不同顆粒屬性下旋流閥固液兩相管道流動特性

馬光飛，季健康，丁鵬，毛偉,方勇

(1. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所/水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310012； 2. 浙江理工大學(xué)流體傳輸系統(tǒng)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018； 3. 流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué)), 四川 成都 610039; 4. 博雷(中國)控制系統(tǒng)有限公司，浙江 杭州 311200)

近年來，由于氣候環(huán)境變化異常，局部暴雨事件頻發(fā)，引發(fā)的城市內(nèi)澇問題也越來越多，不僅使原有管路系統(tǒng)的過流能力超出了規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也使得排水系統(tǒng)中管道底部的沉積物大量增多[1]，這給國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活、工農(nóng)業(yè)污水排放等造成了嚴(yán)重的影響. 因此，城市雨水管道污染問題已引起了相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注[2].

當(dāng)前，普遍采用的處理方式是規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施截流裝置及截流系統(tǒng)，如截流堰、限流封板、翻板閘等傳統(tǒng)截流裝置，但是上述截流裝置都存在著不同程度的缺陷[3-4],如不能根據(jù)集水井中的水位變化調(diào)節(jié)流量、截污流量小等. 為了能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)排水系統(tǒng)的截流控污能力，且不需對原有管路系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，就可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)有效調(diào)節(jié)污水處理廠的處理負(fù)荷，文中基于流體的渦流運(yùn)動特性，以自行設(shè)計(jì)的旋流閥為研究對象，采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析不同顆粒屬性下，旋流閥在污水排放管道系統(tǒng)中的內(nèi)部流動特性、顆粒運(yùn)動軌跡分布等，為避免城市排水管道污染物沉積現(xiàn)象提供一種新的方法.

1 物理模型

旋流閥用于城市污水排放管道系統(tǒng)，工作原理是利用放置旋流閥集水井中水位的變化，產(chǎn)生偏心的旋流氣柱或者渦旋流，影響旋流閥出口管道中水流的過流面，產(chǎn)生旋流截流效應(yīng)，起到截流控污功能.

文中研究的旋流閥，主要由前后蓋板、蝸殼型腔體、流體進(jìn)口、接通集水井管道的出口構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.旋流閥的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：進(jìn)口高度為230 mm，基圓直徑D為460 mm，寬度L為150 mm，旋流閥出口直徑為200 mm.

圖1 旋流閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值計(jì)算方法

采用計(jì)算流體動力學(xué)軟件FLUENT[5-6]進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，由于研究對象旋流閥應(yīng)用于集水井(檢查井)中，其內(nèi)部流動并不是簡單的單相流動，而是多相組分流動.因此，為了研究旋流閥內(nèi)部的固液兩相流動特性，減少試驗(yàn)成本，文中的數(shù)值計(jì)算先進(jìn)行氣液兩相流動研究，當(dāng)流場穩(wěn)定后，進(jìn)行固液兩相流動數(shù)值計(jì)算，并分析旋流閥內(nèi)部的固液兩相流動特性[7-9].

2.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在Solidworks軟件中進(jìn)行旋流閥管路系統(tǒng)的三維建模，利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 為了使湍流流動得到充分發(fā)展，上游管道長度設(shè)為管道進(jìn)口直徑的5倍,下游管道長度設(shè)為出口直徑的10倍.數(shù)值模型選擇非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分.整個流道網(wǎng)格和旋流閥網(wǎng)格見圖2，圖中D1為流體進(jìn)口直徑，D2為流體出口直徑.

流體進(jìn)口采用速度進(jìn)口，進(jìn)口速度vl為2 m/s，進(jìn)口全部為水，水的密度ρl=998.2 kg/m3，黏度為1.005 0×10-3Pa·s；流體出口采用壓力出口，直接通大氣；氣體密度ρg=1.205 kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa·s；顆粒密度ρp分別為2 650，2 300，1 900 kg/m3，粒徑dp為10，200 μm. 顆粒進(jìn)口速度vp與水流速度vl相同，用雙噴嘴模型. 旋流閥入口處采用交界面interface進(jìn)行定義，數(shù)值計(jì)算時(shí)間步長0.001 s.

