陶洪飛,邱秀云,李 巧,蘇建江
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052; 2.國電新疆吉林臺(tái)水電開發(fā)有限公司,新疆伊犁 835716)
不同泥沙粒徑下的分離鰓內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬
陶洪飛1,邱秀云1,李 巧1,蘇建江2
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052; 2.國電新疆吉林臺(tái)水電開發(fā)有限公司,新疆伊犁 835716)
為研究泥沙粒徑對分離鰓的速度場及水沙分離效果的影響,采用層流模型和歐拉模型,運(yùn)用PC-SIMPLE算法,對分離鰓內(nèi)的水沙兩相流流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)泥沙粒徑d=0.0001 mm時(shí),分離鰓內(nèi)的流場與其他泥沙粒徑時(shí)有所不同;當(dāng)0.005 mm≤d≤0.035 mm時(shí),分離鰓內(nèi)不同粒徑泥沙水流的流場相同;當(dāng)0.015 mm≤d≤0.035 mm時(shí),分離鰓處理泥沙效果最好,且泥沙粒徑越大,去除率越高,水沙分離速度就越快。
泥沙粒徑;分離鰓;歐拉模型;去除率;數(shù)值模擬
我國是世界上河流泥沙問題最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)觀測資料統(tǒng)計(jì),我國西北和華北地區(qū)的大部分河流都具有含沙量高且泥沙顆粒細(xì)的特點(diǎn),這給工業(yè)用水、生活用水以及多沙河流沿岸居住分散的農(nóng)牧民群眾用水造成極大的不便,并對灌區(qū)的滴、噴灌設(shè)備帶來很大的危害,灌溉時(shí)常常會(huì)發(fā)生噴頭或滴灌頭流道堵塞的問題,嚴(yán)重制約了噴、滴灌等先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
分離鰓是新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院水力學(xué)教研室課題組研制的一種新型的水沙兩相流分離裝置,與傳統(tǒng)水沙分離方法相比,分離鰓具有分離速度快、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉及運(yùn)行費(fèi)低等特點(diǎn),同時(shí)分離出來的清水和排出的泥沙對人體及周圍環(huán)境無害。因此分離鰓對解決分散居住的農(nóng)牧民生活用水問題具有積極意義,同時(shí)分離鰓作為灌區(qū)泥沙前期處理設(shè)施,可為灌區(qū)滴、噴灌提供優(yōu)質(zhì)水源,促進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)在多沙河流地區(qū)的推廣應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)[1-12]可知,目前分離鰓已做了如下研究:通過系列模型試驗(yàn)和理論分析,探明了分離鰓的分離機(jī)理以及分離鰓內(nèi)水沙分離的水流結(jié)構(gòu),并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化;運(yùn)用粒子圖像測速技術(shù)測試了分離鰓內(nèi)部流場,并利用流體軟件Fluent對分離鰓內(nèi)部的水沙兩相流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了分離鰓內(nèi)部的流場分布;在上述研究的基礎(chǔ)上提出了分離鰓應(yīng)用于實(shí)際工程的集成形式,并對此形式進(jìn)行了室內(nèi)模型集成試驗(yàn)與室外大比尺試驗(yàn)。影響分離鰓的水沙分離效果的因素有多種,其中泥沙顆粒的大小對其沉淀效率不容忽視。文獻(xiàn)[13]通過流體軟件Fluent模擬了分離鰓內(nèi)水沙兩相流流場,對計(jì)算結(jié)果與粒子圖像測速(particle Image velocimetry,PIV)的測試結(jié)果進(jìn)行了定性與定量的比較,發(fā)現(xiàn)歐拉模型適合模擬分離鰓內(nèi)的水沙兩相流流場,故本文采用歐拉模型模擬靜水中不同泥沙粒徑下分離鰓內(nèi)部的水沙兩相流流場,分析和討論泥沙粒徑對分離鰓內(nèi)部流場及沉淀效果的影響,為分離鰓的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
