双锥型旋流器内液—液分离过程的流动数值模拟

为研究双锥型水力旋流器内液—液分离机理以提高其分离性能和降低旋流器的能量损耗，该文使用FLUENT软件中的多相流欧拉分析方法结合雷诺应力湍流模型实现了双锥型水力旋流器内液—液分离过程的三维数值模拟并预测其分离效率。该模拟适用于轻质分散相的体积率超过10%，湍流具有各向异性结构的一般广义情形。计算给出了旋流器内部的流动结构，展示了液—液两相由开始的均相来流如何在旋流器内逐渐分离、聚合、迁移的过程，基于计算结果预测了旋流器的分离效率并与实验结果进行了对比，表明预测和实验结果较为吻合，说明计算结果是有效可信的。     

用于池塘养殖尾水处理的串联式旋流器水动力特性及分离效率

为了将多级旋流分离技术应用于池塘养殖尾水处理，并解决旋流器的水力停留时间短、分离效率低等问题，根据池塘养殖南美白对虾的尾水特点，结合工业标准150旋流分离器的结构参数，设计了一种串联式旋流分离器。该研究基于欧拉-拉格朗日方法，结合雷诺应力湍流模型与离散相模型，建立了串联式旋流分离器的三维两相内流场数值计算模型。在对比试验数据验证计算方法有效性和流场网格独立性的基础上，分析了进水口流量、锥角、颗粒粒径和密度等参数对旋流器的流场特征和分离效率的影响机制，并提出了多级"旋流+过滤"组合式池塘养殖尾水固液分离技术。研究表明：随着进水口流量在一定范围内增加，两级旋流器内流场的切向速度、轴向速度、分流比、压力降均增大，涡流强度增强，对于粒径为75 μm颗粒物的分离效率明显提高，而对于粒径为5 μm颗粒物的分离效率变化不显著；随着旋流器的锥角减小，水流阻力、压力降和分流比均降低，有助于增加颗粒物在旋流区的停留时间，从而提高其分离效率；随着颗粒物的密度和粒径增大，旋流器的分离效率提高，对粒径为75μm沉淀物的分离效率可达80%，对同粒径悬浮物的分离效率约为60%，但对于粒径为5 μm的2类颗粒物而言，分离效率的差别较小，均低于30%。研究结果可为串联式旋流器的结构优化设计及其在池塘水产养殖尾水处理中的应用提供理论依据。     

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.     

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。     

新型旋流分离器内固液两相流的数值模拟

旋流分离技术在水体中消减固体污染物质的应用是一项新兴的污染控制技术，通过对传统旋流器进行改进设计的旋流分离器体积小，安装便利，可用于城市污水处理。文章通过利用CFD软件FLUENT对其进行数值模拟，其中湍流相采用带旋流修正的K-ε模型，离散颗粒相采用DPM模型，通过数值模拟可知该旋流分离器内部三维流场的动、静压力分布以及切向、轴向和径向速度场分布云图，并且计算出该新型旋流分离器虽然没有明显的分级作用，但其分离效率高达66%。并在此基础上，提出了该新型旋流分离器的部分设计要点。     

基于CFD的养殖水体固液旋流分离装置数值模拟与验证

为探究旋流分离装置对水产养殖水体的分离效果,采用计算流体力学方法对旋流分离装置内部的流动特性进行数值模拟,得到了不同入口流量、不同入口浓度对固液分离性能的影响,通过试验数据对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:随着入口流量的增加,分离装置内部流体速度增大,湍流流动增强,不利于固体颗粒的沉降。当入口浓度增加时,筒内流体运动速度降低,滞留在筒体中的颗粒浓度增加,降低了固液分离效率。入口流量和入口浓度的增加均会导致不同粒度颗粒分离效率下降,且随着颗粒粒度的增大,分离效率下降幅度增大。通过与试验数据相比,模拟误差在10%以内,模拟结果可信。该研究可为旋流分离装置在水产养殖领域的应用提供参考。     

润滑油分离机内部流场数值模拟与分离效率分析

用数值方法研究碟式分离机内部流场是优化其设计的重要手段。针对润滑油碟式分离机,采用VOF多相流模型并结合RNG k-ε湍流模型和离散相模型对其内部油水固分离过程和分离效率进行了数值模拟。模拟结果表明,碟片间隙中流场基本为层流,在中性孔和碟片外缘为湍流区;入口速度对油水分离结果影响不大,而对固体颗粒的分离会产生较大的影响;固体颗粒计算分离效率和实测分离效率最大相对误差为1.5%,额定处理量为700 L/h时,入口速度为2.5 m/s,此时分离效率为97.2%,满足设计要求。研究结果表明,该文提出的三相流分析方法是可行的,对碟式分离机的结构优化设计具有重要的指导意义,同时也减少了所需的试验时间和费用。     

