大涡模拟在处理水电工程砂石废水的旋流沉砂池中的研究

摘要

水电工程，特别是大型水电站，在施工过程中会产生大量的高浊度砂石废水，如不加处理直接排入水体，势必造成严重的环境污染。因此，水电工程砂石系统生产废水的达标处理具有重要的环保意义。
　　 本文建立了耦合VOF(Volume of Fluid)法的Eulerian-Lagrangian高浓度气-液-固多相流大涡模拟数学模型，探讨了旋流沉砂池内部流体的流动特性、颗粒的微观运动规律，进行了旋流沉砂池结构及运行参数的优化模拟，取得了如下主要成果：
　　 (1)建立了耦合VOF法的Eulerian-Lagrangian高浓度气-液-固多相流大涡模拟数学模型。针对水电工程高浓度砂石废水处理中的旋流沉砂池具有气-液-固多相流复杂流态特点，采用分子动理学方法，从颗粒间相互作用的微观特性角度出发，推导了合理描述高浓度下颗粒间碰撞项的耦合VOF法的Eulerian-Lagrangian气-液-固多相流大涡模型，揭示了旋流沉砂池内湍流场瞬时变化的精细过程，并实现了对旋流沉砂池的自由液面以及砂石颗粒运动轨迹的追踪。
　　 (2)探讨了耦合VOF法的Eulerian-Lagrangian大涡模拟数学模型的求解方法、网格划分和边界条件确定。基于多块网格结构技术及滑移网格技术，建立了六面体单元网格模型。选用盒式过滤器过滤小尺度脉动，亚格子雷诺应力的封闭方程采用Smargorinsky涡粘模型。运用有限体积法QUICK格式进行离散，并采用PISO算法进行了数值求解。通过扩大进口计算域以及增加出口嵌边区的方法得到了合理经济的进、出口边界条件。
　　 (3)分析了旋流沉砂池内VOF和流场分布，探讨了砂石颗粒的运动。结合一、二级旋流沉砂池实验得到的最佳工况，首先分析了旋流沉砂池内复杂的自由液面及液面的波动情况；其次讨论了旋流沉砂池内液相大涡结构随时间的发展、合并和破碎的运动过程及涡量场的变化；再者探讨了不同粒径颗粒的运动轨迹及分布情况。在一级旋流沉砂池中，随着颗粒粒径减小，其受大涡控制的程度越大，越不易被去除。在二级旋流沉砂池中，粒径<10μm颗粒只有部分被去除。
　　 (4)进行了旋流沉砂池结构及运行参数的模拟优化。对一级旋流沉砂池桨叶转速、桨叶数量、桨叶位置进行了模拟分析，模拟的结果表明：桨叶转速为105rap/min，叶片数量为4片，桨叶位置为120mm时，可使旋流沉砂池运行效果最佳。