1.1 分離鰓結(jié)構(gòu)
分離鰓由鰓片與鰓管構(gòu)成,靜水沉降時(shí),分離鰓的上端為開口狀,下端呈封閉狀,該裝置的典型結(jié)構(gòu)特征見圖1。分離鰓的主要特征尺寸有鰓片間距d、鰓片與鰓管寬度側(cè)壁構(gòu)成的α傾斜角、鰓片與鰓管長度側(cè)壁構(gòu)成的β傾斜角、清水流上升通道寬度e及泥沙流下降通道寬度f。采用的分離鰓特征尺寸為:a=10 cm,b=5 cm,c=40 cm,d=5 cm,e=f=1 cm,采用優(yōu)化后的傾斜角α=60°和β=45°。
圖1 分離鰓結(jié)構(gòu)示意圖
1.2 數(shù)學(xué)模型
考慮本研究源項(xiàng)為零,歐拉模型的質(zhì)量守恒方程為
式中:▽是那勃勒算子;vq為第q相的流速;φq為第q相的體積分?jǐn)?shù);ρq為第q相的物理密度。
數(shù)值模擬中升力相對于曳力是不重要的,因此動(dòng)量守恒方程中不包含升力;泥沙(第q相)的密度遠(yuǎn)大于水(第p相)的密度,虛擬質(zhì)量力可忽略不計(jì),則動(dòng)量守恒方程為
其中
式中:t為時(shí)間;vq為第q相的流速矢量;p′為水與沙共同承擔(dān)的壓力;τq為第q相的壓力應(yīng)變張量;Rpq為水與沙之間的作用力;Fq為第q相的外部體積力張量;λq與μq分別為第q相的體積黏度和剪切黏度;I為單位張量。
Rpq取決于壓力、摩擦、內(nèi)聚力等的影響,其計(jì)算公式如下:
其中
式中:Kqp為相間動(dòng)量交換系數(shù);φp為第p相的體積分?jǐn)?shù);ρp為第p相的物理密度;C為曳力函數(shù);Req為第q相的雷諾數(shù);vr,q為與泥沙相關(guān)的末端流速;vp為第p相的流速矢量;dq為第q相的直徑;A和B為系數(shù);μp為p相的剪切黏度。
羅菲[9]利用埃施理論說明泥沙顆粒在分離鰓靜水沉降過程中,水沙之間不會(huì)相互混摻,水流較穩(wěn)定且流態(tài)為層流,故選擇層流模型與歐拉模型來模擬分離鰓中的流場。層流模型的方程如下:
式中:v為流速矢量;p″為流體靜壓;μ為流體的動(dòng)力黏滯系數(shù)。
1.3 計(jì)算方法
分離鰓的計(jì)算區(qū)域和基本控制方程的離散采用有限體積法[13]??紤]減小數(shù)值模擬的計(jì)算工作量和保證計(jì)算精度,最終采用優(yōu)化后的四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)共計(jì)81714個(gè)。流相的離散格式采用具有良好遷移特性和較好穩(wěn)定性的一階迎風(fēng)格式。對歐拉多相流計(jì)算,采用PC-SIMPLE算法來計(jì)算離散后的線性代數(shù)方程組,各方程計(jì)算精度均為0.001。
1.4 邊界條件
a.分離鰓上端邊界條件:分離鰓中泥沙顆粒作靜水沉降運(yùn)動(dòng),分離鰓上端為一水平的自由表面,分離鰓內(nèi)的水頭大小不變,且水面沿y軸負(fù)方向無波動(dòng)現(xiàn)象,可以認(rèn)為流速及其他各個(gè)變量沿y方向的梯度都為零,故可采用“剛蓋假定”。在自由表面上采用對稱邊界條件處理。
b.壁面邊界條件:分離鰓的固體邊壁包括鰓片、鰓管下端和鰓管外圍邊壁,其邊界條件采用無滑移邊界條件。
1.5 模型參數(shù)及運(yùn)行效果
初始化時(shí),設(shè)置時(shí)間步長為0.0001 s,求解時(shí)間步數(shù)為1×106,每個(gè)時(shí)間步數(shù)最多的迭代次數(shù)為200。時(shí)間步數(shù)為0~1000時(shí),各方程的殘差線波動(dòng)很大,1000步以后波動(dòng)很小;當(dāng)時(shí)間步達(dá)到20 000時(shí),殘差線都在數(shù)值0.001以下,說明各方程的計(jì)算精度均達(dá)到0.001,各方程已經(jīng)收斂;隨著進(jìn)一步的求解計(jì)算,收斂效果更好,此時(shí)可適當(dāng)增大時(shí)間步長,以減少計(jì)算時(shí)間。
為得到不同泥沙粒徑下分離鰓中的泥沙分布特性,在數(shù)值模擬計(jì)算過程中應(yīng)監(jiān)測y方向(高度方向)的平均含沙量與時(shí)間的關(guān)系,以便對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和對比,具體的斷面位置見圖2。
圖2 不同位置的監(jiān)測面
