微灌石英砂滤层清洁压降分形阻力模型与反冲洗数值模拟

【摘要】：微灌石英砂过滤器是微灌实践中最常用的过滤设备之一,能够有效去除水中的有机物和无机物,本文以石英砂过滤器为研究对象,主要开展了如下研究:为了对石英砂滤层过滤机理进行分析,并确定过滤性能参数。本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DT、滤层横截面分形维数Df为待定参数。为了确定DT、Df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A和B的分形表达式,并由A、B的值确定DT、Df的值。首先,结合试验数据,拟合出turbulent流区经验系数A、B的值,根据A、B的分形表达式,确定了过滤通道曲线分形维数DT、滤层横截面分形维数Df等参数,得出了turbulent流区分形模型的表达式。然后,以turbulent流区DT和Df的值为边界值,确定了Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数DT的表达式和滤层横截面分形维数Df的值,并得出了Forchheimer流区分形模型的表达式。在此基础上,对滤层过滤特性进行分析。首先,根据Forchheimer流区DT的变化规律,得出了在Forchheimer流区滤层存在成熟期的结论。其次,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。研究为砂过滤器运行和设计优化提供了技术依据。为了实现对石英砂滤层反冲洗过程的数值模拟,本文采用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。由于石英砂滤层的反冲洗过程是水与石英砂相互作用的固液多相流系统,在反冲洗时石英砂只集中在区域的一部分,不被水流携带到过滤器之外,且石英砂所占的体积百分数比较大,根据石英砂滤层反冲洗过程的上述特点,采用Eulerian模型作为反冲洗数值模拟模型。又由于石英砂滤层的反冲洗是动态稳定过程,因而采用瞬态模拟求解器。为了验证模拟结果的可信性,开展了石英砂滤层反冲洗试验,测量了滤层反冲洗速度、整体压降和膨胀高度等参数。将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,滤层整体压降的最大模拟误差为7.03%,滤层密度的最大模拟误差为1.93%,说明数值模拟结果是可信的。在此基础上,分析了石英砂滤层反冲洗过程压降随时间的波动规律、压降均值和压降标准偏差随反冲洗速度的变化趋势,压降标准偏差大,说明压降波动不稳定,压降波动不稳定会影响反冲洗效果,由此确定了使压降保持稳定的反冲洗速度的合理范围。而后,分析了石英砂滤层反冲洗过程密度随时间的分布规律、密度均值和密度标准偏差随反冲洗速度的变化趋势,当密度均值接近水和石英砂混合物的静止密度时,反冲洗效果较差,当密度标准偏差大时,滤层会出现局部堆积现象,从而影响反冲洗效果,由此确定了使密度保持稳定的反冲洗速度的合理范围。最后,对反冲洗过程的动力学行为进行了分析。研究为石英砂滤层反冲洗过程的机理研究提供了参考,为砂过滤器反冲洗性能参数的确定提供了依据。 【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S275.5

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