单鳃片分离鳃有进出流时的水沙流场三维数值模拟

罗 菲，姜泉泉，郭 华，邱秀云，李 琳

(1.水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000;2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052;3.国电新疆吉林台水电开发有限公司，新疆乌鲁木齐 830001)

0 引言

垂向异重流式混合流体分离鳃净水装置(见图1，文中简称为“装置”)是新疆农业大学水利与土木工程学院水力学教研室课题组成员研制出的一种新型的水沙分离装置［1］.通过室内试验，利用该装置处理含细沙的粘土的浑水，在不添加任何化学药剂的情况下，泥沙沉降速度是泥沙在静态下沉降速度的1.9～3.7倍，与添加化学药剂后泥沙沉降速度相近［2-4］.而用该装置得到的清水对人体健康无害，排出的泥沙也不会对周边环境造成污染，同时也降低了分离清水的投资成本，是一种替代絮凝沉淀池的绿色环保的分离装置.

实际工程中，“装置”是悬挂在沉淀池中［5-7］，这样对一个单体分离鳃来说，就增加了进流口和出流口边界.因此，本文利用RNG k-ε两方程紊流模型和简化的多相流Mixture模型，对有进出流时的“装置”内水沙两相流流场进行数学模拟，将其计算结果与无进出流时的“装置”［8-9］进行对比，分析“装置”的水沙分离机理.

1 数学模型

本文采用混合物(mixture)模型［10］和 RNG k-ε紊流模型［13］.混合物(mixture)模型是一种简化的多相流模型，它假定在短空间尺度上局部平衡，来求解混合相的动量、连续性和能量方程，第二相的体分率以及滑移速度和漂移速度.RNGk-ε紊流模型由Yakhot和 Orszag应用“renormalizationgroup”(重整化群)的数学方法建立的，它考虑了紊流漩涡，提高了计算精度，并且可以正确处理近壁区域，适用于分层流和浮力流.

2 数值方法及边界条件

2.1 物理模型

图1为“垂向异重流式混合流体分离鳃”净水装置的示意图.装置为矩形管状鳃，由鳃管、鳃片构成，分离鳃内布置五个鳃片.本文物理模型采用试验优化的结构尺寸［2-4］，长方向a=10，宽方向b=4，高方向c=40，鳃片与宽方向构成的角度α=60°，与长方向构成的角度β=45°.鳃片以双斜式固定在矩形鳃管长方向的两侧壁上，构成三角形排沙及过清水的横断面，但与宽方向的两侧壁之间保持有一定的距离，即鳃片与管壁之间构成清水上升和泥沙下降的互不干扰的道.

图1 “装置”示意图

2.2 数值方法及网格划分

本文控制方程的离散采用了控制容积积分法［11］，流项的离散格式采用二阶迎风格式，压力与速度耦合方程使用Simple算法进行求解，使用经优化后的非结构性网格，网格数为8.748 7万个.

2.3 边界条件

(1)进口边界 进口为孔口进水，视为均匀来流，取来流方向为z方向，故进口边界条件为:

进口1:U=0，V=0，W=-w;

进口2:U=0，V=0，W=w

其中:U、V、W—分别为 x、y、z方向的分速度;

w—进口断面的平均流速.根据试验进流量和进口断面面积确定其大小，在本文模拟的工况下，w=0.019 m/s.

(2)出口边界 出口包括排沙底孔和上端清水出口.上端溢流表面所连接的出口采用压力边界条件，出流和大气相通，为大气压;排沙底孔的水流方向相对比较复杂，将其设置为压力出口，出流和大气相通，为大气压.

(3)固体壁面 分离鳃边壁、底部及分离鳃片均为固壁，其边界条件按固壁定律处理，壁面处为无滑移边界，对靠近壁面区域采用标准壁面函数.

(4)自由表面 分离鳃上部溢流表面的水面几乎没有变化，基本上是一水平面，故采用“刚盖假定”［15］，在自由表面上运用对称边界条件来处理，即在自由面上可认为垂向流速为零.

2.4 初始条件

计算介质为水和沙，主相为水，密度为998 kg/m3;次相为沙，假定颗粒为球形，平均粒径为0.015 mm，密度为 2 650 kg/m3.浑水质量浓度为100.8 kg/m3.

3 计算结果与分析

3.1 同一时间步长沿宽方向不同剖面的速度分布

图2、图3为t=500时间步长沿宽方向(z方向)不同剖面的速度矢量图、速度云图，其z值沿鳃片自高向低分别取z=0.005 m、z=0.020 m和z=0.035 m.由图清晰可见，“装置”内部流场存在绕两侧通道运动的垂向异重流和绕鳃片上、下表面运动的横向异重流.鳃片上下侧各有一个顺时针涡旋，这与未设进出口的单鳃片紊流模型［8-9］的流场分布一致.两侧通道、鳃片表面及进出口流速较大，最大流速值为 0.102 m/s，平均流速值为 0.012 m/s.

图2 沿宽(z)方向不同剖面的速度矢量分布图

图3 沿宽(z)方向不同剖面的速度云图

3.2 同一剖面在不同时间步长的速度分布变化

分离鳃取中间剖面进行分析，即:z=0.005 m、z=0.020 m、z=0.035 m，得到分离鳃在 t=100、t=400、t=800、t=1 100、t=1 807 时间步长的流速分布，见图4.

