第２９卷第１９期２０１３年ｌＯ月中国给水排水ＣＨｌＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲｖ０１．２９Ｎｏ．１９Ｏｃｔ．２０１３旋流除砂器对高含砂地表水处理效果的仿真模拟龙天渝，鲁旭萍，胥标，姜文超，焦丽蓉（重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆４０∞４５）摘要：针对长江重庆段水体在夏季细砂含量高、不易直接作为热泵水源的问题，设计了旋流除砂器，并应用数值模拟方法，就所设计的旋流除砂器的入口速度、入口砂粒浓度和密度对各粒径砂粒分离效率的影响进行研究，以期得出旋流除砂器的最佳操作参数。研究结果表明，随着入口速度、入口砂粒密度的增大，各粒径砂粒的分离效率均有不同程度的提高；而随着入口砂粒浓度的增加，小粒径砂粒的分离效率降低，较大粒径砂粒的分离效率先降低后逐渐增大。关键词：旋流除砂器；微细砂粒；数值模拟；分离效率曲线中图分类号：ＴＵ９９１文献标识码：Ｃ文章编号：１０００—４６０２（２０１３）１９—００５８一０４ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＨｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅＳｅｐａｒａｔｉｏｎＥｆ！ｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＬＯＮＧＴｉａｎ—ｙｕ，ＬＵＸｕ—ｐｉｎｇ，Ｈｉｇｈ－ｓ强ｄＸＵＢｉａｏ，ＳｕｒｆａｃｅＷａｔｅｒＪＩＡＯＬｉ—ｒｏｎｇＪＩＡＮＧＷｅｎ—ｃｈａｏ，（５ｃ＾ｏｏｆＱ厂昕６ｎｎｃ０瑚￡ｒ眦ｔ幻凡口ｎｄＥｎ＂ｉｒｏ凡撇ｎ以Ｅ昭ｉ珊ｅｒｉ愕，Ｃ危。哪ｉ愕踟妇巧妙，傩ｏ，ｑ蛔ｉ增４０００４５，Ｃ＾ｉｎ。）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｔｈｅｈｉｇｈａｍｏｕｎｔｓｏｆ６ｎｅｓａｎｄｓｉｎｔｈｅ（：ｈｏｎｇｑｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＹａｎｇｔｚｅｕｓｅａｓａｓｏｕｒｃｅＲｉｖｅｒｄｕｒｉｎｇｓｕｍｍｅｒ，ｗｈｉｃｈｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅｓｔｈｅｗａｔｅｒ’ｓｔｏｈｅａｔｐｕｍｐｓ，ａｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｉｎｌｅｔＶｅｌｏｃｉｔｙ，ｓａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｍｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｉｆｋｒｅｎｔｓｉｚｅｓｗａｓｓｅｐａｒａｔｉｎｇｓａｎｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａＩｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｏｆｔｈｅｈｙｄｍｃｙｃｌｏｎｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｐａｍｔｉｏｎｅｍｃｉｅｎｃｙｏｆｓａｎｄｗａＳｉｍｐｒｏｖｅｄｇｒｅｅｓｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｅｎｓｉｔｙａｔｔｈｅｉｎｌｅｔ．