混凝涡旋水动力学的数值模拟与试验研究

大涡模拟与相关实验研究，并根据结果进行形状与结构的优化改进。

2011.07.01－2011.12.31 对新型可调式水力旋流混凝管进行整体的模化试验与数值模拟，并根据结果进行结构优化改进。

2012.07.01－2012.12.31 对新型可调式水力旋流混凝管进行工业试制以及工业试验，确定效果后定型，并进行型号的标准化、系列设计。

2012.01－2012.12 课题总结；论文撰写；工业推广。 1.5.2 预期研究结果

通过数值模拟与实验相结合，对涡旋对混和与絮凝过程的影响进行实证研究，检验与完善现有的混凝涡旋水动力学理论。

通过对可调式水力旋流混凝设备的构想进行数值模拟与试验，得到其结构参数以及运行参数对涡旋的产生及其大小、强度的影响，建立涡旋控制理论。同时，根据研究结果对该设备进行优化，制造可调式水力旋流混凝管的样机，并使之参数化、系列化，建立一套该设备的设计与运行理论。

申请发明专利1项，实用新型专利1～2项；发表论文3～5篇，其中SCI或EI收录3篇；培养研究生2～3名。

（二） 研究基础与工作条件 2.1 研究基础

由申请者聂欣博士，博士研究课题内容主要从事煤粉气流在管道以及炉膛内的流动、燃烧的数值试验研究，对气固多相流的管内流动和反应有着较丰富的工程实践和数值模拟经验。且有着四年的电厂工作经验，对我国热力发电相关设备极为熟悉，本研究课题中的可调水力旋流混凝管的结构及其执行机构即借鉴了电厂锅炉装置中可调旋流燃烧器、风机风门调节装置等设备的结构设计思想。对静态混合设备也有着多年的研究经验，采用中频加热与SV型静态混合器相结合，提出了一种新型高效的高温空气加热器，具体见发表的论文。2006年11月至今，在杭州电子科技大学机械工程学院流体工程实验室工作，主要从事与流体力学相关的教学与科研工作。

申请者本人以及主要参与人：毛洁博士、冯长水博士所组成的课题组是一支年轻的课题团队，所在实验室为浙江省重中之重学科海洋机电装备技术的配套实验室，该实验室在我校外籍特聘教授学科带头人潘华辰博士领导下，立足于采用

数值模拟以及试验手段解决各类与流体力学相关的科学以及工程技术问题，目前，该实验室已经完成或正在进行的863等国家级、省部级纵向课题7项，横向课题5项。

本课题研究思想的提出，源于申请者本人作为主要参与人所承担的两项课题，其一，浙江省科技厅的重点科研国际合作项目：水轮机整体性能CFD优化技术；其二，浙江省台州市玉环县科技局的校企合作项目：新型可调式水力混合设备（动态混合器）的研制。

在前者研究过程中，我们发现，在水力发电设施尾水管内壁加入不同尺度的翅片可产生不同尺度和不同强度的涡旋，其中，尺度适当的小涡旋的产生，有利于提高水轮机的效率。进而也发现，通过对翅片大小、角度的调整可对涡旋的尺度与强度进行控制和调节。

在后者的研究过程中，浙江省台州中昌水处理设备有限公司和浙江省萧山水务集团公司根据我国目前水处理行业现状的需求，提出了研制一种结构简单，混合迅速，并可根据实际工况参数以及其运行状况进行调节的水力混合设备的要求，以此替代目前使用的不可调的静态混合设备。对此，申请者本人提出了在管内安装多组角度可调的管内旋流叶片来替代静态混合器的构想。并采用k??湍流模型对构想的可调混合设备（见图9）以及原有的SK型静态混合器（见图1）进行了初步的数值试验研究。尽管所用湍流模型无法对流动内部的涡旋结构进行研究，但对其混合效果进行了研究。为了便于比较，两种混合设备都采用相同的加药方式以及相同的管道长度，计算中，采用酒精与水模拟两种流体混合，得出混合器内部的酒精的浓度场，并通过计算混合后轴向截面以及出口截面的混合度的方式，来检验混合效果。其中混合度的离散型公式为：

Q=（1-?(fi?F1*si*vi)/F1*?(si*vi)）*100% （公式1） 式中 F1=(?fi*si*vi)/?(si*vi) （公式2）

F1为出口截面处的药剂浓度计算值。

i?1i?1i?1nni?1nnfi为计算截面第i块微元区域内酒精的浓度（质量分数） si为计算截面第i块微元的面积

vi为计算截面第i块微元区域的平均轴向速度

可调混合器的结构为三组叶片为弧形的三叶片旋流调节机构，叶片边缘切线与来流方向成20o夹角，计算工况参数全部按照水厂实际运行参数选取，见表1。

计算结果见（图10～12）结果表明，在各工况条件下，无论是混合器出口的最终混合效果还是混合速度，新型可调混合器都明显优于原有的SK型静态混合设备。目前，该设备初步样机正在试制过程中，其后即可用于工业试验。

图9 、可调混合器结构示意图

表1、计算工况表 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五 水的流量（m3/s） 水的进口速度(m/s) 700 700 950 1200 1200 1.4728 1.4728 1.9988 2.5248 2.5248 酒精的流量(L/s) 200 400 300 200 400 酒精的进口速度(m/s) 0.012991 0.0259821 0.019486 0.012991 0.025982 原有混合器100806040200工况一工况二新型混合器工况三工况四

图10、 各工况出口截面混合度对比 图 11、工况五轴向混合度变化曲线

图12、工况五两种混合设备出口截面酒精浓度场

2.2 工作条件

首先，申请者所在的流体工程实验室所搭建的综合水力试验台架，能为本课题研究提供实验基础平台。其次，实验室所配备的高速并行计算机集群为本课题研究的数值计算提供了良好的硬件条件。

再者，申请者本人与浙江萧山水务集团公司和台州中昌水处理设备有限公司等水处理行业的企业建立了良好的合作关系，她们有着丰富的水处理行业的运行经验和设备制造经验。可进行1：1的工业原型试验。并在样品试制成功后，进行试用。研制成功后可迅速向我国水处理行业推广。

2.3 课题申请人简介

聂欣，男，1974年出生，江西樟树人，博士，讲师。1996年7月毕业于西安交通大学锅炉专业；1996年7月～2000年8月在中国石化九江分公司动力部工作，负责两台170t/h高压锅炉及其相关辅机和配套汽轮发电机组的运行、安全管理以及设备维修、维护等方面的工作。2000年9月～2007年3月在浙江大学能源清洁利用国家重点实验室攻读博士学位，主要从事电站煤粉锅炉直接点火技术及其数值模拟的研究，并获工学博士学位。2006年11月，至杭州电子科技大学机械工程学院参加工作至今，主要从事工程流体力学和计算流体力学等本科以及研究生课程的教学，同时还从事有关多相流动和流体机械等数值模拟方面的研究工作。以第一作者或第二作者(导师第一)发表论文7篇，其中EI收录4篇，EI Pageone收录一篇。以第一发明人申请发明专利一项，实用新型专利一项。

与本课题相关的专利申请以及论文：

[1] 聂 欣; 潘华辰 毛 洁; 樊 炜; 陈立波 陈 鹰 可调式水力旋流混凝管 发明专利，申请号：200810062575.0，已公开：2008.10.29

[2] 聂 欣; 潘华辰 毛 洁; 樊 炜; 陈立波 陈 鹰 管内水力旋流混凝调节装置 实用新型专