2.2 控制方程和求解方法

基于流體質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、流體體積函數(shù)模型(VOF model)[10]的多相流動方程及重整化群湍流方程(RNGk-ε)[11]、顆粒軌跡追蹤模型(DPM)[12-13]，進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬計(jì)算. 采用拉格朗日顆粒軌跡追蹤模型，顆粒與壁面碰撞前后的粒子反彈恢復(fù)系數(shù)取1. 速度壓力耦合采用PISO算法進(jìn)行求解，計(jì)算收斂殘差為10-5.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

主要研究旋流閥置于污水管道系統(tǒng)中，不同顆粒屬性下管道系統(tǒng)內(nèi)部的固液兩相流動特性，重點(diǎn)分析了在不同顆粒密度下，小粒徑(10μm)顆粒和大粒徑顆粒(200μm)混合存在時(shí)，旋流閥系統(tǒng)內(nèi)的顆粒速度分布、顆粒粒徑分布、流體速度場分布和壓力場分布、流體出口流量、整個管路的阻力系數(shù)，研究成果可為旋流閥應(yīng)用于城市污水管道系統(tǒng)的截流提供一定的理論依據(jù).

3.1顆粒速度分布

圖3a，3b，3c為不同顆粒密度下，顆粒粒徑10，200μm時(shí)，顆粒速度vp分布圖. 從圖3中可以看出，顆粒經(jīng)過旋流閥后，顆粒速度增加，顆粒的速度分布有螺旋型特征，產(chǎn)生了旋流加速.

圖3 顆粒速度分布

相同密度下，小粒徑的顆粒在流場中的速度分布比較集中；大粒徑的顆粒速度分布比較分散，這說明顆粒從液相流體中獲得的速度，小粒徑的顆粒比大粒徑的顆粒集中，跟隨性更好. 隨著顆粒密度的增加，顆粒速度分布的集中性變差，大粒徑的顆粒分布不集中的特性更加明顯.

在不同顆粒粒徑和顆粒密度下，經(jīng)過旋流閥后，顆粒速度分布的集中性均減弱，即下游管道中顆粒速度分布的集中程度弱于上游管道和集水井中顆粒速度分布的集中程度，這說明旋流閥的存在使得下游管道中顆粒的存在量減少，旋流閥的旋流加速有利于固相顆粒的旋流清洗.

大粒徑的顆粒密度越大，即在集水井中，旋流閥以下的部分，顆粒速度較大，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)顆粒受到的重力較大，產(chǎn)生了加速沉降效應(yīng).

無論顆粒粒徑和顆粒密度如何，在集水井底部，顆粒速度分布有很薄的一層沉積，這說明旋流閥的存在對集水井中的顆粒速度分布產(chǎn)生了影響，使顆粒在集水井中發(fā)生了沉積，這有利于減少固相顆粒的流出，降低了污水管道發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn).

3.2 顆粒粒徑-速度分布

圖4為雙injection模型時(shí)，不同顆粒密度、混合顆粒粒徑下，顆粒粒徑-速度分布圖. 從圖中可以看出，當(dāng)顆粒密度較小時(shí)，顆粒粒徑的分布與顆粒速度分布基本一致，但是當(dāng)顆粒密度增大時(shí)，顆粒粒徑的分布與顆粒速度的分布不再一致，這說明，顆粒密度的變化影響著顆粒粒徑的分布.同時(shí)，顆粒密度越大，顆粒運(yùn)動需要從流體獲得的速度就越大，產(chǎn)生的阻礙作用越大.在顆粒混合流動中，不同顆粒密度下，粒徑10，200 μm的顆粒，均可以獲得旋流加速；在集水井底部，粒徑10，200 μm的顆粒，均有很薄的1層沉積，這再次說明旋流閥的存在對集水井中的顆粒分布產(chǎn)生了影響，減少了管道中的固相顆粒數(shù)，從而具有減緩管道堵塞的能力.

圖4 顆粒粒徑-速度分布

3.3 流體速度流線

圖5為不同顆粒密度下，x=300 mm截面，雙injection模型時(shí)，液相流體的速度流線分布圖.

