石英砂滤层过滤与反冲洗特性的实验研究及数值模拟

发布时间：2020-05-01 14:01

【摘要】：砂过滤器是目前微灌工程应用范围最广的过滤设备之一，基于其独特的三维过滤方式，它可以高效滤除水中的无机杂质和有机杂质，具有较强的截污能力。关于石英砂滤层过滤及反冲洗参数的研究已经进行了很多年，但迄今为止，其过滤和反冲洗的许多现象和本质仍然没有被揭示，因此，寻找新的研究方法和进行更深入的研究具有十分重要的意义。本文从理论分析、模型实验和数值模拟三个方面综述了国内外对石英砂滤层结构和性能的研究进展，，发现多数研究都有非常严格的限制条件，其结果只有在采用完全相同的模型进行实验时才能参考。本文针对上述问题，尝试采用CFD方法对过滤和反冲洗过程中滤层内的流场进行模拟，研究滤层对过滤水流的影响以及反冲洗水流下滤料的运动状态。主要研究工作和结论如下：（1）为减小出流边界的影响，采用厚度为80cm的滤层进行压降实验。影响因素为浑水颗粒质量分数、杂质粒径、过滤速度。实验得出过滤时流场中的压力值随着滤层高度的降低而减小。将滤层分成各段厚度为10cm的滤层来分析压降时，整个滤层中，表层10cm产生的压降值最大，其它层产生的压降值较小，末层最小。在所进行的实验中，表层四分之一厚度的滤层产生的压降平均占整个滤层压降的34%~40%，说明均质滤料石英砂滤层仍然存在轻微的表层过滤现象。实验分析的三个因素中，过滤速度对压降变化的影响最大，浑水颗粒质量分数和杂质粒径对过滤器压降的影响则相对不明显。滤层压降与过滤速度正相关，过滤速度越大，产生的压降越大，且压降值为过滤速度的二次方函数。（2）引入Fluent软件中的多孔介质模型对流场进行仿真，计算了必须的参数如孔隙尺寸、滤层孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数等。发现单个孔隙的尺寸与石英砂颗粒的粒径紧密相关，粒径越大，孔隙面积越大。（3）提出一套适用于描述石英砂滤层过滤过程的多孔介质流体动力学理论，建立了过滤的二维数值模型，对数值模拟所得压力场分析发现：滤层上端的压力值较大，越靠近底部压力值越小，但是同一水平高度的滤层面上，压力值并非常数。石英砂与水的交界面处，压力值近似为常数，当所分析的滤层高度降低，压力分布发生了变化，边线上的压力值大于中心线上的压力值。当过滤速度大于等于0.025m/s时，数值模拟所得边线上压力值与测压管测得值吻合程度十分高，数值计算的分层压降值误差在6%以下，整个滤层压降值最大为14%。（4）基于固-液两相流理论建立三维过滤器模型，通过对反冲洗的过程的数值模拟，发现对于同种粒径的滤料，随着反冲洗速度的增加，各层滤料的浓度变得稀疏，反映了滤层相应的膨胀状况，根据砂滤料体积守恒原理得到滤层的膨胀高度。通过分析膨胀高度与反冲洗速度、滤层厚度以及滤料粒径的关系，发现膨胀高度与反冲洗速度线性相关，膨胀高度和膨胀率随着反冲洗速度的增加而增加；滤层厚度越大，膨胀高度越大，但是其膨胀率越小；其他条件相同时，滤料粒径越小，膨胀高度和膨胀率越大。将各种工况下模拟值与浑水颗粒质量分数为0.3‰工况下的实验值对对比，吻合良好。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S277.9

【参考文献】