Ｖａｒｙｉｎｇｄｅ—Ａｓｔｈｅｃｏｎｅｅｎｔｍｔｉｏｎｏｆｓａｎｄａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｉｎ－ｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｓｅｐ锄ｔｉｏｎｅｍｃｉｅｎｃｙｏｆｓｍａｌｌｓａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｄｅｃｌｉｎｅｄ．ＨｏｗｅＶｅｒ，ｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｅ侬ｃｉｅｎｃｙｏｆｌａｒｇｅｓａｎｄｐａｎｉｃｌｅｓｉｎｉｔｉａＵｙｄｅｃｈｎｅｄａｎｄｔｈｅｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｍｃｙｃｌｏｎｅ；６ｎｅｓａｎｄ；ｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｅ伍ｃｉｅｎｃｙｃｕｎ，ｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；重庆地区有着非常丰富的水资源条件，为水源热泵技术在重庆市的应用提供了得天独厚的自然资源条件…。根据水文数据旧Ｊ：长江水含砂量为２０～２０００决其含砂量问题。鉴于旋流除砂器具有良好的固／液分离效果，笔者针对长江重庆段水砂特点设计了旋流除砂器，并通过数值模拟，就人口速度、人口砂ｍ∥Ｌ，而《采暖通风与空气调节设计规范》粒浓度及密度对分离效果的影响进行了研究。（ＧＢ５００１９—＿２００３）中“对采用地下水、地表水的水１紊流模型与数值模拟１．１源热泵机组推荐的水质，要求含砂量＜６．５ｍｇ／Ｌ”。可见，利用重庆段长江水作为水源热泵水源必须解紊流模型旋流除砂器中流体的流动为紊流，假定其流动基金项目：国家“十一五”科技支撑计划重点项目（２００７ＢＡＢ２１８０ｌ一０２）·５８·万方数据龙天渝，等：旋流除砂器对高含砂地表水处理效果的仿真模拟第２９卷第１９期为恒定流动，控制方程采用混合多相流模型（Ｍｉｘ－直径为３０ｍｍ、柱段高度为３０ｍｍ、溢流管管径为５ｔｕｒｅＭｏｄｅｌ）。ｍｍ、溢流管插入深度为２５ｍｍ、底流口直径为４连续性方程：ｍｍ、锥角为７。、锥段高度为２４０ｍｍ、总高度为２７０塑竺型：ｏ（１）ｍｍ。ａｘｉ动量方程：—百：；＿印ｍｇｔ一瓦＋瓦ｍｍ百一ａ（ｐ。ｕ缸“畸）ａＰ。．ａ，ｄ配“图１旋流除砂器结构示意ｐ。ｕ’血Ｍ’呵）＋Ｆｉｇ．１Ｓｃｈ鲫砸ｃｄｉａＦ锄０ｆ蛔妇呵ｃｌ蚰ｅ１．２．２网格划分盖（舌ａ护服，ｔⅡ埘）（２）由于旋流除砂器的入口与柱体是非正交面，整式中ｐ。——混合流体的密度，ｋｇ／ｍ３个结构不能采用结构体网格划分，但是旋流除砂器芭——重力加速度在ｉ（江１，２，３；下同）方向的流场对网格质量要求较高哺］。因此，必须将整个的分量体积划分为若干个小体积，单独网格化。最后将整Ｐ。——混合流体的压强，Ｐａ个模型划分为相互连接的７个小体积，人口部分采ｕ嘣——质量平均速度在ｉ方向的分量，ｒｎ／ｓ用Ｔｅｔ－Ｈｙｂｉ耐非结构化网格划分，其余６个小体积ｐ。——混合流体的动力粘度，Ｐａ·ｓ均采用Ｈｅｘ．ｗｅｄｇｅ结构化网格划分，全部网格约为Ⅱ’面——脉动速度在ｉ方向的分量，ｎ∥ｓ１０ｘ１０４个。ｎ——相数１．３边界条件吼——第１｜｝相的体积分数在模拟计算中，具体边界条件的处理如下：把人ｍ——第１｜｝相的密度，ｋｇ／ｍ３口设定为速度人口；对于底流口和溢流口处，认为流ｕ出，。——第｜｜｝相的飘移速度ｕｄｒ．。