基于CFD的水电工程砂石废水旋流沉砂池的优化设计

【摘要】： 旋流沉砂池是水电工程砂石废水处理工艺中一个很重要的构筑物,但是在长期的实际运用过程中发现,由于旋流沉砂池存在着严重的排泥设施堵塞、损坏,及产生的沉渣难于处理等问题,使得砂石废水处理系统常因堵塞或淤死而停用,由此给砂石废水处理带来很大的困难。 本文基于计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)对旋流沉砂池进行了数值模拟,为提高旋流沉砂池的处理能力及优化旋流沉砂池的设计提供有效的理论依据。 本文分别采用欧拉-拉格朗日模型和欧拉-欧拉模型建立了旋流沉砂池内固液两相流动的数学模型,旋流沉砂池计算过程中采用了滑移网格技术。 首先结合小试实验,对一级处理旋流沉砂池内两相流流场,悬浮物浓度分布,颗粒运动轨迹进行了三维数值模拟,小试实验的核心思想是“颗粒分级去除”,即两级旋流沉砂池串联工艺,其主要目的是既提高颗粒的去除率,又便于沉渣的处理。其中第一级的目的是去除砂石废水中易于处理的粗颗粒,结果表明:一级旋流沉砂池在105rap/min转速工况时,出水中基本不含粒径大于50μm的粗颗粒砂石,粗颗粒基本被分离出来;在实验范围内,一级旋流沉砂的去除效率随着桨叶转速的增加而逐渐降低,模拟的到得七种转速工况下去除效率分别为40.28%,29.56%,23.75%,20.82%,18.5%,17.29%,15.26%,并通过与试验结果对比分析,验证了模拟结果的可靠性。 其次运用建立的模型对瀑布沟实际工程进行了模拟,采用小试试验分级处理的思想,将原有沉砂池作为第一级旋流沉砂池,对沉砂池中桨叶转速和桨叶位置进行了优化,结果表明:当桨叶转速r=105rap/min,桨叶位置z=592mm时,能有效地去除砂石废水中的粗颗粒,旋流沉砂池能达到最佳的分离效果。 【关键词】：旋流沉砂池 计算流体力学 砂石废水 滑移网格方法 分级处理
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 问题的提出8-9
• 1.2 计算流体力学（CFD）概述9
• 1.3 旋流沉砂池9-14
• 1.3.1 旋流沉砂池研究的国内外现状10-12
• 1.3.2 CFD数值模拟在旋流沉砂池研究中的运用12-14
• 1.4 本文研究内容14-16
• 第二章 旋流沉砂池的数学模型16-27
• 2.1 Eulerian-Lagrangian两相流模型16-21
• 2.1.1 流体相控制方程16-18
• 2.1.2 颗粒相控制方程18-21
• 2.2 Eulerian- Eulerian两相流模型21-24
• 2.2.1 控制方程22-23
• 2.2.2 湍流模型23-24
• 2.3 边界条件24-26
• 2.3.1 Eulerian-Lagrangian模型的边界条件24-26
• 2.3.2 Eulerian- Eulerian模型的边界条件26
• 2.4 小结26-27
• 第三章 数学模型的计算方法27-30
• 3.1 控制方程的离散27-28
• 3.2 控制方程的求解28-29
• 3.3 小结29-30
• 第四章 第一级旋流沉砂池内流场及悬浮物分布的数值模拟30-55
• 4.1 小试实验设计工况30-32
• 4.2 物理模型及网格划分32-33
• 4.3 可动区域的模拟33-37
• 4.3.1 可动区域模型33-34
• 4.3.2 可动区域模型计算结果比较34-37
• 4.4 第一级旋流沉砂池的数值模拟结果及验证分析37-54
• 4.4.1 Eulerian-Lagrangian模型的模拟结果37-46
• 4.4.2 Eulerian-Eulerian模型的模拟结果46-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 瀑布沟水电站砂石加工厂旋流沉砂池优化设计55-67
• 5.1 项目概况55-56
• 5.2 应用模型56-57
• 5.3 旋流沉砂池原有工况模拟结果分析57-64
• 5.3.1 Eulerian-Lagrangian模型的模拟结果57-63
• 5.3.2 Eulerian- Eulerian模型的模拟结果63-64
• 5.4 旋流沉砂池结构优化分析64-66
• 5.5 小结66-67
• 第六章 结论与展望67-69
• 6.1 结论67-68
• 6.2 展望68-69
• 参考文献69-72
• 发表论文和参与科研情况72-73
• 致谢73

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