结构化流道环境下不同颗粒浓度的磨粒群分布及其动力学特性

结构化表面流道内,由于流体相的驱动作用,磨粒与磨粒之间、磨粒与壁面之间产生相互碰撞,从而壁面不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损。该文基于液-固两相流体耦合理论,利用欧拉-欧拉多相流模型中的mixture模型和Realizablek-ε湍流模型对V型纹理半环形截面流道内液-固两相流在不同颗粒浓度下运行时的壁面湍流效应进行了数值模拟,计算了流场中湍流速度及湍动性能等参数。模拟结果表明:V型纹理的流道有利于涡流的产生,因此可以通过配置V型纹理的约束模块来提高湍流的紊乱程度;随着颗粒浓度的增大,在一定范围内磨粒流的速度逐渐增大,磨粒流的湍动能逐渐减小,磨粒体积分数的波动振幅越来越小;颗粒浓度的选择应适当,不同的颗粒浓度可以产生不同的磨粒流综合性能和颗粒分布效果。     

三种泥沙扩散系数模型对双吸离心泵内固液两相流流场计算的影响

作为模拟双吸离心泵内固液两相流的一种常用方法,欧拉-欧拉法中的泥沙扩散系数常通过多种模型进行计算。为选择适宜的泥沙扩散系数模型进而提高固液两相流数值计算的精度,该研究采用3种常见泥沙扩散系数模型Non-diffusion coefficient model（NON-DC）;Diffusion-in-volume of fluid model（Diffusion-in-VOF）;Diffusion coefficient affected by particle diameter and particle concentration model （DC-PDPC）,在25、100和200 μm 3种含沙粒径和不同流量(0.6和1.0倍额定流量)条件下,对双吸离心泵内固液两相流场进行数值模拟,分析其对泵内固相浓度和固相速度的定常和非定常结果的影响。结果表明：1）当颗粒粒径不大于100 μm时,3种模型计算得到的双吸离心泵内固液两相流的固相浓度和速度定常结果基本相同;当颗粒粒径大于100 μm时,定常结果有所差异,随着颗粒粒径的增大,差异逐渐增大,差别最大可达60%。2）在不同颗粒粒径的条件下,采用3种模型得到的固液两相流场的固相浓度和速度非定常结果差异较大,且随着颗粒粒径的增大,差异逐渐增大,差别最大可达30%。含沙颗粒粒径不大于100 μm时,3种模型得到的定常结果基本相同;而大于100 μm时,定常结果差异较大;同样地,在不同含沙粒径条件下的非定常计算结果也差异较大,需要选择合适的泥沙扩散系数模型。3）定常计算时,当颗粒粒径不大于100 μm时,推荐NON-DC模型;随着颗粒粒径的增大,推荐使用DC-PDPC模型;当非定常计算时,推荐使用DC-PDPC模型。研究为准确地进行离心泵内固液两相流数值计算提供参考。     

泥沙浓度及粒径对水轮机转轮内部流动影响的数值分析

为了掌握泥沙介质在水轮机转轮中的分布规律以及对转轮压力场的影响,该文应用固液两流体多相流动模型,充分考虑了固液两相间的相互作用,通过求解雷诺时均N-S方程和重正化群k-ε湍流方程,对不同泥沙介质条件下水轮机转轮通道中的流动进行数值研究。研究结果表明,含沙水会导致水轮机转轮叶片表面压力载荷增大,固液两相间速度差异是导致叶片表面泥沙体积浓度分布的变化的主要原因。小粒径泥沙在叶片表面分布均匀且体积浓度低,大粒径泥沙会集中分布在叶片的前缘及出水边等区域。该研究可为多泥沙电站水轮机转轮抗泥沙设计提供参考。     

基于Mixture多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流

采用Mixture多相流模型、扩展的标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent对双流道泵全流道内的固液两相湍流进行了数值模拟,并将计算结果与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同粒径及颗粒体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律.研究结果表明:在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,但是随着颗粒浓度和粒径的减小,会出现颗粒向背面迁移的趋势;在蜗壳流道内,颗粒主要集中于靠近蜗壳出口侧的流道区域,颗粒运动轨迹紊乱,少部分颗粒脱离叶轮后能直接从蜗壳出口流出,大部分颗粒撞击蜗壳壁面,留在蜗壳内转动数圈才能流出;颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对较小;粒径变化对固相的离析作用影响较大,粒径越大,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,固相的离析作用越明显;相同体积流量下,泵进出口总压差随颗粒浓度和粒径的增加而减小.     