從圖5中可以看出，在所有顆粒密度下，旋流閥內(nèi)部的速度流線，以偏離旋流閥基圓中心的圓形(即偏心圓)為中心向外旋轉(zhuǎn)分布.偏離基圓中心的圓(即偏心圓)中心速度較小，之后向外先增大后減小，這說明顆粒獲得的旋流加速來自于旋流閥內(nèi)部流體的旋轉(zhuǎn)加速.顆粒密度大小不同，旋流閥速度流線的偏心圓的中心位置不同，顆粒密度越大，偏心圓的中心越低.圖6為不同顆粒密度下，z=0 mm截面，雙injection模型時(shí)，液相流體的速度流線分布圖. 從圖中可以看出，整個流場中產(chǎn)生了大小不同的旋渦渦流，密度越大，渦流旋渦區(qū)域越大.顆粒速度的分布與流體流場的分布具有一致性，存在渦流的位置，流體速度較小，顆粒不容易進(jìn)入. 渦流的區(qū)域影響著顆粒在流場中的分布區(qū)域，渦流區(qū)域延伸越大，顆粒的分布就越少.

圖5 x=300 mm截面流體速度流線分布

圖6 z=0 mm截面流體速度流線分布

3.4 流體壓力分布

圖7為不同顆粒密度下，x=300 mm截面，雙injection模型時(shí)液相流體的壓力云圖分布. 從圖中可以看出，所有顆粒密度下，旋流閥內(nèi)部會形成偏離基圓中心的低壓(即偏心低壓區(qū)域).由于局部低壓的存在，會在旋流閥內(nèi)部形成旋流空化，產(chǎn)生阻流作用，從而影響液體的過流能力，起到旋流截流的作用. 同時(shí)，壓力能降低，動能將會增加，顆粒獲得旋流流速，有利于顆粒物的加速旋轉(zhuǎn)流出. 在不同顆粒密度下，旋流閥內(nèi)部的壓力分布不同，偏心低壓區(qū)域的大小不同. 顆粒密度越大，低壓區(qū)域越大.

圖7 x=300 mm截面的流體壓力云圖分布

圖8為不同顆粒密度下，z=0 mm截面，雙injection模型時(shí)液相流體的壓力云圖分布情況. 從圖8中可以看出，在所有顆粒密度下，旋流閥中間部分和旋流閥出口段的管道內(nèi)，壓力均較低，在旋流閥內(nèi)部中間區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，這再次說明旋流閥內(nèi)部會產(chǎn)生局部低壓區(qū)域，形成空化氣柱，且空化氣柱具有相當(dāng)長的延伸性，這將會延伸旋流閥的旋流流動特性. 不同顆粒密度下，z=0 mm截面，旋流閥前面的液相流體壓力分布基本相同，但是，經(jīng)過旋流閥的作用，液相流體壓力分布發(fā)生明顯變化.這說明顆粒密度變化對液相流體壓力場分布的影響是由旋流閥的作用引起的.

圖8 z=0 mm截面的流體壓力云圖分布

3.5 出口流量和阻力系數(shù)

圖9為旋流閥下游管道出口的質(zhì)量流量變化圖，圖中Qout為出口質(zhì)量流量，dp=0表示沒有顆粒. 從圖中可以看出，無論是否存在顆粒，旋流閥均會產(chǎn)生旋流截流作用. 顆粒密度越小，出口質(zhì)量流量越接近無顆粒時(shí)的質(zhì)量流量. 隨著顆粒密度增大，出口質(zhì)量流量先增大后減小. 這些都說明，在旋流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定后，在顆粒粒徑為10，200 μm，顆粒密度2 650，2 300，1 900 kg/m3時(shí)，旋流閥均具有良好的旋流截流特性，有助于降低管道顆粒物在污水管道中的含量.

圖9 旋流閥出口質(zhì)量流量變化

管道阻力系數(shù)是衡量管道能量損失的指標(biāo)，阻力系數(shù)值越大，說明管道流通能力越小，流體流動損失的壓力能越大，其公式為

(1)

式中：Δp為管道進(jìn)出口壓力損失，kPa；γ為固相介質(zhì)密度與水的密度的比值，稱為比重；v為管道中進(jìn)口截面上的平均流速，m/s.

