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。 【关键词】：旋流沉砂池 砂石废水 大涡模拟 VOF法 Eulerian-Lagrangian模型
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 研究背景、目的和意义8
• 1.2 国内外关于旋流沉砂池的研究进展8-10
• 1.3 计算流体力学（CFD）在旋流器研究中的应用10-15
• 1.3.1 雷诺时均方法在旋流器研究中的应用10-13
• 1.3.2 大涡模拟在旋流器研究中的应用13-15
• 1.4 本文研究内容15-17
• 第二章 耦合VOF 法的Eulerian-Lagrangian 高浓度固液多相流大涡模拟17-36
• 2.1 大涡模拟理论基础17-18
• 2.2 大涡模拟流体运动控制方程18-22
• 2.2.1 大涡模拟滤波方法.18
• 2.2.2 LES 常用的滤波函数18-21
• 2.2.3 Smagorinsky 模式21-22
• 2.3 基于VOF 法的自由表面追踪方法22-24
• 2.3.1 VOF 方法22-23
• 2.3.2 PLIC 方法界面重构23-24
• 2.4 颗粒Lagrangian 运动控制方程24-32
• 2.5 边界条件32-33
• 2.5.1 液相边界条件32-33
• 2.5.2 颗粒相边界条件33
• 2.6 控制方程的离散与计算算法的选取33-35
• 2.6.1 控制方程的离散33-34
• 2.6.2 控制方程的求解34-35
• 2.7 时间步长的选取35
• 2.8 小结35-36
• 第三章 旋流沉砂池物理模型及计算区域网格划分36-45
• 3.1 小试实验及物理模型37-40
• 3.1.1 颗粒分级处理工艺37
• 3.1.2 小试试验物理模型37-38
• 3.1.3 一级旋流沉砂池小试实验38-39
• 3.1.4 二级旋流沉砂池小试实验39-40
• 3.2 计算区域及网格划分40-44
• 3.2.1 多块网格结构技术40-41
• 3.2.2 滑移网格技术41-42
• 3.2.3 网格灵敏性分析42-44
• 3.3 小结44-45
• 第四章 旋流沉砂池内流场及颗粒数值模拟45-65
• 4.1 一级旋流沉砂池内VOF 分布45-47
• 4.2 一级旋流沉砂池内液相流场的大涡数值模拟47-55
• 4.2.1 LES 与RANS 模拟旋流沉砂池内水流速度对比47-50
• 4.2.2 不同瞬时的涡量场分布50-53
• 4.2.3 旋流沉砂池内水流瞬时速度分布53-54
• 4.2.4 旋流沉砂池内流体平均速度分布54-55
• 4.3 一级旋流沉砂池内砂石颗粒相的数值模拟55-61
• 4.3.1 颗粒碰撞力灵敏性分析55-56
• 4.3.2 砂石颗粒运动轨迹56-58
• 4.3.3 颗粒在流场中大涡结构的分布58-59
• 4.3.4 颗粒瞬时速度分布59-61
• 4.3.5 一级旋流沉砂池去除率的验证61
• 4.4 二级旋流沉砂池内气-液-固多相大涡数值模拟61-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第五章 旋流沉砂池模拟优化65-74
• 5.1 桨叶转速的影响分析65-67
• 5.2 叶片数量的影响分析67-69
• 5.3 桨叶位置的影响分析69-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第六章 结论与展望74-77
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-77
• 参考文献77-82
• 发表论文和科研情况说明82-83
• 致谢83

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