研究

为了探求水生植物对泥沙沉速的影响,本文在总结泥沙颗粒在水体中沉降的影响因素及阻力系数规律的基础上,在静水中设置不同直径、不同排列密度的不锈钢圆柱细杆模拟水体中不带分叉的刚性植物,分别测定粒径为0.1cm~0.45cm的沙粒沉速,并与没有植物条件下的沉速进行对比。研究结果发现,在试验粒径范围内,含植物水体中泥沙沉速随泥沙粒径、植物密度增大而减小,通过修正阻力系数,推导出考虑植物杆径及植物密度排列的泥沙沉速公式。     

浑水水力分离清水装置柱体高度对流场影响的数值模拟研究

基于Fluent软件对浑水水力分离清水装置的流速场进行数值模拟,分析了柱体高度对装置速度场的影响。结果表明:随着柱体区高度的增加,切向速度衰减,无法产生1 cm.s–1数量级的切向速度,并使得正向轴向流速增加,不利于泥沙沉降。当柱体区高度较小时,中心轴线两侧均存在明显的循环涡流,产生的回流将会降低泥沙颗粒向装置顶部清水溢出口流动的可能性,其径向速度数量级非常小,无明显特点。为了在装置内形成良好的弱旋流场,装置高度不宜过高,建议径高比在0.7～0.8之间。     

两相流分离鳃泥沙运动轨迹及加速滑移的力学分析

利用高速摄像技术捕捉分离鳃中泥沙运动的图像,对两相流分离鳃内部水沙运动进行测试,描绘了分离鳃流场概化图像,证明分离鳃内有异重流现象发生。通过对分离鳃鳃片上的泥沙进行力学分析,推导出泥沙在鳃片上的运动轨迹,研究了泥沙的沉降特性,并给出泥沙沉降条件与结构设计参数β之间的关系,从力学分析的角度论证了前期物理试验中得出的结构优化参数的合理性。     

垂向异重流式分离鳃在静水中的集成试验

通过垂向异重流式分离鳃在静水中的集成试验,分析了分离鳃数量、泥沙质量浓度与泥沙沉速的关系.试验表明:在相同质量浓度下,分离鳃集成数量越多,泥沙沉速越快;浑水的含沙质量浓度对泥沙的沉速也有影响,即泥沙质量浓度越大,泥沙沉速越慢.分离鳃集成用于水沙分离可以大大缩短泥沙沉降时间,并且具有节能环保,结构简单,造价低廉等特点.     

基于CCHE模型的重力沉沙池水沙数值模拟

为了研究重力沉沙池流量、含沙量与水沙分离效率的关系,借助CCHE软件,建立CCHE2D水沙两相流数学模型,采用混合掺长紊流模型,对重力沉沙池进行数值模拟,得到沉沙池内水流流态、悬移质输移规律以及沉沙池的水沙分离效率,并在前人研究的基础上,进一步对不同流量、含沙量情况下,其流量和含沙量对沉沙池水沙分离效率的影响进行分析。结果表明:当流量在0. 05～0. 30 m~3/s时,随着流量增大,则流速增大,水流挟沙力增大,不利于泥沙沉降,使沉沙池的水沙分离效率降低;改变初始含沙量(5～20 kg/m~3),随着初始含沙量的增大,由于沉淀池尾部回流区存在,使得部分泥沙直接被带入清水池,使得沉沙池水沙分离效率降低。     

湖泊底泥絮凝沉降试验研究

湖泊底泥的运动过程产生了内源污染,加剧了湖泊生态环境的恶化。研究湖泊底泥在风浪作用下悬浮后再沉降的运移规律,可为了解湖泊水质变化成因以及开展生态环境治理提供技术支持。本课题采用有机玻璃制作的沉降桶,在静水条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了沉降试验,研究3个湖泊的水体在不同初始含沙浓度和不同水深条件下含沙浓度的变化,分析了3个湖泊淤泥的沉降规律,近似代表天然湖泊的底泥运动状态。试验研究表明3个湖泊水体中悬浮泥沙的沉降均为絮凝沉降,其沉降过程和沉速与单颗粒泥沙相比均发生了量和质的变化,悬浮泥沙絮凝平均沉速随沉距、含沙浓度的增大而增大。最后得出3个湖泊底泥的沉降速度,其研究结果可为采用絮凝沉降法改善水质环境提供参考依据。     

圆中环沉沙排沙过滤池结构特性试验研究

圆中环沉沙排沙过滤池是一种新型的浑水沉沙、排沙、过滤装置,通过新疆呼图壁城镇工业供水工程圆中环沉沙排沙过滤池的物理模型试验,模拟了在1 m3/s工况下的运行效果。试验结果表明:采用三层不同粒径的滤料,中心溢流筒加高0.4 m时,能较好的起到沉沙、排沙和过滤的作用且不被击穿,同时能满足引水量的要求,汇流槽平均流速在0.88～2.77 m/s范围内。与常规水沙分离装置相比,这种新型的装置实现了节能减排,环保性处理泥沙的目标,为水沙分离提供了另一种新的思路。     

水温分层水库中大规模高浓度泥沙侵入及长期浊水放流问题的对策

用数值模型描述了水温分层水库中大规模高浓度泥沙流入时的水动力学现象,定量研究并讨论了如何改善这种情况下水库形成的长期浊水化现象。在大流量、高浓度时,洪水水流沿着水库底部向下游高速流动,撞击大坝后造成的回流形成洪水的混浊水体与水库内周围环境水体的混合,导致水库长时间浑浊,形成长期浊水放流。该机理提示了减少洪水后库内混浊水体积的可能性。数值实验表明,如果合理采用选择性取水设备,或通过下层泄洪口可以成功地减少混浊水和清洁水体的混合,将洪水后库内残余混浊水的量减少88％。进一步的计算表明,如果可以改变温度跃层的位置或泄洪口的高程,则可以控制洪水时泥水在水库中的流动,以改善洪水后浊水放流的状况。     

泥沙沉降过程与密度变化关系实验研究

 为研究水库泥沙淤积与泥沙密度之间的变化关系,采用丹江口水库不同库段、不同粒径的泥沙,进行了不同管径、不同深度和分别加沙的沉降实验,发现了一些特殊的现象。并对这些实验数据和丹江口水库的实测资料,进行了分析。研究结果说明泥沙沉降快慢与泥沙表层水深无关,而泥沙的密度是随泥沙沉降快慢而变的。