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,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,運用PC-SIMPLE算法,對分離鰓內(nèi)的水沙兩相流流場進行了三維數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明:當泥沙粒徑d=0.0001 mm時,分離鰓內(nèi)的流場與其他泥沙粒徑時有所不同;當0.005 mm≤d≤0.035 mm時,分離鰓內(nèi)不同粒徑泥沙水流的流場相同;當0.015 mm≤d≤0.035 mm時,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重的國家之一。據(jù)觀測資料統(tǒng)計,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的特點,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,灌溉時常常會發(fā)生噴頭或滴灌頭流道堵塞的問題,嚴重制約了噴、滴灌等先進節(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、造價低廉及運行費低等特點,同時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[1-12]可知,目前分離鰓已做了如下研究:通過系列模型試驗和理論分析,探明了分離鰓的分離機理以及分離鰓內(nèi)水沙分離的水流結(jié)構(gòu),并對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化;運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)用于實際工程的集成形式,并對此形式進行了室內(nèi)模型集成試驗與室外大比尺試驗。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[13]通過流體軟件Fluent模擬了分離鰓內(nèi)水沙兩相流流場,對計算結(jié)果與粒子圖像測速(particle Image velocimetry,PIV)的測試結(jié)果進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 模型建立

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,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相的體積分數(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,因此動量守恒方程中不包含升力;泥沙(第q相)的密度遠大于水(第p相)的密度,虛擬質(zhì)量力可忽略不計,則動量守恒方程為

其中

式中:t為時間;vq為第q相的流速矢量;p′為水與沙共同承擔的壓力;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,其計算公式如下:

其中

式中:Kqp為相間動量交換系數(shù);φp為第p相的體積分數(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為流體的動力黏滯系數(shù)。

1.3 計算方法

分離鰓的計算區(qū)域和基本控制方程的離散采用有限體積法[13]。考慮減小數(shù)值模擬的計算工作量和保證計算精度,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81714個。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。對歐拉多相流計算,采用PC-SIMPLE算法來計算離散后的線性代數(shù)方程組,各方程計算精度均為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動,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軸負方向無波動現(xiàn)象,可以認為流速及其他各個變量沿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)及運行效果

初始化時,設(shè)置時間步長為0.0001 s,求解時間步數(shù)為1×106,每個時間步數(shù)最多的迭代次數(shù)為200。時間步數(shù)為0～1000時,各方程的殘差線波動很大,1000步以后波動很小;當時間步達到20 000時,殘差線都在數(shù)值0.001以下,說明各方程的計算精度均達到0.001,各方程已經(jīng)收斂;隨著進一步的求解計算,收斂效果更好,此時可適當增大時間步長,以減少計算時間。

2 監(jiān)測面與工況設(shè)置

為得到不同泥沙粒徑下分離鰓中的泥沙分布特性,在數(shù)值模擬計算過程中應(yīng)監(jiān)測y方向(高度方向)的平均含沙量與時間的關(guān)系,以便對數(shù)值計算結(jié)果進行分析和對比,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,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,已有的試驗表明分離鰓在處理細顆粒泥沙時能體現(xiàn)出其優(yōu)越性,故按表1中的不同工況進行數(shù)值模擬計算。

表1 泥沙粒徑的工況設(shè)置

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

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。

當計算沉降時間為400 s時,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d=0.035 mm和d=0.01 mm時,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d=0.0001mm時,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d=0.035 mm和d=0.01 mm時,鰓片1上表面的水流先以傾斜角α沿鰓片短邊向下滑動,當滑至鰓片長邊時以傾斜角β貼壁向下滑動;當d=0.0001 mm時,鰓片上表面的水流完全呈放射狀。從圖4和圖5可看出,當d=0.035 mm和d=0.01 mm時,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,從而這兩個鰓片上表面右上角的流速呈向內(nèi)放射狀;當d=0.000 1 mm時,鰓片3與鰓片5上表面的水流在鰓片高端區(qū)域形成順時針漩渦,低端區(qū)域則有部分水流以傾斜角β向下滑動。

從圖6和圖7可知,當d=0.035 mm和d= 0.01 mm時,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,當流至鰓片長邊時以傾斜角β貼壁向上流動,但因清水通道中上升水流的影響,從而這兩個鰓片下表面左下角的流速呈向內(nèi)放射狀;當d=0.000 1 mm時,鰓片1與鰓片3下表面的水流在鰓片低端區(qū)域形成順時針的漩渦,高端區(qū)域則有部分水流以傾斜角β向上流動。從圖8中可看出,當d=0.035mm和d=0.01mm時,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d=0.000 1 mm時,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,其受力狀態(tài)如圖9所示。水流阻力FD與摩阻力Ff與泥沙運動方向相反;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?；破饎幽Ｊ?當滿足0.707W＞FD+Ff時,泥沙顆粒便在鰓片的長邊滑動;當0.01mm≤d≤0.035 mm時,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在有效重力作用下克服阻力,在鰓片上表面滑動至泥沙通道中,對于鰓片2、3、4、5的上表面而言,因同時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d=0.0001 mm時,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,此時上舉力FL占主導(dǎo)地位,同時泥沙通道及清水通道中的水流對小粒徑的運動影響很大,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

