混凝渦旋水動力學的數值模擬與試驗研究

《混凝渦旋水動力學的數值模擬與試驗研究》是依託杭州電子科技大學，由聶欣擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：混凝渦旋水動力學的數值模擬與試驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：聶欣
• 依託單位：杭州電子科技大學

項目摘要

我國水資源領域普遍污染，原水品質多變，需要水處理企業的混凝設備能根據原水品質以及藥劑種類的變化具有較大的調節自由度，以確保出水品質。而在混凝過程中，流體內部流動所產生的渦旋的大小、強度，對混合以及絮凝過程的影響極為關鍵。本研究以研究者所提出的新型可調水力混凝設備和我國水處理行業常用的混合設備SK型混合器為具體研究對象，通過採用大渦模擬的數值模擬方法以及相關台架試驗和工業試驗研究，對混凝過程中渦旋的產生及其變化規律、影響因素，渦旋對混凝過程的影響等方面展開研究，揭示混凝水動力學中受渦旋水動力學條件影響的混合與碰撞機理，檢驗與完善混凝渦旋水動力學理論。揭示流體流經旋流葉片後渦旋的產生及其控制機理，建立渦旋控制理論。對研究者本人提出的可調水力旋流混凝管進行形狀與結構最佳化，建立一套完整的設計與運行理論，並試製樣機，最後對該設備進行產品定型以及標準化、系列化。

結題摘要

在水處理工業中，藥劑與原水的混合與初期絮凝過程的優劣，直接影響加藥量以及出水品質。如何利用水力學原理，創造分別適合混合與初期管道絮凝階段的水力學條件是本項目研究的核心問題。本課題的前期工作時，採用CFD計算流體力學方法，對SK型靜態混合器內的混合進行數值模擬並對其進行改進，提出了開縫式SK型靜態混合器的新型混合器，以W/D=0.58的B類開縫式SK靜態混合器為例，混合性能較傳統式SK型靜態混合器提高6個百分點，壓力降減小2%，同時混合葉片材料使用減少45%。第二階段,本課題的主要工作，研究者發明了可用於工業實際的旋流混凝管，通過對其中的渦旋發生器中不同大小和角度的葉片對湍流渦旋強度和強度進行調節。首次將湍流渦旋對水處理中混凝的影響等相關理論與預測，真正用於實際原水與藥劑在管道中的混合與初期絮凝。並通過採用大渦模擬與試驗對其進行了研究，建立了一套湍流渦旋控制方法。該混凝設備既有傳統SK型靜態混合器運行中免維護、能耗低的優點，又具備了可調的特性，更重要的是，該產品還具有促進原水與藥劑混合後的初期絮凝反應的功能。通過控制湍流流動中渦旋強度、尺度用於促進混合與絮凝，提高了單位藥劑處理能力。研究結果表明，在混合階段，採用大葉片、大旋角的渦旋發生器的混合效果較優，即混合階段，大尺度的強旋流可極大促進流體與藥劑的混合。在管道初期絮凝階段，採用小葉片、小旋角的渦旋發生器的絮凝效果較優，即初期絮凝階段，小尺度的弱旋流可極大促進流體與藥劑的絮凝。通過試驗與數值模擬的研究，可得出以下具體結論：三葉片渦旋發生器用於混合最優；大渦模擬的準確度優於K-E模型；小葉片渦旋發生器可產生大量小尺度渦旋，有利於初期絮凝；混凝設備對細顆粒物質較多的原水的去除效果較優。