基于砂滤层内水体积分数瞬态模拟的反冲洗速度优选

为了对石英砂滤层反冲洗过程水的体积分数波动规律进行分析,并确定合理的反冲洗速度范围,该文采用数值模拟手段对滤层反冲洗过程水的体积分数进行三维动态模拟,采用Gambit软件建立了石英砂过滤器的几何模型,并对几何模型进行了网格划分,以Mixture模型做为反冲洗过程水的体积分数的数值模拟模型。以当量粒径分别为1.06、1.2和1.5 mm的3种石英砂滤层为研究对象进行动态模型。为了验证模拟结果的准确性,开展了室内模型试验,并将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,水的体积分数的最大模拟误差为5.64%,说明数值模拟结果是可信的。在使用模拟数据进行流场分析时,为了得出更具普遍性的结论,引入了反冲洗流化倍数的概念,最小反冲洗流化速度的倍数称为反冲洗流化倍数。在此基础上,分别分析了反冲洗流化倍数为1.1、1.3、1.5、1.7和1.9时,滤层高度分别为15、25和35 cm共3个横截面上,反冲洗过程水的体积分数随时间的变化规律。计算了水的体积分数的均值和标准偏差,分析了水的体积分数的均值和标准偏差随随反冲洗流化倍数的变化规律。在3个截面上水的体积分数均值基本相同的情况下,根据标准偏差的大小,判定滤层反冲洗的稳定性。由此得出,使反冲洗水的体积分数波动保持稳定的反冲洗流化倍数的临界值为1.7。当反冲洗流化倍数范围为1~1.7时,标准偏差适中,反冲洗效果理想。结果表明,对于均质石英砂滤层,反冲洗效果是否理想,决定因素是反冲洗流化倍数。该文可为砂过滤器的反冲洗运行机理提供参考。     

基于颗粒流理论的微灌砂滤层反冲洗过程砂粒速度场模拟

砂颗粒流在石英砂滤层反冲洗流场中的速度分布,对滤层流化状态的稳定性和反冲洗效果起决定性作用。为了对滤层反冲洗过程砂颗粒的速度场进行分析,并确定最佳反冲洗速度,该文以厚度为400 mm,粒径范围为1.0～1.18 mm的石英砂滤层为研究对象,基于颗粒流运动理论,采用Eulerian-Eulerian模型对滤层反冲洗过程砂粒的速度场进行3维动态模拟。为了验证模拟结果的准确性,作者开展了室内模型试验,并将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,滤层膨胀高度的最大模拟误差为9.8%,能够控制在10%以内,说明数值模拟结果是可信的。在此基础上,分析了反冲洗流化倍数为1.3、1.5、1.7和1.9时,滤层高度分别为15、25和35 cm 3个横截面上,在不同的反冲洗时间,砂粒的轴向速度沿横坐标的分布规律。根据砂粒在3个横截面上运动速度的大小和方向,判断砂滤层是否达到完全流化;根据砂粒在3个横截面上运动趋势是否一致,砂粒的上升区是否保持稳定,判断滤层流化状态是否稳定。结果显示,当反冲洗流化倍数不小于1.7时,滤层才能达到稳定的流化状态,从而达到比较理想的反冲洗效果,并得出滤层最佳反冲洗流化倍数为1.7。研究结论为砂过滤器的反冲洗研究提供了理论基础和技术支撑,为反冲洗性能参数的确定提供了参考。     