由图可见，在t=100时间步长，分离鳃开始沉降的时间较短，流速增幅不大，由于初始时刻速度为零，此时分离鳃内流速较小，但进口流速是一个定值，为0.019 m/s，远远大于其内部流速，因此鳃片周围的流场较紊乱，受进口流速影响较大.沉降一段时间后，从t=400及t=800时间步长的流速分布图上，可以看到分离鳃内流场已出现有利于浑水分离的垂向异重流和横向异重流现象，此时泥沙加速沉降，流场分布与未设置进出管的分离鳃是一致的.但与之不同的是，进出口的设置多少都会对内部流场有一定影响，图上显示，分离鳃进出口处存在小涡流，但并不会破坏异重流，影响分离效率.在t=1 100时间步长，分离鳃上下侧的大涡流消失，但进出口处的小涡流仍然存在，此时，已经渐渐稳定.未设进出流的分离鳃在浑水分离完毕后，计算结束，当分离鳃设有进出流时，其沉降是一个无限循环的过程，计算迭代完成后，它的流场稳定下来，但浑水分离并未结束.因此，分离鳃的出口自始自终都在分离清水、排出泥沙，直到进口停止进水为止.

图4 沿宽方向z=0.020 m剖面不同时刻的速度矢量分布图(z为宽方向)

3.3 同一时间步长沿宽方向不同剖面的浓度分布

图5是t=500时间步长不同剖面的浓度分布.图中显示，与未设置进出口的分离鳃的浓度分布相一致，即:鳃片上表面浓度大于鳃片下表面，清晰可见清水上升流和泥沙下沉流.不同的是:分离鳃顶端出口浓度较小，此为清水出口;而低端出口浓度较大，为排沙出口，由于笔者未考虑分离鳃排沙的优化，底部设计为平底，其排沙效果不好，沉降下来的泥沙多淤积在分离鳃左侧.

3.4 同一剖面在不同时间步长的浓度分布变化

图6 为 z=0.020 m 剖面在 t=100、t=400、t=800、t=1 100、t=1 807时间步长的泥沙体积浓度分布图.从图中可以看出，从初始时刻到泥沙加速沉降时间段内，浓度分布和未设置进出流的分离鳃的浓度分布是基本一致的.不同的是:设置进出管的分离鳃内的水沙分界面不是一个水平面，从图上可以看到，在此面具有紊动性.从t=1 100时间步长到计算迭代结束(t=1 807时间步长)，在z=0.035 m剖面上，大量泥沙淤积在底部，未能及时有效地排出，此面上仍然可以看到泥沙下沉流，这是因为计算迭代完成后，流场稳定下来，但浑水分离并未结束.

图5 沿宽方向竖向剖面的泥沙体积浓度分布图(z为宽方向)

图6 沿宽方向z=0.020 m剖面不同时刻的泥沙体积浓度分布图(z为宽方向)

4 结论

本文通过对有进出流时单鳃片分离鳃装置的流场和浓度场的三维数值模拟，得到以下结论:

(1)采用的RNG k-ε两方程紊流模型和简化的多流体Mixture模型能够较好模拟有进出流时装置内的水流运动情况.

(2)有进出流时装置内同样存在两种循环流动的异重流现象，即:水沙绕鳃片形成的横向异重流和水沙绕容器边璧的垂向异重流.鳃片上下各存在一个顺时针涡旋，两侧通道与鳃片上、下表面流速较大，其余区域流速很小.这与静水条件下的结果相一致.

(3)进出流的设置未破坏异重流，不影响水沙分离效率.

(4)未考虑分离鳃排沙的优化，底部设计为平底，沉降下来的泥沙多淤积在分离鳃左侧，未能及时有效地排出，此模型设计排沙效果不好.

［1］邱秀云，龚守远，严跃成，等.一种新型水沙分离装置的研究［J］.新疆农业大学学报，2007，30(1):68-70.

［2］朱 超，邱秀云，刘 艳.垂向异重流式水沙分离鳃鳃片型式对水沙分离的影响研究［J］.新疆农业大学学报，2008，31(6):72-75.

［3］朱 超，邱秀云.垂向异重流式分离鳃适用泥沙的试验研究［J］.人民长江，2009，40(5):60-61.

［4］严跃成，邱秀云，张 翔，等.两相流分离鳃泥沙运动轨迹及加速滑移的力学分析［J］.水利水电科技进展，2011(5):27-29.

［5］张 翔，邱秀云，李 琳.垂向异重流式分离鳃在动水中的集成试验研究［J］.新疆农业大学学报，2010，33(4):1-4.

［6］张 翔，邱秀云，李 琳.垂向异重流式分离鳃在静水中的集成试验研究［J］.水利水电科技进展，2011，24(6):32-37.

［7］张 翔.两相流分离鳃的泥沙沉降特性及集成试验研究［D］.新疆:新疆农业大学，2009.

［8］罗 菲.两相流分离鳃的水沙流场数值模拟［D］.新疆:新疆农业大学，2009.

［9］罗 菲，邱秀云，李 琳.单鳃片分离鳃固液两相流流场数值模拟［J］.新疆农业大学学报，2011，34(3):253-258.

［10］李 琳，邱秀云.浑水水力分离清水装置内水沙两相流弱旋流场数值模拟［J］.中国农村水利水电，2008(1):11-19.

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［12］JOHN D.ANDERSON.JR.Computational Fluid Dynamics［M］.北京:清华大学出版社，2002:216-278.