羅 菲，姜泉泉，郭 華，邱秀云，李 琳

(1.水利部新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000;2.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052;3.國電新疆吉林臺水電開發(fā)有限公司，新疆烏魯木齊 830001)

0 引言

垂向異重流式混合流體分離鰓凈水裝置(見圖1，文中簡稱為“裝置”)是新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院水力學教研室課題組成員研制出的一種新型的水沙分離裝置［1］.通過室內試驗，利用該裝置處理含細沙的粘土的渾水，在不添加任何化學藥劑的情況下，泥沙沉降速度是泥沙在靜態(tài)下沉降速度的1.9～3.7倍，與添加化學藥劑后泥沙沉降速度相近［2-4］.而用該裝置得到的清水對人體健康無害，排出的泥沙也不會對周邊環(huán)境造成污染，同時也降低了分離清水的投資成本，是一種替代絮凝沉淀池的綠色環(huán)保的分離裝置.

實際工程中，“裝置”是懸掛在沉淀池中［5-7］，這樣對一個單體分離鰓來說，就增加了進流口和出流口邊界.因此，本文利用RNG k-ε兩方程紊流模型和簡化的多相流Mixture模型，對有進出流時的“裝置”內水沙兩相流流場進行數(shù)學模擬，將其計算結果與無進出流時的“裝置”［8-9］進行對比，分析“裝置”的水沙分離機理.

1 數(shù)學模型

本文采用混合物(mixture)模型［10］和 RNG k-ε紊流模型［13］.混合物(mixture)模型是一種簡化的多相流模型，它假定在短空間尺度上局部平衡，來求解混合相的動量、連續(xù)性和能量方程，第二相的體分率以及滑移速度和漂移速度.RNGk-ε紊流模型由Yakhot和 Orszag應用“renormalizationgroup”(重整化群)的數(shù)學方法建立的，它考慮了紊流漩渦，提高了計算精度，并且可以正確處理近壁區(qū)域，適用于分層流和浮力流.

2 數(shù)值方法及邊界條件

2.1 物理模型

圖1為“垂向異重流式混合流體分離鰓”凈水裝置的示意圖.裝置為矩形管狀鰓，由鰓管、鰓片構成，分離鰓內布置五個鰓片.本文物理模型采用試驗優(yōu)化的結構尺寸［2-4］，長方向a=10，寬方向b=4，高方向c=40，鰓片與寬方向構成的角度α=60°，與長方向構成的角度β=45°.鰓片以雙斜式固定在矩形鰓管長方向的兩側壁上，構成三角形排沙及過清水的橫斷面，但與寬方向的兩側壁之間保持有一定的距離，即鰓片與管壁之間構成清水上升和泥沙下降的互不干擾的道.

圖1 “裝置”示意圖

2.2 數(shù)值方法及網格劃分

本文控制方程的離散采用了控制容積積分法［11］，流項的離散格式采用二階迎風格式，壓力與速度耦合方程使用Simple算法進行求解，使用經優(yōu)化后的非結構性網格，網格數(shù)為8.748 7萬個.

2.3 邊界條件

(1)進口邊界 進口為孔口進水，視為均勻來流，取來流方向為z方向，故進口邊界條件為:

進口1:U=0，V=0，W=-w;

進口2:U=0，V=0，W=w

其中:U、V、W—分別為 x、y、z方向的分速度;

w—進口斷面的平均流速.根據(jù)試驗進流量和進口斷面面積確定其大小，在本文模擬的工況下，w=0.019 m/s.

(2)出口邊界 出口包括排沙底孔和上端清水出口.上端溢流表面所連接的出口采用壓力邊界條件，出流和大氣相通，為大氣壓;排沙底孔的水流方向相對比較復雜，將其設置為壓力出口，出流和大氣相通，為大氣壓.

(3)固體壁面 分離鰓邊壁、底部及分離鰓片均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理，壁面處為無滑移邊界，對靠近壁面區(qū)域采用標準壁面函數(shù).

(4)自由表面 分離鰓上部溢流表面的水面幾乎沒有變化，基本上是一水平面，故采用“剛蓋假定”［15］，在自由表面上運用對稱邊界條件來處理，即在自由面上可認為垂向流速為零.

2.4 初始條件

計算介質為水和沙，主相為水，密度為998 kg/m3;次相為沙，假定顆粒為球形，平均粒徑為0.015 mm，密度為 2 650 kg/m3.渾水質量濃度為100.8 kg/m3.

3 計算結果與分析

3.1 同一時間步長沿寬方向不同剖面的速度分布

圖2、圖3為t=500時間步長沿寬方向(z方向)不同剖面的速度矢量圖、速度云圖，其z值沿鰓片自高向低分別取z=0.005 m、z=0.020 m和z=0.035 m.由圖清晰可見，“裝置”內部流場存在繞兩側通道運動的垂向異重流和繞鰓片上、下表面運動的橫向異重流.鰓片上下側各有一個順時針渦旋，這與未設進出口的單鰓片紊流模型［8-9］的流場分布一致.兩側通道、鰓片表面及進出口流速較大，最大流速值為 0.102 m/s，平均流速值為 0.012 m/s.

圖2 沿寬(z)方向不同剖面的速度矢量分布圖

圖3 沿寬(z)方向不同剖面的速度云圖

3.2 同一剖面在不同時間步長的速度分布變化

分離鰓取中間剖面進行分析，即:z=0.005 m、z=0.020 m、z=0.035 m，得到分離鰓在 t=100、t=400、t=800、t=1 100、t=1 807 時間步長的流速分布，見圖4.