微灌砂石过滤器滤帽水力性能试验及内部流场模拟

微灌用砂石过滤器中,集水滤帽是进行过滤过程集水和反冲洗过程散水的关键部件。为了获得滤帽内部流阻特性,改善砂石过滤器水损较大弊端,该研究对国内市场上常用的梯形集水滤帽进行了室内模型试验,测定了滤帽在不同过滤和反冲洗速度下的压降特性,并采用Fluent(15.0)软件对滤帽过滤和反冲洗过程中的流场分布特征进行了数值模拟,研究了滤帽内外的压降分布规律。结果表明:滤帽压降模拟结果和试验测试结果吻合性较好,相对误差3.54%～6.53%。随着滤速升高,滤帽产生的水头损失较滤层水损增长更为显著,反冲洗过程中的滤帽水损要大于过滤状态;通过对滤帽内部流场分析,滤帽水损主要产生于近滤缝区域和芯柱区域,均是由于过水流道突然缩小导致,在滤层滤速为0.030 m/s时,滤缝和芯柱进口处滤速分别为2.57和4.01m/s。结合以上结果,设计了一种扁平球面滤帽结构,增加了滤缝面积,优化了芯柱结构,缩小了滤帽高宽比,通过数值模拟,表明扁平球面滤帽结构有助于改进过滤和反冲洗效果。研究结果可为滤帽选型和优化改进提供参考。     

微灌石英砂滤层流态特性与分形阻力模型参数确定

石英砂是微灌过滤中常用滤料,具有多孔介质属性。该文将多孔介质模型和分形理论相结合,对3种粒径的微灌石英砂滤层的过滤过程展开研究。将Ergun型方程无量纲化,并结合试验确定了石英砂滤层的流态分区。构建了石英砂滤层清洁压降的分形阻力模型,在模型中,过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数为待定参数。为了确定二者的值,将Ergun型方程与分形阻力模型相对比,得出了Ergun型方程经验系数的分形表达式,从而确定待定参数的值。首先,结合试验数据,拟合出湍流区经验系数的值,根据经验系数的分形表达式,确定了过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数等参数,得出了湍流区分形模型的表达式。然后,以湍流流区分形参数的值为边界值,确定了Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数表达式和滤层横截面分形维数的值,并得出了Forchheimer流区分形模型的表达式。在此基础上,分析了滤层过滤特性:1)根据Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数的变化规律,得出了在Forchheimer流区滤层存在成熟期的结论;2)探讨了滤层最佳过滤速度和最佳清洁压降的计算方法,构建了石英砂滤层过滤性能函数,并利用过滤性能函数计算出了滤层的最佳过滤速度和最佳清洁压降。3种滤层最佳过滤速度分别为0.02、0.024和0.027 m/s,最佳清洁压降分别为6 045、9 660、14 500 Pa。研究为微灌砂过滤器运行和设计优化提供了技术依据。     

砂滤罐处理工厂化养鱼循环水效果

根据石英砂粒径与颗粒密度的关系,研究砂滤罐处理工厂化养鱼循环水效果,该试验采用了2组并联的3层滤料普通砂滤罐,根据几何、物理原理,以石英砂最大颗粒密度,粒径3 mm作为中层,粒径2 mm和5 mm作为上下层,且颗粒密度均小于中层的设计。进行砂滤罐工厂化循环水处理效果和反冲洗再生效果的试验,结果表明：悬浮物去除效果极为显著（P＜0.01）,去除率达99.83%,达到了去除悬浮物的要求。砂滤罐经过反冲洗后,能够再生使用。     

微灌用石英砂滤料的过滤与反冲洗试验

通过对微灌用砂石过滤器滤料的过滤和反冲洗试验,分别对5种泥沙含量的原水在5个过滤速度和5个反冲洗速度条件下,测定分析了出水浊度随时间的变化规律,提出了滤料对浊度的滤除比率的计算方法,试验结果表明：冲洗流速加大,出水浊度接近清水浊度的时间缩短,正常速度范围内反冲洗在6～7min内完成;原水浊度与滤后水浊度成正比,过滤速度与滤后水的浊度成正比,浓度在0．1‰～1‰范围内,浊度的滤除比率在40％～60％之间;滤层同样有一个成熟期,在此期间滤后水浊度是变化的。     

