分离鳃的水沙流场数值分析及试验研究

摘要

《垂向异重流式水沙分离鳃》（简称“分离鳃”）是一种新型的水沙分离装置，由鳃片与鳃管构成。本文在分离鳃已取得的研究成果基础上，为进一步探明分离鳃水沙两相流流场，揭示分离鳃水沙分离机理，并进一步对其结构进行优化，以及将分离鳃运用于实际工程时的结构型式，采用了物理模型试验、数值计算及中间试验对分离鳃进行了研究。
　　(1)为研究浑水含沙量和鳃片间距对分离鳃水沙分离效率的影响，在分离鳃和无鳃片普通管中进行了静水沉降试验。试验结果表明:①浑水含沙量为10～80kg/m3时，分离鳃中泥沙平均沉速更大，水沙分离效率更高;同一含沙量下分离鳃中的泥沙平均沉速是普通管的1.65倍左右。②鳃片间距为5cm时，泥沙平均沉速最大，水沙分离效率最高;不同鳃片间距的分离鳃水沙分离效率高于普通管，其泥沙平均沉速是普通管的1.4～3.25倍。
　　(2)采用Fluent软件提供的欧拉模型与混合模型，对分离鳃内的水沙两相流流场进行了数值模拟，将计算结果与PIV测试结果进行了定性和定量对比，发现欧拉模型适合模拟分离鳃内的水沙两相流流场。进而利用欧拉模型的计算结果分析了分离鳃内的泥沙及速度分布特性。结果表明:鳃片上表面的平均含沙量及泥沙平均速度分布规律以及鳃片下表面的平均含沙量与清水平均速度分布规律都与鳃片所在位置和时间有关;泥沙通道中泥沙平均速度与清水通道中清水平均速度随时间变化规律一致，且泥沙平均速度总体上大于清水平均速度。
　　采用数值模拟的方法研究了浑水含沙量、鳃片倾斜角、鳃片间距及泥沙粒径对分离鳃速度场及水沙分离效率的影响。计算结果表明:①浑水含沙量对分离鳃内速度流场没有影响;浑水含沙量越小，分离鳃的水沙分离效率就越高。②不同鳃片倾斜角下，分离鳃的速度流场不同，根据几何关系推导出了不同鳃片倾斜角下泥沙在鳃片上表面的滑动倾斜角及方位角;鳃片β倾斜角对分离鳃水沙分离效率影响最大，其次是鳃片α倾斜角。③鳃片间距越小，则速度流场受到来自泥沙通道下降的泥沙流与清水通道上升的清水流影响就越小;考虑分离鳃水沙分离效率高和鳃片间速度流场干扰少，选择最优鳃片间距为5cm，该结果与物理模型试验结果一致。④泥沙粒径为0.0001mm时，分离鳃中的速度场与泥沙粒径为0.005～0.035mm不同;泥沙粒径越大，水沙分离效率就越高。
　　(3)结合试验及数值计算结果，从分离鳃的结构型式、流场分布特性及高度方向上平均含沙量分布特性揭示了分离鳃加速水沙分离的机理。
　　(4)采用中间试验的方法分别对封闭式分离鳃沉淀池、敞开式分离鳃沉淀池及普通沉淀池进行了静水和动水的水沙分离试验。结果表明:两种新型的分离鳃沉淀池在静水沉降时出水浊度随时间变化可分为浊度迅速减小和浊度缓慢减小两个阶段;动水沉降时，水力负荷对出水浊度变化影响很大，水力负荷愈小，出水浊度愈小，水沙分离效率愈高，而当水力负荷达到一定值时两种沉淀池里的分离鳃将失去作用，与普通沉淀池的水沙分离效率相同;封闭式分离鳃沉淀池的水沙分离效率高于其他两个沉淀池。

目录

声明

论文说明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 本课题的研究背景及意义

1．2 分离鳃的简介

1．3 分离鳃研究已取得的成果

1．4 泥沙沉速的研究现状

1．5 粘性泥沙的研究现状

1．6 两相流数值模拟概述

1．7 斜板沉淀池的研究

1．8 斜管沉淀池的研究

1．9 本文的研究目标、方法及主要内容

第2章 分离鳃的物理模型试验

2．1 浑水含沙量对分离鳃水沙分离的影响试验

2．2 分离鳃最优鳃片间距的静水沉降试验

2．3 本章小结

第3章 分离鳃内部流场、水沙分离效率的数值模拟及机理分析

3．1 数学模型的选择

3．2 分离鳃中速度分布特性及其分析

3．3 分离鳃中泥沙分布特性及其分析

3．4 分离鳃的水沙分离效率及机理分析

3．5 本章小结

第4章 基于数值模拟的分离鳃主要参数对分离鳃影响的研究

4．1 不同浑水含沙量下的分离鳃内部流场数值模拟

4．2 不同鳃片倾斜角下的分离鳃内部流场数值模拟

4．3 不同鳃片间距下的分离鳃内部流场数值模拟

4．4 不同泥沙粒径下的分离鳃内部流场数值模拟

4．5 本章小结

第5章 分离鳃的中间试验

5．1 敞开式分离鳃沉淀池中间试验

5．2 封闭式分离鳃沉淀池中间试验

5．3 沉淀池的水沙分离效率比较

5．4 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 论文的主要创新点

6．3 不足之处与展望

参考文献

致谢

作者简历