由圖可見，在t=100時間步長，分離鰓開始沉降的時間較短，流速增幅不大，由于初始時刻速度為零，此時分離鰓內流速較小，但進口流速是一個定值，為0.019 m/s，遠遠大于其內部流速，因此鰓片周圍的流場較紊亂，受進口流速影響較大.沉降一段時間后，從t=400及t=800時間步長的流速分布圖上，可以看到分離鰓內流場已出現(xiàn)有利于渾水分離的垂向異重流和橫向異重流現(xiàn)象，此時泥沙加速沉降，流場分布與未設置進出管的分離鰓是一致的.但與之不同的是，進出口的設置多少都會對內部流場有一定影響，圖上顯示，分離鰓進出口處存在小渦流，但并不會破壞異重流，影響分離效率.在t=1 100時間步長，分離鰓上下側的大渦流消失，但進出口處的小渦流仍然存在，此時，已經漸漸穩(wěn)定.未設進出流的分離鰓在渾水分離完畢后，計算結束，當分離鰓設有進出流時，其沉降是一個無限循環(huán)的過程，計算迭代完成后，它的流場穩(wěn)定下來，但渾水分離并未結束.因此，分離鰓的出口自始自終都在分離清水、排出泥沙，直到進口停止進水為止.

圖4 沿寬方向z=0.020 m剖面不同時刻的速度矢量分布圖(z為寬方向)

3.3 同一時間步長沿寬方向不同剖面的濃度分布

圖5是t=500時間步長不同剖面的濃度分布.圖中顯示，與未設置進出口的分離鰓的濃度分布相一致，即:鰓片上表面濃度大于鰓片下表面，清晰可見清水上升流和泥沙下沉流.不同的是:分離鰓頂端出口濃度較小，此為清水出口;而低端出口濃度較大，為排沙出口，由于筆者未考慮分離鰓排沙的優(yōu)化，底部設計為平底，其排沙效果不好，沉降下來的泥沙多淤積在分離鰓左側.

3.4 同一剖面在不同時間步長的濃度分布變化

圖6 為 z=0.020 m 剖面在 t=100、t=400、t=800、t=1 100、t=1 807時間步長的泥沙體積濃度分布圖.從圖中可以看出，從初始時刻到泥沙加速沉降時間段內，濃度分布和未設置進出流的分離鰓的濃度分布是基本一致的.不同的是:設置進出管的分離鰓內的水沙分界面不是一個水平面，從圖上可以看到，在此面具有紊動性.從t=1 100時間步長到計算迭代結束(t=1 807時間步長)，在z=0.035 m剖面上，大量泥沙淤積在底部，未能及時有效地排出，此面上仍然可以看到泥沙下沉流，這是因為計算迭代完成后，流場穩(wěn)定下來，但渾水分離并未結束.

圖5 沿寬方向豎向剖面的泥沙體積濃度分布圖(z為寬方向)

圖6 沿寬方向z=0.020 m剖面不同時刻的泥沙體積濃度分布圖(z為寬方向)

4 結論

本文通過對有進出流時單鰓片分離鰓裝置的流場和濃度場的三維數(shù)值模擬，得到以下結論:

(1)采用的RNG k-ε兩方程紊流模型和簡化的多流體Mixture模型能夠較好模擬有進出流時裝置內的水流運動情況.

(2)有進出流時裝置內同樣存在兩種循環(huán)流動的異重流現(xiàn)象，即:水沙繞鰓片形成的橫向異重流和水沙繞容器邊璧的垂向異重流.鰓片上下各存在一個順時針渦旋，兩側通道與鰓片上、下表面流速較大，其余區(qū)域流速很小.這與靜水條件下的結果相一致.

(3)進出流的設置未破壞異重流，不影響水沙分離效率.

(4)未考慮分離鰓排沙的優(yōu)化，底部設計為平底，沉降下來的泥沙多淤積在分離鰓左側，未能及時有效地排出，此模型設計排沙效果不好.

［1］邱秀云，龔守遠，嚴躍成，等.一種新型水沙分離裝置的研究［J］.新疆農業(yè)大學學報，2007，30(1):68-70.

［2］朱 超，邱秀云，劉 艷.垂向異重流式水沙分離鰓鰓片型式對水沙分離的影響研究［J］.新疆農業(yè)大學學報，2008，31(6):72-75.

［3］朱 超，邱秀云.垂向異重流式分離鰓適用泥沙的試驗研究［J］.人民長江，2009，40(5):60-61.

［4］嚴躍成，邱秀云，張 翔，等.兩相流分離鰓泥沙運動軌跡及加速滑移的力學分析［J］.水利水電科技進展，2011(5):27-29.

［5］張 翔，邱秀云，李 琳.垂向異重流式分離鰓在動水中的集成試驗研究［J］.新疆農業(yè)大學學報，2010，33(4):1-4.

［6］張 翔，邱秀云，李 琳.垂向異重流式分離鰓在靜水中的集成試驗研究［J］.水利水電科技進展，2011，24(6):32-37.

［7］張 翔.兩相流分離鰓的泥沙沉降特性及集成試驗研究［D］.新疆:新疆農業(yè)大學，2009.

［8］羅 菲.兩相流分離鰓的水沙流場數(shù)值模擬［D］.新疆:新疆農業(yè)大學，2009.

［9］羅 菲，邱秀云，李 琳.單鰓片分離鰓固液兩相流流場數(shù)值模擬［J］.新疆農業(yè)大學學報，2011，34(3):253-258.

［10］李 琳，邱秀云.渾水水力分離清水裝置內水沙兩相流弱旋流場數(shù)值模擬［J］.中國農村水利水電，2008(1):11-19.

［11］YAKHOT V.，ORSZAG S.A.Renormalization group analysis of tur-bulence［J］.Journal of Scientific Computing，1986，1(1):3-5.

［12］JOHN D.ANDERSON.JR.Computational Fluid Dynamics［M］.北京:清華大學出版社，2002:216-278.