微灌用叠片式砂过滤器性能试验研究

针对微灌工程中灌水器堵塞的问题,在分析现有砂过滤器基础上,研究设计了叠片式砂过滤器。通过大量的水力性能测试和反冲洗抗堵塞性能试验以及对比试验,探讨了一定滤管直径的最佳叠片数,即滤管直径Φ₁=20 mm时,叠片数为48片为宜;并提出叠片式砂过滤器的水力性能特性曲线方程和过滤水头损失经验公式。试验结果表明：叠片式砂过滤器水力性能良好,过滤能力大,水头损失小,即在设计流量为10 m³/h下,叠片式砂过滤器的清洁压降比滤头式砂过滤器小37%;过滤与反冲洗效果好,是节水灌溉系统中理想的防堵塞设备。     

滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析

为了全面了解现有自清洗网式过滤器内部水流结构和特性,为进一步结构优化提供依据,该文采用Fluent(6.3)软件对其进行了全流场数值模拟。在分析过滤器结构及自清洗原理基础上,建立了过滤器内部流场的数学模型和自清洗系统的动网格模型,给出了过滤过程和自清洗过程计算区域和网格、以及进出口边界条件,对比分析了自清洗流量与进出口压力降关系模拟结果和试验结果。分析表明：模拟压降与实测压降符合较好,可以保证后续模拟结果的可靠性;在此基础上,对过滤过程内部流场进行了模拟,得到了水流流速、紊动能和压力的分布规律,分析了过滤器结构设计不足。运用动网格技术,对过滤器自清洗过程进行了数值模拟,通过流速、紊动能和压力分布等流场分析,指出了自清洗系统的不足,研究结果可为过滤器结构优化设计提供参考。     

基于分形维数特征的砂滤层适宜粒径范围

为了对砂滤层过滤性能进行分析,该研究以粒径范围为1.0～1.18、>1.18～1.4和>1.4～1.7 mm的3种砂滤层为研究对象,以黄河泥沙作为原水杂质颗粒,采用激光衍射粒度分析仪测量了人民胜利渠泥沙粒度分布,得到了泥沙粒度分布的密度函数,并以兰考县黄河泥沙对泥沙粒度分布规律进行了验证。采用工业CT对3种砂滤层进行扫描,利用计算机图像处理技术,采用像素点覆盖法,自编程序计算了3种砂滤层横截面特征参数,孔隙率均值分别为0.421、0.431和0.439,计盒分形维数均值分别为1.695、1.709和1.726,截面最小孔径与最大孔径比分别为1/17、1/18和1/21,拟合了孔隙率与计盒分形维数的相关关系,分析了砂滤层分形理论适用性。建立了砂滤层过滤概率分形模型,计算了3种砂滤层孔隙直径范围,分别为59.5～1 002、66.9～1 220和72.9～1 503 μm,计算了原水中100 μm以上杂质颗粒通过砂滤层的概率,对于人民胜利渠泥沙,分别为0.67%、0.81%和0.93%,对于兰考县黄河泥沙,分别为0.62%、0.80%和0.91%。从理论上证明了表层过滤的存在性,分析了表层过滤的机理及其对反冲洗频率的影响。同时,为了减轻表层过滤,粒径范围为>1.4～1.7 mm的滤层更适宜作为砂过滤器的滤料。研究可为砂滤层内部结构的研究和滤料选型提供基础理论与数据参考。     

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier（KP）和Todorovic（TD）两种方法来确定Penman-Monteith（P-M）模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明：冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。     