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。     

微灌离心分离器内部流场分布数值模拟

在缺水地区,利用高含沙水作为微灌水源的条件下,低浓度混合多相流模型已不能适用于微灌用离心分离器的数值模拟。该文以高含沙水作为微灌水源,结合离心分离器的结构参数,在流体力学基本方程基础上,通过网格划分和边界条件设定,采用有限体积法进行离散和求解,控制方程采用k-ε模型模拟分析了离心分离器的内部流场特征,并通过试验验证数值模拟成果,模拟值与试验实测值相对误差在10%以内,说明数值模拟采用的算法和模型是合理的。在试验验证的基础上,模拟分析了高含沙水为微灌水源的条件下,离心分离器的速度、湍动能以及静压分布,结果表明:离心分离器内速度分布主要有切向速度、轴向速度和径向速度,沿径向方向具有一定的对称性;离心分离器内湍动能分布具有一定的对称性,由轴中间向器壁两侧逐渐变小;静压分布具有一定的对称性性,由器壁两侧向轴中心逐渐减少。结果可为微灌用离心分离器特性参数的优化提供依据。     

微灌旋流网式一体化水砂分离器试验

现有研究以及关注的过滤设备多集中于低含砂水水源,对于缺水地区以高含砂水为水源进行微灌的研究较少,该文提出一种新型微灌用网式一体化水砂分离器,并与常规水砂分离器进行试验对比分析,旨在解决以高含沙水为水源进行微灌的堵塞问题。该文在试验对比的基础上,分别计算网式一体化水砂分离器和常规水砂分离器的主要性能参数,包括溢流参数(溢流流量和溢流浓度)、底流参数(底流流量、底流浓度、底流分流比)以及分级分离参数(分离效率和分级效率)。结果表明,网式一体化水砂分离器和常规水砂分离器的溢流流量和底流流量均与进口压力呈正相关关系,而底流分流比与进口压力呈负相关关系;在进口压力为0.26~0.34 MPa时,网式一体化水砂分离器的分割粒度为20.0~25.0μm,分离极限为83.5~89.0μm,分离精度为0.40~0.43;而常规水砂分离器的分割粒度为24.5~27.5μm,分离极限为86.0~95.0μm,分离精度为0.27~0.42。如果以分离效率80%为评价指标,在进口压力为0.26~0.34 MPa时,常规水砂分离器的平均分离粒径为65μm,而网式一体化水砂分离器的平均分离粒径为45μm。研究可为高含砂水微灌用新型过滤器提供了试验方法、试验参数和理论依据。     

不同毛管配置对水氮分布和机采棉根系生长的影响

通过田间试验,研究不同滴灌配置对机采棉根系生长、水氮运移和氮肥利用率的影响。设置3种滴灌毛管配置方式:(1)内嵌式滴灌毛管+夹管(EB);(2)内嵌式毛管+侧管(ES);(3)迷宫式毛管+侧管(LS);施氮(N)量均为300 kg/hm~2;同时,以ES处理不施氮肥为对照(CK)。结果表明:滴灌施肥24 h后,土壤水分及硝态氮均主要分布在0—40 cm土层。LS和EB处理水分和硝态氮在作物行下方的根区含量高,ES处理硝态氮分布向宽行偏移。90%以上棉花根系分布在0—30 cm土层,但EB处理根系分布更浅,其超过80%根系分布在15 cm以内土层;ES处理与LS、EB处理相比,根干物质量分别显著降低31.7%和25.5%;ES处理根长密度、根表面积、根体积显著高于LS和EB处理。LS处理显著增加产量和氮肥利用率,较ES处理分别增加9.4%和18.0%;EB处理产量和氮肥利用率也较ES处理分别增加6.5%和8.5%。机采棉使用迷宫式滴灌毛管并在侧管铺设毛管,水分和硝态氮分布与根系分布相匹配,能显著促进棉花根系生长,增加氮吸收量并提高产量和水氮利用效率。     

减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定

为探究引黄滴灌区水肥一体化灌溉过程中毛管冲洗周期对滴头堵塞风险的影响,该研究分别对浑水和浑水+尿素滴灌后不同毛管冲洗周期(3、5、7、10 d)对滴灌滴头堵塞的控制效果进行了研究。结果表明:毛管冲洗周期对滴头相对流量有极显著影响,在浑水滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高14.29%～47.77%(P0.05),在浑水+尿素滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高12.89%～126.67%(P0.05)。按照毛管冲洗对滴头流量的保持能力可将滴灌系统运行为3个阶段:冲洗钝感期、冲洗敏感期和冲洗无效期,首次冲洗应在冲洗钝感期结束前进行。宁夏中卫段黄河水浑水滴灌和浑水+尿素滴灌后的首次冲洗应该分别在第2灌水和第9次灌水后进行,适宜的毛管冲洗周期分别为5和7 d。研究结果可为宁夏中卫段黄河水滴灌区采取适宜的抗堵塞措施提供参考。     

