混凝涡旋水动力学的数值模拟与试验研究

宏观已不够了，因为混合中的扩散与絮凝中的颗粒碰撞是与湍流中微结构的动力作用密切相关。而微观研究领域的分子尺度远远小于湍流中的微结构尺度，所以微观的分子运动完全不受湍流微结构影响，只与热力学系参数有关。宏观流动计算中人们关注的是时均速度、时均压强、时均浓度，无法去揭示湍流微结构在混合与絮凝中的动力学作用。因此，在混凝动力学的研究中应从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上，对其内部的涡旋的产生及其控制进行研究。而在这方面，国内外研究较少。

图7、综合水力试验台架简图

随着计算机技术的发展，使用湍流高级数值模拟方法（大涡模拟）解决工程问题已成为可能。它可以直接对湍流流场内部的微尺度涡旋进行数值模拟。

本研究拟采用大涡模拟的方法，对浙江省萧山水务集团公司水处理三厂原有SK型静态混合器式混合设备以及申请者本人提出的新型可调水力旋流混凝管这两种设备作为研究对象，对其内部流场进行数值模拟，从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。同时，在本实验室的大型综合水力试验台（见图7）上进行与数值模拟相同工况的混合与絮凝试验。并将数值模拟中的旋流强度、不同尺度的涡旋强度、涡旋雷诺数，欧拉数，湍动度，流动阻力、G值、药剂浓度场等流动参数场与试验得到的混合效果以及其絮凝效果对应比较，找出它们对混合以及絮凝的影响规律，对诸多研究者提出的设想进行验证与修正，进一步揭示混凝动力学中与涡旋水动力学条件相关的混合与碰撞机理，(a)检验与完善混凝涡旋水动力学理论。同时揭示经过旋流叶片后涡旋的产生及其控制机理，(b)建立旋流叶片的涡旋控制理论。再根据其结果对研制的新型可调式水力旋流混凝管

的结构以及叶片的数量、大小以及形状进行优化，研制出一种既可强化混凝，又可根据来水品质、负荷、药剂种类和加药量等各运行状况及其参数进行灵活调节的水力旋流混凝设备。(c)建立用于可调式水力混凝设备的设计与运行理论。

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1.2 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题

1.2.1 主要研究内容

(a)检验与完善混凝涡旋水动力学理论。

采用大涡模拟的方法，对浙江省萧山水务集团公司水处理三厂原有的SK型静态混合器式混合设备以及申请者本人提出的新型可调水力旋流混凝管这两种设备作为研究对象，对其内部流场进行数值模拟，从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。同时，在试验台上进行与数值模拟相同工况的混合与絮凝试验。并将数值模拟中的旋流强度、不同尺度的涡旋强度、涡旋雷诺数，欧拉数，湍动度，流动阻力、G值、药剂浓度场等流动参数场与试验得到的混合效果以及其絮凝效果对应比较，找出它们对混合以及絮凝的影响规律，对诸多研究者提出的设想进行检验与修正，并进一步揭示混凝动力学中与涡旋水动力学条件相关的混合与碰撞机理，检验与完善现有的涡旋混凝水动力学理论，

(b)建立旋流叶片的涡旋控制理论。

对不同工况条件下，通过改变混凝管内的叶片数量、大小以及旋转角度等参

数，对混凝管进行大涡模拟，研究相关参数对涡旋的产生及其变化的影响，揭示经过旋流叶片后涡旋的产生及其控制机理，建立旋流叶片的涡旋控制理论。

(c)建立用于可调式水力混凝设备的设计与运行理论。

根据数值模拟以及试验结果对研制的新型可调式水力旋流混凝管的结构（包括叶片的数量、大小、形状以及间距等结构参数）进行优化，研制出一种既可强化混凝，又可根据来水品质、负荷、药剂种类和加药量等各运行状况及其参数进行灵活调节的水力旋流混凝设备。建立用于可调式水力混凝设备的设计与运行理论。

1.2.2 研究目标

揭示混凝动力学中与水动力学条件相关的混合与碰撞机理，检验与完善混凝涡旋水动力学理论。

揭示经过旋流叶片后涡旋的产生及其控制机理，建立旋流叶片的涡旋控制理论。

对申请者本人提出的可调式水力旋流混凝管进行形状与结构优化，建立一套完整的针对该设备的设计与运行理论，并试制出样机。最后对该设备进行产品定型以及标准化、系列化。 1.2.3 拟解决的关键科学问题

(a) 检验与完善混凝涡旋水动力学理论。

首先，采用大涡模拟的方法较为准确地计算出流体内部涡旋的产生大小及其强度。其后，根据实验所的结果，得到涡旋有关的个参数（如：涡旋雷诺数、涡旋强度、湍动度等参数）对混合与絮凝两方面的实际影响规律，建立它们与混合度、浊度等水处理行业的表观量的关联函数。

(b) 建立旋流叶片的涡旋控制理论。

对不同流速的流体流经不同尺寸、不同旋转角度的叶片产生的涡旋及其变化过程进行模拟，得到不同结构与运行参数对涡旋产生及其变化的影响规律，建立相关的关联函数。

(c) 建立用于可调式水力混凝设备的设计与运行理论。

对涡旋水动力学与涡旋控制理论的实际应用，对构想的设备结构进行优化，建立一套能够用于指导该设备设计与运行的理论。