在ｉ方向的动已经充分发展，设定为压力出口边界条件；同时，分量，Ⅱ∥ｓ由于旋流器的人口雷诺数船很大，流体在其内部的ｐ。Ｈ７嘣Ⅱ’耐——流体脉动产生的雷诺应力，Ｐａ停留时间很短、变化很快，所以选择标准的壁面方定义滑移速度Ｍ哂为第二相（ｐ）相对于主相的程。１．４速度：物性参数的取值ｕ叩ｉ＝ｕ一一ｎｑｉ（３）旋流除砂器模拟水相的密度为９９８．２ｋｇ／ｍ３，动则飘移速度和滑移速度的关系为：力粘度为０．００ｌＰａ·ｓ。固相砂粒密度、固相体积分数、第二相粒径的具体数值选取见试验数据设计部Ⅱ抗，＝Ｍ积一砉警ｕ彬Ⅱ抗Ｐ剐积一直百ｕ彬（４）【４’分。由第二相（ｐ）的连续性方程可得第二相的体积１．５模拟方法分数方程为：压力选项初始选择卟ｅＰ砌ｊｓＴｏ算法，压力速度耦合选用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，动量、紊动能以及紊动蠹∞舢畸）＋蠹沁舻毗，）＝ｏ（５）能耗散率采用二阶迎风，体积方程采用ＱｕＩＣＫ格由于旋流除砂器中的紊流流动具有明显的各向式。用ｎｕｅｎｔ软件进行模拟，迭代计算精度设置为异性，故动量方程（２）中的雷诺应力的计算采用１０＿。。Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力方程模型（ＲｓＭ）‘３·４。。２试验数据设计１．２计算区域与网格按照实际测得的数据，嘉陵江北碚段和长江寸１．２．１旋流除砂器结构滩站泥沙中，粒径为０．００４、０．００８、０．０１６、０．０２０、针对长江重庆段水砂特点，通过对相关文献口】０．０３１和０．０６２ｍｍ的颗粒所占比例如表１所示【７Ｊ。进行对比分析与模型试验，设计出小口径的旋流除本研究试验数据的设计以表１中给出的颗粒粒径为砂器（结构示意如图ｌ所示），具体数据如下：柱段参考。·５９·万方数据第２９卷第１９期表１泥沙级配变化中国给水排水ｗｗ叫．ｗ缸ｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｅｏｍ％．１项目０．０（）４０．００８３模拟结果与分析ｓ锄ｄｓ寸滩站／％３５．６５２．８６７．５７８．６８６．６ＤｉｓⅡ西血ｏｎｏｆｇｒａｉｌＩ—ｓｉｚｅ３，１入口速度对分离效率的影响北碚段／％４５．０６０．１７４．８８６．６９２．６砂粒分离效率和入口速度的关系曲线如图２所示。可知，一定粒径的砂粒，随着人口速度的增加其分离效率提高；粒径为Ｏ．００４ｍｍ砂粒的分离效率增加缓慢，仅从４４％增加到５１％；较大颗粒（ｏ．０１０、０．０１６、ｏ．０３１粒径／ｍｍＯ．０１６Ｏ．０３１０．０６２ｍｍ）在速度增加初期，分离效率显著２。１入口速度提高，后期增加缓慢；对于较大颗粒，在速度增加到９、１０旋流除砂器的分离原理是基于离心分离，其分离效率与速度密切相关。通过砂粒级配百分数可知，江水中微细颗粒含量很高，那么速度对分离效果的影响会更加显著，因此有必要研究进口速度对分离效率的影响。按照表２的数据进行交叉试验，其中入口砂粒密度设定为２３５０ｍ／ｓ时可以完全去除。不难看出，速度为５、６ｎＬ／ｓ时分离效率已比较理想。由于江水中０．００４ｍｍ以下的颗粒含量非常高，通过增加速度（即动力）的方式来提高分离效率并不经济。粒径：ｋｇ／ｍ３、入口砂粒体积分数设定为ｏ．３０％。依次计算，得出每一速度水平下各粒径颗粒的分离效率，共得到４８组数据。表２砂粒粒径与入口速度７Ｉ址．２粒径／ｍｍ速度／（ｍ·ｓ“）Ｓａｎｄｓｉｚｅ锄ｄ零褂器ｉｌｌｌｅｔ褪永ｖｅＬ０ｃ蚵ａｔ０．００４０．００８０．０１０Ｏ．０１６０．０２００。０３１３４５６７８９１０３４５６７８９ｌＯ速度，（ｍ·ｓ。）