二维泊肃叶流场中荷电颗粒动力学分析及固液分离试验

液固两相流中的细小且体积浓度低的固相颗粒在液相流动影响下,除受颗粒重力作用外,还有Stokes阻力、Saffman力、压力梯度力、附加质量力等的共同作用,并在液相流场中作不可控的运动。为了有效控制固相颗粒运动,该文在二维泊肃叶流场的垂直方向上设计一高压静电场,使电场力作用于荷电固相颗粒,并建立了有界黏性流体在二维泊肃叶流场和高压静电场同时作用下带电颗粒的运动力学模型,分析了固相颗粒的运动规律,并设计了多物理场耦合条件下的固液两相分离装置。利用该装置对清洁度为NAS12的L-HM32#抗磨液压油进行颗粒分离试验,12 h后,2～100μm的颗粒数目显著减少,颗粒分离效率高达到95%,液压油清洁度达到NAS4级,实现高效的固液分离和固相颗粒分选。     

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明：随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。     

片状迷宫滴头中悬浮颗粒浓度分布规律数值分析

迷宫滴头内部结构复杂尺寸微小，水源过滤后仍含有悬浮颗粒，研究悬浮颗粒在滴头内分布的影响因素对于滴头结构改进有重要意义。该文根据两相流理论，利用计算流体动力学软件FLUENT对迷宫滴头进行了液固两相流数值分析。采用标准k-ε湍流模型及多相流Eulerian模型，模拟得到不同入流颗粒浓度及大小时滴头内流场及颗粒浓度分布，分析了颗粒大小及入流浓度对悬浮颗粒浓度分布的影响。研究结果表明：滴头的进口、缓水区及流道拐弯区、迎水区等局部悬浮颗粒浓度增大，齿尖附近浓度接近入口浓度。除齿尖及流道背水区外，其他部位的颗粒浓度均随粒径的增大而升高；滴头内颗粒浓度分布随入流浓度的升高而升高，不同位置处浓度变化规律略有不同。     

水沙分离鳃内部流场的数值模拟

该文对分离鳃内的水沙两相流流场进行了数值模拟,多相流模型分别采用了欧拉模型与混合模型,将两种多相流模型的计算结果与PIV测试结果进行了定性和定量对比,发现欧拉模型比较适合分离鳃内的水沙两相流流场数值模拟。进而利用欧拉模型的计算结果分析了分离鳃内的泥沙及速度分布特性,结果表明,鳃片上表面、下表面的平均含沙量和平均速度分布规律与鳃片所在位置和时间有关,分离鳃不同高度方向的泥沙分布特性不同,越靠近分离鳃的上端,其水沙分离速度越快,就越容易获得清水;泥沙通道中泥沙平均速度与清水通道中清水平均速度随时间变化规律一致,且泥沙平均速度总体上大于清水平均速度。     

后掠式叶片轴流泵固液两相流数值模拟与优化

针对轴流叶轮在污水固液两相流介质中的磨损问题,该文设计了不同后掠式叶轮结构方案进行优化设计,分别对后掠角度为40°、65°、90°的后掠叶片和原型叶片进行固液两相流数值模拟和试验对比,并分析了不同后掠方案叶轮内固体颗粒的分布特性。数值模拟结果表明,随着后掠角度的增加,叶片压力面固相体积分数会逐渐减少,而叶片吸力面上固相体积分数会先增加后减小,叶轮内固相的径向流动越明显并且叶片后掠角度越大,固相就越难与叶片压力面接触,而越易与叶片吸力面接触;颗粒直径越大,后掠叶片压力面上固相体积分数越大,而叶片吸力面进口边靠近轮毂处的固相体积分数增加;颗粒浓度越大,后掠叶片压力面上固相体积分数减少,叶片吸力面上固相体积分数增加。当优化后的后掠叶片角为90°时,该叶片结构优化了固体颗粒的分布,可大幅降低叶片轮缘处的磨损,提高了轴流叶轮在污水介质中的使用寿命和运行可靠性。     

输送多组分介质的离心泵内部固液两相流特性

为了研究固液两相流离心泵输送含有多组分介质的规律,该文以一台离心式固液两相流泵作为研究对象,使用Fluent中的Eulerian多相流模型描述固液两相流动特征。首先选取了3组直径不等的单分散颗粒群作为固相,发现粒径越大,工作面的颗粒浓度越高,固相离析作用越明显。随后选取了5组直径递增的颗粒群作为固相,每组颗粒群包含两组相同的单分散颗粒群,结果表明同一台泵内两组相同的颗粒群的运动特征相同,同时两组相同的颗粒群的浓度之和、速度之和及外特性与单独输送单分散颗粒群的变化规律相似。最后选取了5组粒径不相等的两组颗粒群组合而成作为固相,大颗粒群粒径不变,小颗粒群粒径递增,结果发现不等直径双颗粒群组合与单颗粒群或者等直径双颗粒群有所区别,大小颗粒在内部流动上表现出了独立性和相互影响的现象,小颗粒群的运动特征与单分散颗粒群类似,由于小颗粒的存在使粒径均为0.7 mm的大颗粒体积分数分布发生了变化,小颗粒使大颗粒在泵内分布更加均匀,随着小颗粒群粒径增加,泵的扬程、效率和总压差先急剧上升随后缓慢下降,粒径为0.7和0.15 mm组合时扬程为80.12 m,达到最高值。该研究可为进一步研究多组分介质对泵性能的影响提供参考。     