涡旋式流化床生物滤器水力特性试验

为把流化床生物滤器应用于循环水养殖系统,探讨其较佳的设计与运行参数,研制了一种涡旋式流化床生物滤器,并对其水力特性进行了试验研究。试验装置使用石英砂作为填料,设计了0.18～0.25、>0.25～0.425和>0.425～0.6mm3组不同粒径范围的石英砂和40、50、60、70、80和90cm6组不同初始砂床高度的双因素试验,探讨了石英砂粒径和初始床层高度对砂床流化性能的影响。结果表明:3组不同粒径范围石英砂的临界流化速度分别为(0.061±0.0088)、(0.25±0.011)、(0.48±0.014)cm/s。砂床要保持良好的流化状态,初始砂床高度与床层直径的比值(高径比)需分别大于1.43,1.78和2.14,且高径比与石英砂粒径大小成正比;在相同的膨胀率下,当初始砂床高度增加时,表面流速基本保持不变。床层压降测量显示,3组不同粒径范围石英砂单位床高的压降值分别为(7530.66±215.98)、(6925.66±364.58)和(6790.08±277.95)Pa/m,使用0.18～0.25mm石英砂测得的压降试验值与理论值较为接近,误差在2%～3%。基于Ergun方程,采用回归拟合方法得出涡旋式流化砂床临界流化速度的数学模型,可为流化床的设计和应用提供技术依据。     

低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。     

不同网孔与筒体模型对Y型网式过滤器性能的影响

Y型网式过滤器广泛运用于微灌系统,其良好的水力性能是保证微灌系统稳定运行的关键,为了分析其水力性能,该研究采用数值模拟和物理试验相结合的方法,分析了网式过滤器在3种滤网网孔（正方形、圆形、菱形）以及3种筒体弧线角度（0°、15°、30°）下,过滤器内压降系数、滤芯网面流量分布、内部流场、压力分布等水力特性的变化。结果表明：物理试验与数值模拟之间的水头损失系数平均差异为9%,表明了数值模拟的可靠性,其中圆形网孔过滤器水头损失系数最大,正方形次之,菱形最小;滤网网孔形状对过滤器网面过流量分布的影响较大,正方形网孔过滤器的中速过流量区域占比最高达到了47.5%,圆形次之,菱形最小仅为26.5%。过滤器的水头损失随着筒体弧线角度的增加而逐渐减小,35°的压降系数较0°的减小了73.15%,网面流量的分布也随着角度的增加变得更为均匀,其中35°的中速过流量区域面积较0°增大了71.48%,水力性能明显提高;此外随着筒体弧线角度的增加,出口侧中上段滤网处的内外压差明显减小。因此在实际微灌系统中,选择网孔为正方形、筒体弧线角度30°的过滤器,其内部流场缓和、网面流量分布均匀,提高了过滤器的水力性能和使用寿命。该研究成果可为网式过滤器结构优化提供设计方案与理论依据。     

导流片对Y型网式过滤器性能的影响

针对网式过滤器内部导流片改变了原有的水沙运动规律,使其水沙运动更加复杂的现状,该文采用CFD-DEM耦合数值模拟和试验测试的方法,对比分析了有无导流片时,过滤器内的水流运行、流量分布及压降系数等水力特性的变化,研究了沙粒在网腔和滤网面上的运动及分布情况。结果表明:与无导流片时相比,导流片使得滤网面上流量变得均匀。清水试验时,有导流片的压降系数较无导流片的大17.92%,水头损失大。过滤浑水时,有导流片的过滤器压降系数小,流速下降比变化平缓,过流能力明显提高;沙粒主要分布在滤网面中心线上及两侧较大流量的位置,有、无导流片时堵头内的沙粒数占总数比分别为90.07%、50.98。导流片的安装减少了泥沙在滤网面上的堆积,提高了过滤器的抗堵塞性能。     