分離鰓的計(jì)算區(qū)域包括水和沙兩種介質(zhì),將水定義為主相,泥沙顆粒為第2相,假定泥沙顆粒為球形。研究泥沙粒徑對分離鰓內(nèi)部流場及沉淀效果的影響時(shí),水的密度ρw=998.2 kg/m3,泥沙顆粒的密度ρs=2650 kg/m3,渾水含沙量S=10 kg/m3,它們均為固定值,已有的試驗(yàn)表明分離鰓在處理細(xì)顆粒泥沙時(shí)能體現(xiàn)出其優(yōu)越性,故按表1中的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。
表1 泥沙粒徑的工況設(shè)置
3.1 鰓片表面的流速矢量分布
限于篇幅,本文只給出了工況1、4、6的歐拉模型數(shù)值模擬結(jié)果(工況2、3、5的計(jì)算結(jié)果同工況1、4),即給出這3種工況下鰓片1(靠近分離鰓的自由表面)、鰓片3(位于分離鰓中間)、鰓片5(靠近分離鰓底端)和z方向各斷面的流速矢量分布,通過對比分析確定泥沙粒徑對分離鰓內(nèi)流速分布規(guī)律的影響。
當(dāng)計(jì)算沉降時(shí)間為400 s時(shí),不同泥沙粒徑下鰓片1、3、5的上、下表面流速矢量分布如圖3~8所示。當(dāng)d=0.035 mm和d=0.01 mm時(shí),同一鰓片的上表面流速分布規(guī)律一致,同樣鰓片下表面的流速分布規(guī)律也一致;當(dāng)d=0.0001mm時(shí),鰓片上、下表面的流速分布規(guī)律與上述兩種泥沙粒徑下的流速分布規(guī)律有所不同。相同泥沙粒徑下不同鰓片的上表面流速分布規(guī)律有所不同,下表面流速分布規(guī)律也不同,這與鰓片在分離鰓中的位置有關(guān)。
從圖3可知,當(dāng)d=0.035 mm和d=0.01 mm時(shí),鰓片1上表面的水流先以傾斜角α沿鰓片短邊向下滑動(dòng),當(dāng)滑至鰓片長邊時(shí)以傾斜角β貼壁向下滑動(dòng);當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),鰓片上表面的水流完全呈放射狀。從圖4和圖5可看出,當(dāng)d=0.035 mm和d=0.01 mm時(shí),鰓片3與鰓片5上表面的流速分布規(guī)律同鰓片1上表面,但因泥沙通道中下落水流的影響,從而這兩個(gè)鰓片上表面右上角的流速呈向內(nèi)放射狀;當(dāng)d=0.000 1 mm時(shí),鰓片3與鰓片5上表面的水流在鰓片高端區(qū)域形成順時(shí)針漩渦,低端區(qū)域則有部分水流以傾斜角β向下滑動(dòng)。
從圖6和圖7可知,當(dāng)d=0.035 mm和d= 0.01 mm時(shí),鰓片1與鰓片3下表面的水流先以傾斜角α沿鰓片短邊向上流動(dòng),當(dāng)流至鰓片長邊時(shí)以傾斜角β貼壁向上流動(dòng),但因清水通道中上升水流的影響,從而這兩個(gè)鰓片下表面左下角的流速呈向內(nèi)放射狀;當(dāng)d=0.000 1 mm時(shí),鰓片1與鰓片3下表面的水流在鰓片低端區(qū)域形成順時(shí)針的漩渦,高端區(qū)域則有部分水流以傾斜角β向上流動(dòng)。從圖8中可看出,當(dāng)d=0.035mm和d=0.01mm時(shí),鰓片5下表面的流速分布規(guī)律與鰓片1、鰓片3的下表面相同,但因鰓片5靠近分離鰓的底端,清水通道中上升水流對其流場沒有影響,故左下角不存在流速呈向內(nèi)放射狀的現(xiàn)象;當(dāng)d=0.000 1 mm時(shí),鰓片下表面的水流完全呈放射狀。
圖3 鰓片1上表面流速矢量分布
圖4 鰓片3上表面流速矢量分布
圖5 鰓片5上表面流速矢量分布
圖6 鰓片1下表面流速矢量分布
圖7 鰓片3下表面流速矢量分布
圖8 鰓片5下表面流速矢量分布
圖9 泥沙顆粒受力狀態(tài)
泥沙顆粒沉降到鰓片長邊時(shí),其受力狀態(tài)如圖9所示。水流阻力FD與摩阻力Ff與泥沙運(yùn)動(dòng)方向相反;上舉力FL與斜面支撐力FR與斜面垂直;泥沙顆粒的有效重力W豎直向下。采用泥沙顆?;破饎?dòng)模式,當(dāng)滿足0.707W>FD+Ff時(shí),泥沙顆粒便在鰓片的長邊滑動(dòng);當(dāng)0.01mm≤d≤0.035 mm時(shí),泥沙有效重力為8.48×10-12~3.63×10-10N,鰓片上表面的泥沙顆粒會(huì)在有效重力作用下克服阻力,在鰓片上表面滑動(dòng)至泥沙通道中,對于鰓片2、3、4、5的上表面而言,因同時(shí)受到泥沙通道中水流的沖擊影響,從而流場與鰓片1上表面的有所不同;當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),泥沙有效重力為8.48×10-18N,其所受有效重力的大小與其他泥沙粒徑不在同一個(gè)量級上,故受流場的影響最大,鰓片上表面的泥沙顆粒,由于有效重力很小,此時(shí)上舉力FL占主導(dǎo)地位,同時(shí)泥沙通道及清水通道中的水流對小粒徑的運(yùn)動(dòng)影響很大,才導(dǎo)致該粒徑下鰓片上表面的流速矢量分布規(guī)律與其他泥沙顆粒不同。根據(jù)連續(xù)原理[2,9]可知,不同泥沙粒徑下鰓片下表面的流場與鰓片上表面的相反。