２．２入口砂粒体积分数旋流除砂器内部的砂粒运动行为与其浓度和密度的关联性很大，因此设计了二组数值试验，通过模拟分别得出浓度和密度对分离效率的影响规律。按照表３的数据进行交叉试验，其中砂粒密度设定为２３５０Ｆｉｇ．２图２砂粒分离效率与速度的关系曲线Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｌｌｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓ锄ｄｓ印删ｉｏｎｅ伍ｃｉｅｎｅｙａｎｄ８如ｄｖｅｌｏｌｃｉ姆ａｔｉＩｌｌｅｔ３．２入口砂粒体积分数对分离效率的影响砂粒分离效率和入口砂粒体积分数的关系曲线如图３所示。粒径：◆Ｏ．００４ｍｍｏ０．００８ｍｍ＋０．０１２ｍｍｋ∥ｍ３、人口速度设定为５ｍ／ｓ。依次计算，得出每一体积分数下各粒径颗粒的分离效率，计算得到２４组数据。表３砂粒粒径与入口砂粒体积分数Ｔａｂ．３ＳａＩｌｄ０．００４０．０５ｓｉｚｅ纽ｄＹｏｌｌｌⅡ１ｅ缸以∞ａｔｉｌＩｌｅｔＯ．００８０．１００．０１２０．２００．０１６０．３０Ｏ．０２００．０２５零ｌＩ粒径／ｍｍＩ体积分数／％蒋餐褪彘２．３砂粒密度按照表４的数据进行交叉试验，其中人口速度设定为５ｍ／ｓ、人口砂粒体积分数设定为０．０５％。０．０５０．１００．２００．３０体积分数／％通过计算得出每一密度水平下各粒径颗粒的分离效率，计算得到３６组数据。表４砂粒粒径与入口砂粒密度图３砂粒分离效率与体积分数的关系曲线Ｆｉｇ．３ＲｅｌａｔｉｏＩｌｓｌｌｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓ锄ｄａⅡｄｓ８ｎｄ８ｅｐａＩ钮＿ｄ∞ｅｍｃｉｅｎｃｙａｔ扛ｌｅｔｖｏｌｕｍｅ是鬣ｔｉｏｎ７胁．４Ｓ粕ｄＢ如如ｄｄｅ越蚵ａｔｉｎｋｔ体积分数增加即入口砂粒浓度增加。从粒径为０．００４和０．００８ｍｍ的砂粒分离效率曲线可以看０００２３５０Ｊ粒秽删ｂ度／（ｋｇ．ｍ一３）０．００４０．００８０．０１２０．０１６Ｏ．０２００．０３１１１５０１３００１５００ｌ８００２出，随着入口砂粒浓度的增加，分离效率降低；而对·６０·万方数据ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇ鹤ｈｅａｔ．ｃｏｍ龙天渝，等：旋流除砂器对高含砂地表水处理效果的仿真模拟第２９卷第１９期于粒径为０．０１２～０．０２５ｍｍ的砂粒，随着入口砂粒浓度的增加，分离效率先下降后逐渐增加。整体而言，对于这种小口径的旋流除砂器，浓度小有利于去除微细颗粒。３．３键技术——取水及水质处理技术探讨［Ｊ］．建设科技，２００７，（１７）：８４—８５．［２］王子云，付祥钊，王永，等．重庆市发展长江水源热泵的水源概况分析［Ｊ］．重庆建筑大学学报，２００８，３０（１）：９２—９４．［３］王福军．计算流体力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．入口颗粒密度对分离效率的影响不同密度下，各粒径砂粒的分离效率曲线表明，随着入口颗粒密度（１２０００、２３５０１５０、１３００、ｌ５００、１８００、［４］何川，潘良明，龙天渝．高等流体力学［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００６．ｋｇ／ｍ３）的增加，分离效率均出现不同程度的增加。其中，０．００４ｍｍ颗粒的分离效率增加平缓，仅从４１％增加到５０％；０．００８ｍｍ颗粒的分离效率则增加比较显著，从４５％增加到７５％，说明颗粒粒径对分离效率的影响更大；而０．