圖10為不同顆粒密度時(shí)，雙injection模型管道阻力系數(shù)線形圖. 從圖中可以看出，隨著顆粒密度的增加，整個管路中的阻力系數(shù)增加，這說明顆粒密度越大，消耗的流體動能越大，需要更大的旋流加速才可以將其從管路中帶走. 因此，設(shè)計(jì)產(chǎn)生更大的旋流速度的旋流閥，將有利于實(shí)現(xiàn)其旋流截流特性，增加下游管道的顆粒遷移能力.

圖10 阻力系數(shù)曲線

3.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)驗(yàn)證在水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所)水利機(jī)械及其再制造技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行. 由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，改造實(shí)驗(yàn)室成本較大，因此，文中的試驗(yàn)驗(yàn)證直接用已經(jīng)受污染的水源進(jìn)行研究分析.圖11為污染水源中雜質(zhì)的運(yùn)動現(xiàn)象.

圖11 污染水源中雜質(zhì)的運(yùn)動現(xiàn)象

從圖可以看出，由于旋流閥的存在，在其內(nèi)部形成了旋流氣柱，這證明了文中數(shù)值模擬壓力場分析的準(zhǔn)確性.在旋流閥及其系統(tǒng)中，含有的雜質(zhì)會在旋流的作用下旋轉(zhuǎn)起來，加速排出，最終消失在旋流閥中，這說明旋流閥的旋流作用可以使顆粒物獲得加速，以旋流的方式運(yùn)動，證明了文中數(shù)值模擬的結(jié)果，旋流閥使顆粒物獲得了加速.

4 結(jié) 論

1) 經(jīng)過旋流閥后，管路系統(tǒng)中的顆粒在旋流的作用下，速度增加.相同密度下，對于小粒徑顆粒，顆粒在流場中的速度分布較集中；大粒徑顆粒速度分布較不集中；小粒徑顆粒從流體獲得的速度較大，跟隨性較好.顆粒密度增加，顆粒速度分布集中性變差；對于大粒徑顆粒，速度分布的集中性比小粒徑顆粒差.在經(jīng)過旋流閥后，顆粒速度分布減少，管道中顆粒的含量減少，旋流閥的旋流加速有利于固相顆粒在下游管道中的遷移運(yùn)動.

2) 旋流閥內(nèi)部速度流線分布、壓力分布，以偏離旋流閥基圓中心的圓形(即偏心圓)向外旋轉(zhuǎn)分布.偏心圓的中心流體速度較小，之后向外先增大后減小，顆粒獲得的旋流加速來自于旋流閥內(nèi)部流體的旋轉(zhuǎn)加速.顆粒密度不同，旋流閥速度流線的偏心圓位置不同，密度越大，中心越低.在旋流閥內(nèi)部會形成偏離基圓中心的低壓(即偏心低壓區(qū)域)，由于局部低壓的存在，旋流閥中心會形成旋流空化氣柱，產(chǎn)生阻流作用，壓力能向動能發(fā)生轉(zhuǎn)化，增加了旋流流速，有利于顆粒物的加速旋轉(zhuǎn)流出.

3) 整個流場中產(chǎn)生了大小不同的旋渦渦流，密度越大，渦流旋渦區(qū)域越大.顆粒速度的分布與流體流場的分布具有一致性.存在渦流的位置，流體速度較小，顆粒不容易進(jìn)入.渦流的區(qū)域影響著顆粒在流場中的分布區(qū)域，渦流區(qū)域延伸越大，顆粒存在量就越少.無論是否存在顆粒，旋流閥均會產(chǎn)生旋流截流.

4) 通過對已經(jīng)含有雜質(zhì)的水體進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以發(fā)現(xiàn)，由于旋流閥的存在，在其內(nèi)部形成了旋流氣柱.在旋流閥及其系統(tǒng)中，含有的雜質(zhì)會在旋流的作用下旋轉(zhuǎn)起來.驗(yàn)證了數(shù)值模擬中旋流閥的旋流空化和旋流加速特性.