當計算沉降時間為400 s時,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d=0.035 mm和d=0.01 mm時,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d= 0.035 mm和d=0.01mm時,各鰓片下表面的水流沿著各自鰓片下表面向上運動,至鰓片高端匯入清水通道,再一同向上運動;由圖12可知,當d=0.035 mm和d=0.01 mm時,各鰓片上表面的水流沿著各自鰓片上表面向下運動,至鰓片低端匯入泥沙通道,再一同向下運動,這與物理試驗中所觀測到的現(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)的運動軌跡流動,從而達到水沙分離的目的。當d=0.0001 mm時,z方向各斷面的流速矢量分布規(guī)律與其他兩個泥沙粒徑的有所不同。由圖10可知,當d=0.0001 mm時,鰓片間大部分的水流斜向下運動,只有少部分水流沿著鰓片下表面向上運動后進入清水通道,分離鰓的右上角與左下角形成了順時針的漩渦;由圖12可知,當d=0.0001 mm時,鰓片間大部分的水流斜向上運動,只有少部分水流沿著鰓片上表面向下運動后進入泥沙通道,分離鰓的右上角與左下角也形成了順時針的漩渦,而這兩種現(xiàn)象在圖11中當d=0.0001 mm時完全體現(xiàn),相鄰鰓片間的水流完全混合,并形成了4個順時針的封閉的漩渦,同時在分離鰓的右上角與左下角也形成了順時針的漩渦,此時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d=0.0001 mm時,平均含沙量的分布規(guī)律與0.005 mm≤d≤0.035 mm時有所不同,平均含沙量隨時間的增大而保持不變,即為一條平行于時間軸的直線。②y=5 cm與y=15 cm斷面靠近分離鰓的底端,當0.005mm≤d≤0.035mm時,平均含沙量隨時間的變化關(guān)系與y=25 cm、y=35 cm兩個段面有所不同,先隨時間的增大而增大,后隨時間的增大而減小,y值越小(越靠近分離鰓底端)水沙分離效果越明顯,這是因為上面的泥沙沉降到底部所引起的;但不同泥沙粒徑下平均含沙量隨時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0.005 mm≤d≤0.035 mm時,y=25 cm與y=35 cm兩個斷面上的平均含沙量隨時間變化規(guī)律相同,均隨著時間的延長而減小,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,平均含沙量隨時間的減小幅度就越大,同一時間下,平均含沙量就越小,即水沙分離效果就越好,當時間為1000s、d=0.005mm時平均含沙量為9.18 kg/m3,而當d=0.035 mm時,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重要參數(shù),其表達式為

式中:η為去除率,%;S1為初始時刻某斷面的渾水含沙量,kg/m3;S2為沉降到某時刻該斷面的平均含沙量,kg/m3。當y=15 cm斷面的去除率不小于70%時,可認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兩個斷面的去除率隨著泥沙粒徑的增大而增大,當去除率達到100%時,表明分離鰓中的水沙分離完全;y= 5 cm與y=15 cm兩個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,當水沙分離完全時,又保持不變。②當0.0001 mm≤d＜0.005 mm時,4個不同斷面的去除率都在23%以下,且d=0.000 1 mm時的去除率全為零,說明分離鰓不能處理這種粒徑的泥沙;當0.005 mm≤d＜0.015 mm時,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0.015 mm≤d≤0.035 mm時,在同一粒徑下,y越大去除率就越高或為100%,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

4 結(jié) 論

a.在同一鰓片上,當0.005 mm≤d≤0.035 mm時,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d=0.0001 mm時,鰓片上、下表面的流速分布規(guī)律則與0.005 mm≤d≤0.035 mm時有所不同。當0.000 1 mm≤d≤0.035 mm時,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0.005 mm≤d≤0.035 mm時,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d=0.000 1 mm時,z方向這3個斷面的流速分布規(guī)律則與之不同。

c.當0.015 mm≤d≤0.035 mm時,分離鰓處理泥沙效果最好。

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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);國家星火計劃(2012GA890002);新疆水利水電工程重點學(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)及河流動力學(xué)研究。E-mail:wlmqqxy@sina.com