０１２、０．０２０、０．０３ｌｍｍ颗粒的分离效率随密度的增加先显著增加后逐渐趋于平缓。可见，入口颗粒密度对旋流除砂器的分离效率有较大影响，特别是对较大颗粒的影响更显著，当密度达到ｌ分离效率达到最高值。５００［５］，雷明光，杨小丽．对称进口水力旋流器多相流场及分离性能的数值模拟［Ｊ］．化工装备技术，２００５，２６（６）：２２—２５．［６］［７］王柏秋．水力旋流器内部流场数值模拟及分离效率研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００６．李灿．三峡库区重庆段泥沙对富营养化影响研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００５．ｋｇ／ｍ３时，大颗粒的４结论①旋流除砂器人口速度越大，颗粒分离效率越高，但对微细颗粒的分离效率影响不明显。②人口含砂量稀薄有利于提高分离效率，含砂量越高则颗粒的分离效率越低，但当含砂量超过一定值时，出现砂粒携带效应，大粒径砂粒的分离效率会增大。③砂粒密度越高则分离效率越高。密度达到１５００作者简介：龙天渝（１９６０一博士，），女，重庆人，工学ｋｇ／ｍ３时，大粒径砂粒的分离效率最高。重庆大学城市建设与环境工程学院④３０ｍｍ口径的小型旋流除砂器可有效降低江水中的含砂量，因此可采用多台除砂器并联来增大处理能力，满足水源热泵对水质和水量的要求。参考文献：［１］董孟能，姜涵，霍建辉，等．重庆江水水源热泵应用关教授，博士生导师，主要从事生态与环境水力学和环境模拟方面的研究工作。现为中国力学学会会员、重庆市力学学会理事。主持完成多项国家及省部级科研项目，表高水平论文数十篇。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｏｎｇｔｙｌ２８＠ｙａｌｌｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ发收稿日期：２０１３一０３一１６·６１·万方数据旋流除砂器对高含砂地表水处理效果的仿真模拟
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
龙天渝， 鲁旭萍， 胥标， 姜文超， 焦丽蓉， LONG Tian-yu， LU Xu-ping， XU Biao， JIANG Wen-chao， JIAO Li-rong
重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆,400045中国给水排水
China Water & Wastewater2013,29(19)
1.董孟能;姜涵;霍建辉 重庆江水水源热泵应用关键技术--取水及水质处理技术探讨[期刊论文]-{H}建设科技 2007(17)2.王子云;付祥钊;王永 重庆市发展长江水源热泵的水源概况分析[期刊论文]-{H}重庆建筑大学学报 2008(01)3.王福军 计算流体力学分析 20044.何川;潘良明;龙天渝 高等流体力学 2006
5.;雷明光;杨小丽 对称进口水力旋流器多相流场及分离性能的数值模拟[期刊论文]-{H}化工装备技术 2005(06)6.王柏秋 水力旋流器内部流场数值模拟及分离效率研究 20067.李灿 三峡库区重庆段泥沙对富营养化影响研究[学位论文] 2005
引用本文格式：龙天渝.鲁旭萍.胥标.姜文超.焦丽蓉.LONG Tian-yu.LU Xu-ping.XU Biao.JIANG Wen-chao.JIAO Li-rong 旋流除砂器对高含砂地表水处理效果的仿真模拟[期刊论文]-中国给水排水 2013(19)