滴灌管主流道沿程压力分布模型及验证

为揭示滴灌管的沿程流动特性,简化滴灌水力计算,分析了能量方程应用于滴灌管水力计算的局限性,并以质量守恒和动量守恒定理为依据,建立了以滴灌管为典型的变质量流动数学模型,并结合测压试验数据,获得了滴灌管主流道沿程压力分布表达式。变质量流动的动量方程表明:多孔管路主流道压力变化取决于摩阻项和动量交换项两部分,沿程压力分布的具体形式取决于二者作用的相对强弱,滴灌管压力分布归结为求解滴灌管轴向流速分布、摩阻系数和动量交换系数,动量方程建立的合理之处在于不必追究其详细机制,将复杂的流动机理进行了合理概化。测压-测流试验表明:滴灌管轴向流速分布指数与滴头自身特性参数无关,而与滴头安装个数呈线性关系。基于理论分析和试验数据回归得到了动量交换系数的表达式,并结合Blasius摩阻公式进行方程求解,压力计算值与实测值吻合良好,最大相对误差为4.27%。该文可为滴灌管水力计算及多孔管水动力学研究提供一定参考。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。     

泾惠渠灌区浑水泥沙输移特征

通过对泾惠渠灌区2013年夏秋灌期干支斗渠浑水资料的实时取样分析,探究渠灌区渠系挟沙水流含沙量及泥沙级配的时空变化规律,量化描述不同粒径悬移质泥沙颗粒的输移特征,旨在获得灌渠渠系内挟沙水流历经冲淤过程不同粒径悬沙沿程的垂向分布与输移规律,为渠灌区的运行及泥沙问题的处理提供理论基础。灌区内进行的原型取样测流工作在选定的具有代表性的干-支-斗渠线路上进行,观测分析了灌区渠系含沙量及不同粒径泥沙颗粒沿垂线分布的特征,验证分析了挟沙水流历经淤积过程含沙量分布的变化规律。通过对典型渠系线路不同粒径悬移质泥沙的沿程调整计算分析,表明不同粒径泥沙沿程的输移特征不同,各分组沙的冲淤特征并不都和全沙平均计算结果一致,其中级配曲线左端一定粒径范围（约＞0.015 mm）的粗沙与全沙具有同冲同淤的规律。该研究可为泾惠渠灌区泥沙处理利用以及渠灌区浑水调控理论与技术的进一步研究提供依据。     

滴灌模式对棉花根系分布和水分利用效率的影响

理解膜下滴灌参数对土壤盐分运移和作物生长的影响是制定科学滴灌制度、合理利用水资源的重要环节。毛管布置方式和滴灌水质是膜下滴灌的重要参数,为研究其对土壤盐分变化、棉花根系分布及水分利用效率的影响,设计了2种毛管布置方式（一管四行（Ms）和一管两行（Md））和3个滴灌水质水平（淡水0.24?dS/m、微咸水4.68?dS/m、咸水7.42?dS/m）。结果表明,滴管布置方式对土壤盐分变化和根系分布有显著影响。在相同滴灌水质条件下,Ms处理有利于降低棉花根区土壤含盐量。所有处理根系主要分布于0～40?cm土层内,矿质水滴灌时Md中根系受抑制程度明显高于Ms,但其主要影响根系密度δR＞0.5?kg/m3区域的分布范围,对δR＞0.2?kg/m3区域范围分布无明显影响。生育期内棉花总耗水量随滴灌水矿化度的上升而降低,与滴管布置无关。相对淡水滴灌而言,矿质水滴灌时Ms处理产量有所降低,但其水分利用效率随灌水矿化度上升而升高;而Md处理产量和水分利用效率均随灌水矿化度上升而下降。     

不同结构滴灌双向流道灌水器抗堵性能对比试验

该文开展滴灌双向流道抗堵性能研究,以提高灌水器对含沙率较高的地表水源的适应性。试验浑水含沙率为30 g/L,经20次浑水试验,设置3种结构参数不同的双向流道灌水器(1#,2#,3#),并对比迷宫式流道灌水器的水力性能和抗堵性能。结果表明:1#、2#、3#双向流道浑水流量分别为清水流量的77.44%,83.35%,85.43%,而迷宫式流道在12次试验后完全堵塞。双向流道灌水器与迷宫式流道灌水器的水力性能及抗堵性能差异显著,且双向流道的水力性能及抗堵性能均优于迷宫式流道;双向流道水力性能越好,抗堵性能越差;流道形式及结构参数是影响灌水器水力性能及抗堵性能的重要因素。试验结束后,观测流道泥沙沉积情况,发现泥沙沉积程度由前段(进口)到后段(出口)逐渐减少;采用电子显微镜分别获取流道前段、中段和后段沉积泥沙样品扫描图像,利用Image Pro Plus 6.0软件分析沉积泥沙样品的粒径组成,发现沿流道方向,粒径(29)0.03 mm的泥沙颗粒质量分数逐渐减小,粒径(27)0.005 mm的泥沙颗粒质量分数呈先减小后增加的趋势;流道沉积泥沙中粒径(27)0.03 mm的颗粒质量分数占92.23%~97.89%,此粒径范围的泥沙颗粒更易在双向流道内沉积,引起堵塞。