圖10 z=0.5 cm斷面流速矢量分布
圖11 z=2.5 cm斷面流速矢量分布
圖12 z=4.5 cm斷面流速矢量分布
3.2 z方向各斷面的流速矢量分布
當(dāng)計(jì)算沉降時(shí)間為400 s時(shí),不同泥沙粒徑下z方向各斷面的流速矢量分布如圖10~12所示。當(dāng)d=0.035 mm和d=0.01 mm時(shí),z=0.5 cm斷面(清水通道斷面)、z=2.5 cm斷面(分離鰓寬方向的中間斷面)、z=4.5 cm斷面(泥沙下沉通道斷面)相應(yīng)的流速分布規(guī)律均相同。由圖10可知,當(dāng)d= 0.035 mm和d=0.01mm時(shí),各鰓片下表面的水流沿著各自鰓片下表面向上運(yùn)動(dòng),至鰓片高端匯入清水通道,再一同向上運(yùn)動(dòng);由圖12可知,當(dāng)d=0.035 mm和d=0.01 mm時(shí),各鰓片上表面的水流沿著各自鰓片上表面向下運(yùn)動(dòng),至鰓片低端匯入泥沙通道,再一同向下運(yùn)動(dòng),這與物理試驗(yàn)中所觀測到的現(xiàn)象一致[1-9],即在鰓片之間形成了橫向異重流,在整個(gè)系統(tǒng)中形成了水沙沿分離鰓邊璧的垂向異重流;而這兩種現(xiàn)象在圖11中當(dāng)d=0.035 mm和d=0.01 mm得到了完整的體現(xiàn),鰓片上下表面的水流、泥沙通道中的水流及清水通道中的水流互不干擾,各自按著相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡流動(dòng),從而達(dá)到水沙分離的目的。當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),z方向各斷面的流速矢量分布規(guī)律與其他兩個(gè)泥沙粒徑的有所不同。由圖10可知,當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),鰓片間大部分的水流斜向下運(yùn)動(dòng),只有少部分水流沿著鰓片下表面向上運(yùn)動(dòng)后進(jìn)入清水通道,分離鰓的右上角與左下角形成了順時(shí)針的漩渦;由圖12可知,當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),鰓片間大部分的水流斜向上運(yùn)動(dòng),只有少部分水流沿著鰓片上表面向下運(yùn)動(dòng)后進(jìn)入泥沙通道,分離鰓的右上角與左下角也形成了順時(shí)針的漩渦,而這兩種現(xiàn)象在圖11中當(dāng)d=0.0001 mm時(shí)完全體現(xiàn),相鄰鰓片間的水流完全混合,并形成了4個(gè)順時(shí)針的封閉的漩渦,同時(shí)在分離鰓的右上角與左下角也形成了順時(shí)針的漩渦,此時(shí)水沙不能從分離鰓中分離出來。
3.3 y方向各斷面的平均含沙量分布
圖13為不同泥沙粒徑下分離鰓y方向(高度方向)各監(jiān)測斷面的平均含沙量的分布特性。由圖13可知:①當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),平均含沙量的分布規(guī)律與0.005 mm≤d≤0.035 mm時(shí)有所不同,平均含沙量隨時(shí)間的增大而保持不變,即為一條平行于時(shí)間軸的直線。②y=5 cm與y=15 cm斷面靠近分離鰓的底端,當(dāng)0.005mm≤d≤0.035mm時(shí),平均含沙量隨時(shí)間的變化關(guān)系與y=25 cm、y=35 cm兩個(gè)段面有所不同,先隨時(shí)間的增大而增大,后隨時(shí)間的增大而減小,y值越小(越靠近分離鰓底端)水沙分離效果越明顯,這是因?yàn)樯厦娴哪嗌吵两档降撞克鸬?但不同泥沙粒徑下平均含沙量隨時(shí)間的增大或減小的幅度不同,泥沙粒徑越大,平均含沙量隨時(shí)間的變化幅度就越大,說明泥沙沉降的也就越快,從而分離鰓的沉淀效率也就越高。當(dāng)0.005 mm≤d≤0.035 mm時(shí),y=25 cm與y=35 cm兩個(gè)斷面上的平均含沙量隨時(shí)間變化規(guī)律相同,均隨著時(shí)間的延長而減小,但不同泥沙粒徑下平均含沙量減小的幅度不同,泥沙粒徑越大,平均含沙量隨時(shí)間的減小幅度就越大,同一時(shí)間下,平均含沙量就越小,即水沙分離效果就越好,當(dāng)時(shí)間為1000s、d=0.005mm時(shí)平均含沙量為9.18 kg/m3,而當(dāng)d=0.035 mm時(shí),平均含沙量幾乎為零,如圖13(d)所示。
