基于CFD的选择性取水引流作用下藻类迁移控制模拟及强化选择性取水技术的研发

摘要

我国大多数大中型城市已经或正在建设水库作为城市的主要供水或应急备用水源,近年来点源、非点源及内源污染导致水库水源富营养化问题明显,因此,为确保安全供水和降低净水成本,在水源保护领域内提高原水水质是一项非常重要的研究课题。
　　深水型水源水库的水温水质分层及藻类表层生长的特性,使得在深水型水源水库中常采用的选择性取水技术成为规避高藻原水、降低进厂水藻浓度的一种提高原水水质的有效手段。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上，可在流动基本方程控制下对流体流场进行数值模拟。
　　本文利用CFD商用软件FLUENT,以西北某城市深水型水源水库选择性取水塔为原型,建立了二维深水型水库选择性取水模型,对该取水塔在夏秋季各典型取水工况下的取水口近区域内流场进行模拟,以文献中建议库区表层水流速(小于)2.75×10-4m/s为取水引流作用下规避藻类速度阈值,得出以下主要结论:
　　(1)水库水源选择性取水时,随着取水口以上水位增加,库区表层水体流速变化,小于规避表层藻类阈值的取水区域不同。以距取水口水平距离60m,表层水位以下3m的区域为规避藻类的比较研究区域。模拟证实当开启上层取水口,取水量为6.64m3/s时,取水口以上水深分别是5,10,15及20m时,在比较研究区域内,可规避表层藻类取水区域依次为17.6％,31.8%,49%及63.5%。在相同取水量下,当开启中层取水口时,库区中层流速大,取水范围基本呈对称分布,当取水口以上水深大于22m时,取水基本不来自于表层水体,可认为可规避表层藻类取水。因此,在一定取水量时,随着取水口以上水位的升高,取水引流作用对表层水体影响越来越小,即规避表层水体藻类的范围越来越大。
　　(2)选择性取水随着取水量的增大,取水引流对表层水体的影响越来越大,即可规避表层藻类取水的范围越来越小。模拟证实当开启取水口与水库水位之间距离为20m,取水口的取水量分别依次为6.64,10,15.6及28m3/s时,水库表层流速增加,可规避表层藻类取水区域依次为:63.5%,32.7%,18%及9.6%。
　　(3)选择性取水规避藻类效能受水库入流的影响。模拟证实在夏秋季表层入流情况下,在模型中增加考虑水库水温分层及取水塔前坡度等实际情况,运用VOF多相流法,在取水量为10m3/s,水库表层入流量分别为11.4,15,19.6及28m3/s时,模拟证实分别在上层取水口和中层取水口开启时,规避表层藻类取水区域是动态的,中层取水规避藻类效能明显。
　　(4)在选择性取水塔的取水口上边加装垂直取水塔挡板,可明显改变取水引流作用下的表层流速分布,加装挡板长度越长,规避表层藻类取水区域越大。在取水量为10m3/s,取水口距水库水位为20m时,模拟证实在取水口上边分别加装与取水口等宽长度分别为0.5,1及2m挡板时,规避表层藻类取水区域依次为提高至68%,73.2%及88.6%。这为选择性取水规避表层藻类及改造取水塔强化选择性取水技术带来新的思路。按照模拟结果,研发了可易于在现有选择性取水塔加装的强化选择性取水效果的挡板装置。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 水库选择性取水的研究状况

1.3 FLUENT软件在水力学方面的研究状况

1.4 本课题研究内容及意义

2 计算流体力学应用简介

2.1 计算流体力学概述

2.2 CFD的求解过程

2.3 FLUENT软件

2.4 FLUENT的求解器

2.5 CFD数值解法

2.6 CFD控制方程

3 选择性取水库区表层水体流速分布模拟

3.1 物理模型

3.2 确定边界条件与初始条件

3.3 建立控制方程

3.4 网格划分

3.5 模拟结果及分析

3.6 本章小结

4 表层入流选择性取水库区流速分布模拟

4.1 多相流

4.2 物理模型及网格划分

4.3 确定边界条件与初始条件

4.4 模拟结果及分析

4.5 本章小结

5 强化选择性取水技术研发

5.1 研发背景

5.2 强化选择性取水技术原理

5.3 强化选择性取水技术实现过程

5.4 强化选择性取水技术应用范围及特点

5.5 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献