含沙量对U型渠道水流流速横向分布律的影响

探索含沙量变化对U型渠道水流流速沿横向分布的影响,进而从理论上完善挟沙水流流速分布规律,对渠道水沙运动规律的研究有重要意义。引入指数流速分布公式,通过U型渠道水槽试验,测定水流中含沙量为1.12～500kg/m3时,指数公式中流速横向分布系数的变化规律,说明U型渠道挟沙水流流速沿横向分布遵循指数流速分布规律。在含沙量s<300kg/m3下,流速横向分布系数随着含沙量的增大呈线性缓慢增大,当含沙量s≥300kg/m3时,流速横向分布系数由缓慢增大变为急剧增大,说明水流流型已发生了变化;含沙量s≥50kg/m3时,U型渠道的中心出现了核心区,核心区随着含沙量的增大而变宽。     

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题，将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合，构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处，在降雨强度25 mm/h，降雨历时5 min条件下，系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738，0.749，流速误差为8.7%，比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内，同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

不同孔隙度土壤气体扩散系数测定

土壤气体扩散系数是研究土壤气体传输过程的一个重要参数,它随土壤质地、容重和孔隙的改变而变化,难以估算,为准确测定和研究其特征,依据气体扩散原理设计并研制了土壤气体扩散系数测定装置。以石英砂和砂质壤土为试验材料,利用该装置研究了气体扩散系数与不同含水量和容重下的充气孔隙度间的关系。结果表明:砂质壤土原状土和装填土的气体扩散系数差别很小;土壤相对扩散系数随土壤总孔隙度减小而变小,且粒径较小的土壤具有相对较小的气体扩散系数;原状和装填砂质壤土的相对扩散系数与充气孔隙度之间的关系均可以用幂函数方程来拟合,方程中的参数与土壤质地密切相关,原状土非活性孔隙度为0。Buckingham模型的预测值与实测结果基本一致(均方根误差=0.008),但Millington and Quirk模型(均方根误差=0.032)和SWLR模型(均方根误差=0.023)的预测结果偏差较大。     

土壤侵蚀中细沟流的初步分析

细沟中水流速度主要受流量、含沙量和下垫面等因素的影响。在流量不变的条件下 ,通过假定粘滞阻力与流速成正比 ,导出水流的运动学方程 ;以此方程对实验测量结果进行非线性拟合 ,得到了水流速度与时间的关系函数 ,摩擦系数与侵蚀强度的关系式及流体粘滞力与泥沙含量的关系式。这些函数式表明此数学模型在流速较小时是可行的 ;水流速度主要受泥沙含量和坡度的影响 ;坡度越大 ,在开始时速度快速增大 ,但达到稳定流速的时间较长     

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。     

薄层水流速度、弥散系数与泥沙含量关系的初步探讨

利用坡面薄层水流的电解质脉冲数学模型,计算了不同坡度和含沙量下的电解质弥散系数,发现在泥沙含量较低时,弥散系数与水流速度有较好的线性相关性,但泥沙含量较高时,泥沙含量对弥散系数作用更加强烈,弥散系数与速度的相关性较差,说明弥散系数受泥沙含量和水流速度影响,但三者的关系函数有待于进一步探讨。     

流量对河水滴灌重力沉沙过滤池内流速分布的影响

为研究流量对河水滴灌重力沉沙过滤池流速分布规律的影响,该文对5种不同流量下的水沙两相流流场进行了数值模拟。通过对不同流量下流速沿程分布规律、流速沿水深方向分布规律及水沙分离效率的对比与分析,可知河水滴灌重力沉沙过滤池的适宜流量范围为0.05~0.2 m3/s,进水流量越小,流速变化幅度也就越小,越有利于泥沙沉降,水沙分离效率不小于72.5%。不同流量下沉淀池中流速沿程变化规律可分成3个阶段:流速迅速增加阶段、流速缓慢减小阶段和流速迅速减小阶段。清水池中流速方向与沉淀池的相反,流速沿程减小。受进水口、出水口和固体边界,以及侧向溢流堰的影响,不同流量下河水滴灌重力沉沙过滤池中的流速沿水深方向分布规律有差别。当流量为0.05和0.1 m3/s时,远离进水口、出水口及侧向溢流堰的位置,流速沿水深方向的分布规律包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定3个阶段,而清水池则只包括流速迅速增加和流速恒定阶段。研究可对大首部的应用提供参考。