圖13 y方向各斷面的平均含沙量分布
3.4 不同泥沙粒徑的去除率分布
圖14為某一時(shí)間y方向不同斷面、不同粒徑的去除率分布,去除率是判斷分離鰓水沙分離效果好壞的一個(gè)重要參數(shù),其表達(dá)式為
式中:η為去除率,%;S1為初始時(shí)刻某斷面的渾水含沙量,kg/m3;S2為沉降到某時(shí)刻該斷面的平均含沙量,kg/m3。當(dāng)y=15 cm斷面的去除率不小于70%時(shí),可認(rèn)為分離鰓的水沙分離效果最好,說明該斷面以上的其他斷面去除率必定大于70%,甚至靠近分離鰓頂端的斷面可達(dá)到100%,即y=15 cm斷面以上的高含沙渾水已經(jīng)成為低含沙的渾水;反之水沙分離效果則一般。
從圖14可知:①y=25 cm與y=35 cm兩個(gè)斷面的去除率隨著泥沙粒徑的增大而增大,當(dāng)去除率達(dá)到100%時(shí),表明分離鰓中的水沙分離完全;y= 5 cm與y=15 cm兩個(gè)斷面因靠近分離鰓的下端,去除率先隨泥沙粒徑的增大而保持不變,都為零,后隨泥沙粒徑的增大而增大,當(dāng)水沙分離完全時(shí),又保持不變。②當(dāng)0.0001 mm≤d<0.005 mm時(shí),4個(gè)不同斷面的去除率都在23%以下,且d=0.000 1 mm時(shí)的去除率全為零,說明分離鰓不能處理這種粒徑的泥沙;當(dāng)0.005 mm≤d<0.015 mm時(shí),在同一粒徑下,y越大去除率越高,即越靠近分離鰓的上端,其水沙分離效果就越好,就越容易獲得清水,分離鰓處理這樣的泥沙效果一般;當(dāng)0.015 mm≤d≤0.035 mm時(shí),在同一粒徑下,y越大去除率就越高或?yàn)?00%,且在同一斷面上相對于其他泥沙粒徑去除率要大很多,說明分離鰓處理這類泥沙效果最好。
圖14 y方向各斷面不同泥沙粒徑的去除率分布
a.在同一鰓片上,當(dāng)0.005 mm≤d≤0.035 mm時(shí),鰓片上表面的流速分布規(guī)律一致,同樣鰓片下表面的流速分布規(guī)律也一致;當(dāng)d=0.0001 mm時(shí),鰓片上、下表面的流速分布規(guī)律則與0.005 mm≤d≤0.035 mm時(shí)有所不同。當(dāng)0.000 1 mm≤d≤0.035 mm時(shí),不同鰓片的流速分布規(guī)律有所不同,這與鰓片在分離鰓中的位置有關(guān)。
b.當(dāng)0.005 mm≤d≤0.035 mm時(shí),z=0.5 cm斷面、z=2.5 cm斷面和z=4.5 cm斷面相應(yīng)的流速分布規(guī)律均相同;當(dāng)d=0.000 1 mm時(shí),z方向這3個(gè)斷面的流速分布規(guī)律則與之不同。
c.當(dāng)0.015 mm≤d≤0.035 mm時(shí),分離鰓處理泥沙效果最好。
[1]邱秀云,龔守遠(yuǎn),嚴(yán)躍成,等.一種新型水沙分離裝置的研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(1):68-70. (QIU Xiuyun,GONG Shouyuan,YAN Yaocheng,et al. The research on a new separator device for water-sediment [J].Journal of Xinjiang Agricultural University,2007,30 (1):68-70.(in Chinese))
[2]朱超,邱秀云,嚴(yán)躍成.垂向異重流式水沙分離鰓水沙分離機(jī)理淺析[J].水利水電科技進(jìn)展,2009,29(5): 20-23.(ZHU Chao,QIU Xiuyun,YAN Yaocheng.Analysis of mechanism of vertical-component density flow watersediment separation device[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(5):20-23.(in Chinese))
