不同进口高度排水管道用涡流装置截流特性模拟与试验

为研究不同进口高度h的涡流截流装置的截流特性,选用瞬态不可压缩流动的N-S方程和重整化群RNG k-ε湍流模型,采用欧拉模型中的VOF(volume of fluid)法对涡流截流装置进行了数值模拟,分析了进口高度h对涡流截流装置截流特性、截流效率的影响,并且研究了涡流装置内部流场分布特性,同时对涡流截流装置的截流特性进行了试验验证。结果表明,进口高度越小,截流能力越强;涡流截流装置的截流效率,随着高度h增大先减小后增大,转折点在3h/5~4h/5之间;当进口宽度固定时,为了保证不发生溢流或者堵塞,且能够实现较好截流,涡流截流装置的进口高度应选择4h/5~5h/5之间,此时,涡流装置的进口截面面积大于出口截面面积。涡流截流装置的截流主要是因为在装置内部形成了局部低压,静压力转换为流体运动的动压力,使流体产生高速旋流,发生了旋流截流。该研究可为城市污水截流装置提供新的可选设计方法,降低污水溢流或者内涝发生率。     

不同颗粒属性下旋流阀固液两相管道流动特性

采用欧拉-拉格朗日方法,对自行设计的旋流阀进行三维数值模拟,重点分析小颗粒粒径(10 μm)和大颗粒粒径(200 μm)2种颗粒共存时,不同颗粒密度(1 900,2 300,2 650 kg/m³)下,旋流阀内部的流动特性、管道出口流量和压力损失系数. 结果表明:旋流阀内部流场会产生偏离基圆中心的偏心旋流速度场和压力场,在偏心压力场中心会形成局部低压.由于压力能的减小,使得流体速度增加,产生了旋流加速.旋流阀的存在,使得管路中产生了大小不同的涡旋,在旋流阀出口,涡旋的延伸区域中,颗粒的含量减少. 小粒径颗粒从流体获得的速度较大;颗粒密度越大,阻力系数越大,能量损失越大. 较高的旋流速度,降低了颗粒在管路中的含量,有助于管道颗粒物迁移. 通过试验测试可以发现,由于旋流阀的存在,在其内部形成了旋流气柱;在旋流阀及其系统中,含有的杂质会在旋流的作用下旋转起来; 这在一定程度上验证了数值模拟中旋流阀的低压分布和旋流加速特性.     

不同流量工况下蜗形滞流器三维模拟

为研究在不同雨量情况下蜗形滞流器的节流效果和工作特性,并探索蜗形滞流器的节流规律,采用VOF模型对蜗形滞流器不同流量工况的外特性及内流特性进行模拟分析.结果发现:不同流量情况下的蜗形滞流器节流效果不同,流量越大,节流效果越好,但开始产生节流的水位也越高.流量过大时,由于对蜗形滞流器形成直接冲击消耗势能,节流能力进一步增加;流量的不同影响检查井水位上升的速度与最终水位,因而影响蜗形滞流器内部的水流速度,但中心区域与壁面速度始终较低,说明空气带附近水流速度是相同的;不同流量情况下,蜗形滞流器到达稳定流态时其法向截面的压力呈偏心圆分层分布,并且中心有负压区,负压区的大小直接影响节流能力的强弱.通过模拟分析得到的研究结果可以为蜗形滞流器的进一步推广提供理论基础与技术指导.     

连续变流量下蜗形滞流器的三维模拟

结合实际雨量的变化规律,以简化的芝加哥雨型作为蜗形滞流器的进口边界条件,对连续变流量工况下的蜗形滞流器进行了三维模拟,为进一步研究蜗形滞流器并推广应用提供理论基础与技术指导.研究结果表明,在流量逐渐增大再逐渐减小的条件下:蜗形滞流器外特性曲线的节流过渡段波动较大;在检查井及蜗形滞流器内均有旋涡产生;随着水位上升,蜗形滞流器内的空气被挤压并滞留在出水管道中形成空气带;蜗形滞流器的截面流速由壁面向中心呈现先增大再减小的变化趋势,其内部压力由壁面向中心逐渐减小,并在中心低流速区域产生负压区.蜗形滞流器的节流过程是一个过渡过程,在该过程中产生的低压空气带是发挥节流效果的关键因素,并且不同流量情况下的进口边界条件仅仅影响节流开始产生时的水位高度,对最终节流效率并没有明显影响.     

带有导流板的蜗形滞流器三维数值模拟

为了在不减少流通面积条件下提高新型改善城市内涝装置的蜗形滞流器节流效率,判断能否将其投入实际应用.采用VOF两相流计算方法对蜗形滞流器外特性进行模拟分析,结果发现:试验曲线与模拟曲线吻合度较好,说明该模拟方法可以较为准确反映蜗形滞流器的流动特性;未设导流板的蜗形滞流器的节流效率为18.2%,在其内部加设导流板后,最终节流效率提高约22.7%;加设导流板的蜗形滞流器节流效果普遍在30.0%以上,并且节流效率与导流板的角度α相关,但并非呈线性关系,在α=15°左右时,其节流效率可达到最高约40.9%.     

阀体间隙对球阀性能和内部流场分布的影响

为了研究阀体间隙对于管道球阀性能和内部流动特性的影响,基于有限体积法和标准k-ε湍流数值模型,对管道球阀含有间隙和不含有间隙的流道模型进行三维数值模拟计算. 结果表明:无论是含有间隙和不含有间隙的管道球阀流道模型,球阀的流量系数特性、阻力系数特性、空化系数特性,都是在球阀开启角度40°~50°时发生转变; 此时,截面YOZ压力存在压力局部位置较大的集中区域以及旋涡分离现象,会形成2个大小基本相同且对称分布的旋涡. 含有间隙的球阀模型,阀体间隙影响管道下游的流动分布(压力分布、速度分布以及涡分布),流动更加复杂. 同时,阀门开度对阀门过流截面上的压力分布也有一定的影响. 在进行球阀性能精确预测时,不可以进行简化处理,必须考虑间隙对球阀性能和内部流场分布的影响.     

涡流装置固相冲洗特性三维多相流动数值模拟

为了研究涡流装置内固相冲洗特性,应用计算流体动力学(CFD)方法模拟其内部流动特征.采用RNG k-ε湍流模型、VOF气液两相流动和DPM离散相颗粒轨迹追踪模型对涡流装置在Rosin-Rammler颗粒分布时的三维流场进行了数值模拟,分析了颗粒的运动规律、粒径分布、流体流场对颗粒运动的影响以及涡流装置的截流比例.结果表明:涡流装置的存在,使其内部及其延伸的管道内产生了高速旋流,且旋流在下游管道延伸距离很长,降低了颗粒含量,这有利于颗粒的快速流动;颗粒的运动,对流体流场依赖性很强;涡流装置具有较好的截流特性,稳定后的截流量在35%以上,但是其结构设计需保证出口截面面积大于等于进口截面面积,这主要是为了防止堵塞,其可以在合流制管路系统中用于截流去污.