微灌鱼雷网式过滤器全流场数值模拟

为了充分了解鱼雷网式过滤器内部流场分布规律,该文应用雷诺时均(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)方程及RNG k-ε湍流模型,对过滤器内部全流场进行全流场数值模拟。结果表明:鱼雷部件和出水口边界条件对该过滤器的速度流场和压力场分布规律影响很大,鱼雷部件的影响是尤为突出;滤网及其内、外侧的水流流速沿X轴的变化规律分流速迅速增加、流速迅速减小和流速缓慢减小3个阶段;滤网内外压力分布有很大的的差异,滤网内侧压力沿X轴分布从迅速增加到缓慢减小、最后趋于稳定。而滤网外侧压力分布沿X轴的变化很大,特别是在出水口处压力迅速减少,压力沿X轴的波动幅度较大。滤网内侧压力比外侧的大,两者的压力差沿X轴越来越小,最大压力差为23 k Pa左右,最小压力差为0.5 k Pa。研究结果认为整个滤网堵塞不均匀,滤网堵塞呈现从尾部开始向出水口方向发展的趋势,对后续滤网的冲洗排污产生重要影响。该文建议在设定最佳排污压差时需要慎重考虑。     

抽水蓄能机组甩负荷试验时尾水锥管压力

抽水蓄能机组水力调节过渡过程计算控制核心要求之一是尾水锥管压力不超过设计值。设计值是根据水力过渡过程理论的一维数值模拟"计算值"加上一定"压力脉动修正"量和 "计算误差"后计算获得。长期以来，尾水锥管压力计算值与尾水锥管压力测量值之间仍存在一定偏差，导致采用实测数据对计算结果进行评判时不能得到合理的解释与评价。为解决调节保证计算与试验验证之间的分歧，该研究对调节保证计算时尾水锥管压力最小值含义进行了阐释，梳理了调节保证计算与试验中涉及尾水锥管压力的相关国内标准。在此基础上，以洪屏抽水蓄能电站调试阶段四台机组甩额定负荷时的实测尾水锥管压力为研究对象，首先分析了压力测点的测量条件，采用短时傅里叶变换进行频率特性分析，验证了测试数据的有效性；其次采用Savitzky-Golay滤波器分离出了表征一维数值模拟断面平均压力计算值的压力趋势与表征流动复杂性的压力脉动，针对压力脉动项研究了峰峰值与时长的关系并获得了压力脉动项最大峰峰值，验证了趋势项与一维数值模拟之间的一致性；随后采用压力脉动项最大峰峰值对数值模拟和实测压力趋势项极值进行修正；最后总结形成了尾水锥管压力调节保证设计值的修正流程。案例研究表明：采用截止频率为0.1～0.2倍转频的低通滤波器可以有效分离出与一维数值模拟一致的尾水锥管压力趋势项；采用3～4个旋转周期数对应的压力脉动数据进行分析可以获得压力脉动项的最大峰峰值；利用压力脉动最大峰峰值对一维数值模拟极值进行修正能够实现调节保证的有效设计与验证。该研究为抽水蓄能机组调节保证设计与验证提供了有效支撑。     

提高耐磨与破碎性的仿生凹坑形磨辊设计与试验

为了提高水泥辊压机磨辊的耐磨性与破碎性,以仿生非光滑理论为指导,在磨辊表面设计并加工出具有不同直径、不同深度、不同轴向间距及周向个数的仿生凹坑形结构,根据正交表编制试验方案并对磨辊进行磨损及破碎性试验。试验结果表明,仿生凹坑形结构可以有效提高磨辊的耐磨性与破碎性。相对于标准磨辊,其耐磨性最大提高29.06%,破碎性最大提高18.7%。当仿生磨辊的凹坑直径为8 mm、凹坑深度为2 mm、轴向凹坑间距为16 mm、周向凹坑个数为12时,是兼具耐磨性及破碎性的最优辊。通过有限元方法对磨辊所受应力进行分析时发现,合理的仿生凹坑形结构可以优化磨辊表层受力,减少磨辊磨损;磨辊挤压石英砂破碎时受到的最大挤压力是影响其破碎性的重要因素。通过单颗粒石英砂破碎试验可知,仿生凹坑形结构减少了石英砂对其表面的刻划,分散了石英砂对其表面的挤压力,提高了磨辊的耐磨性及破碎性。