[3]陶洪飛,邱秀云,何照青,等.含沙量對分離鰓的水沙分離影響試驗(yàn)[J].水電能源科學(xué),2013,31(7):93-95. (TAO Hongfei,QIU Xiuyun,HE Zhaoqing,et al.Sediment concentration on water-sediment separation effect test of separation device[J].Water Resources and Power,2013, 31(7):93-95.(in Chinese))
[4]朱超,邱秀云,劉艷.垂向異重流式水沙分離鰓鰓片型式對水沙分離的影響研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,31(6):72-75.(ZHU Chao,QIU Xiuyun,LIU Yan. Effects of gill-piece pattern of vertical-component density flow water-sediment separation device on water sand separation[J].JournalofXinjiangAgricultural University,2008,31(6):72-75.(in Chinese))
[5]陶洪飛,邱秀云,李衛(wèi)鵬,等.分離鰓最優(yōu)鰓片間距的靜水沉降試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2013,33(4):49-53.(TAO Hongfei,QIU Xiuyun,LI Weipeng,et al.The static water settlement test of optimal gill piece spacing in gill piece separation device[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(4):49-53.(in Chinese))
[6]張翔,邱秀云,李琳,等.垂向異重流式分離鰓在動(dòng)水中的集成試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33 (4):359-362.(ZHANG Xiang,QIU Xiuyun,LI Lin,et al.A study on integrated experiment in dynamic water of separation device with vertical density flow[J].Journal of Xinjiang Agricultural University,2010,33(4):359-362. (in Chinese))
[7]張翔,邱秀云,李琳,等.垂向異重流式分離鰓在靜水中的集成試驗(yàn)[J].水 利 水 運(yùn) 工 程 學(xué) 報(bào),2011(2): 89-93.(ZHANG Xiang,QIU Xiuyun,LI Lin,et al. Integration experiments of vertical-component density flow water-sediment separation device in still water.Hydro-Science and Engineering,2011(2):89-93.(in Chinese))
[8]嚴(yán)躍成,邱秀云,張翔,等.兩相流分離鰓泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡及加速滑移的力學(xué)分析[J].水利水電科技進(jìn)展,2011, 31(5):27-29.(YAN Yaocheng,QIU Xiuyun,ZHANG Xiang,et al.Mechanical analysis of sediment motion path and accelerated slip on two-phase flow separation device [J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(5):27-29.(in Chinese))
[9]羅菲.兩相流分離鰓的水沙流場數(shù)值模擬[D].新疆:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.
[10]趙麗娜,邱秀云,陳鉑,等.兩相流水沙分離鰓流場的PIV測試及分析[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(2): 144-148.(ZHAO LIna,QIU Xiuyun,CHEN Bo,et al.Test and analysis on flow field in a two-phase flow watersediment separation device by piv techniques[J].Journal of Xinjiang Agricultural University,2012,35(2):144-148.(in Chinese))
[11]陶洪飛,邱秀云,郝永志,等.兩種新型分離鰓沉淀池沉淀試驗(yàn)及沉降效果研究[J].水電能源科學(xué),2012,30 (8):132-135.(TAOHongfei,QIUXiuyun,HAO Yongzhi,etal.Experimentalresearchoftwonew sedimentation tanks[J].water resources and power,2012, 30(8):132-135.(in Chinese))
[12]陶洪飛,邱秀云,徐志宗,等.敞開式分離鰓沉淀池試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(5):24-28.(TAO Hongfei,QIU Xiuyun,XU Zhizong,et al.An experiment of separation deviceinopensedimentationtank[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2012,32(5):24-28.(in Chinese))
[13]陶洪飛,邱秀云,趙麗娜,等.水沙分離鰓內(nèi)部流場數(shù)值模擬與驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(17):38-46. (TAO Hongfei,QIU Xiuyun,ZHAO Lina,et al.Numerical simulation and PIV display of internal flow field in gillpiece separation device[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(17):38-46. (in Chinese))
Three-dimensional numerical simulation of internal flow field in gill-sheet separation device under different sediment grain size//
TAO Hongfei1,QIU Xiuyun1,LI Qiao1,SU Jianjiang2
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang AgriculturalUniversity,Urumqi 830052,China;2.GuodianXinjiangJilintaiHydropower Development Co.,Ltd.,Yili 835716,China)
Three-dimensional numerical simulation adopting the laminar model and Euler model were conducted to the flow field of water-sediment two-phase in gill-sheet separation device to study how the sediment grain size effects upon velocity field and water-sediment separation by using PC-SIMPLE algorithm.The results show that the velocity flow is the same in the gill-sheet separation device when sediment grain size ranges from 0.005mm to 0.035mm and when the it is different the sediment grain size is 0.000 1 mm.The best performance is observed when gill-sheet separation device handles sediment grain size that ranges from 0.015mm to 0.035 mm.Additionally,the greater sediment grain size is,the higher removal is. Meanwhile the faster the water-sediment separation is.
sediment grain size;gill-sheet separation device;Eulerian model;removal;numerical simulation
TV14;TV131.3
:A
:1006-7647(2014)05-0017-07
10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.004
2013-0627 編輯:周紅梅)
國家自然科學(xué)基金(50969009);國家星火計(jì)劃(2012GA890002);新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科基金(xjslgczdxk20101202)
陶洪飛(1987—),男,四川南充人,博士研究生,主要從事計(jì)算水力學(xué)及河流泥沙工程研究。E-mail:304276290@qq.com
邱秀云(1955—),女,江蘇泗陽人,教授,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:wlmqqxy@sina.com