微灌石英砂濾層清潔壓降分形阻力模型與反沖洗數(shù)值模擬

【摘要】：微灌石英砂過濾器是微灌實(shí)踐中最常用的過濾設(shè)備之一,能夠有效去除水中的有機(jī)物和無機(jī)物,本文以石英砂過濾器為研究對象,主要開展了如下研究:為了對石英砂濾層過濾機(jī)理進(jìn)行分析,并確定過濾性能參數(shù)。本文將多孔介質(zhì)模型和分形理論相結(jié)合,對3種粒徑的微灌石英砂濾層的過濾過程展開研究。將Ergun型方程無量綱化,并結(jié)合試驗(yàn)確定了石英砂濾層的流態(tài)分區(qū)。構(gòu)建了石英砂濾層清潔壓降的分形阻力模型,在模型中,過濾通道曲線分形維數(shù)DT、濾層橫截面分形維數(shù)Df為待定參數(shù)。為了確定DT、Df的值,將Ergun型方程與分形阻力模型相對比,得出了Ergun型方程經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A和B的分形表達(dá)式,并由A、B的值確定DT、Df的值。首先,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合出turbulent流區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A、B的值,根據(jù)A、B的分形表達(dá)式,確定了過濾通道曲線分形維數(shù)DT、濾層橫截面分形維數(shù)Df等參數(shù),得出了turbulent流區(qū)分形模型的表達(dá)式。然后,以turbulent流區(qū)DT和Df的值為邊界值,確定了Forchheimer流區(qū)過濾通道曲線分形維數(shù)DT的表達(dá)式和濾層橫截面分形維數(shù)Df的值,并得出了Forchheimer流區(qū)分形模型的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,對濾層過濾特性進(jìn)行分析。首先,根據(jù)Forchheimer流區(qū)DT的變化規(guī)律,得出了在Forchheimer流區(qū)濾層存在成熟期的結(jié)論。其次,探討了濾層最佳過濾速度和最佳清潔壓降的計(jì)算方法,構(gòu)建了石英砂濾層過濾性能函數(shù),并利用過濾性能函數(shù)計(jì)算出了濾層的最佳過濾速度和最佳清潔壓降。研究為砂過濾器運(yùn)行和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了技術(shù)依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)對石英砂濾層反沖洗過程的數(shù)值模擬,本文采用Gambit軟件建立了石英砂過濾器的幾何模型,并對幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。由于石英砂濾層的反沖洗過程是水與石英砂相互作用的固液多相流系統(tǒng),在反沖洗時(shí)石英砂只集中在區(qū)域的一部分,不被水流攜帶到過濾器之外,且石英砂所占的體積百分?jǐn)?shù)比較大,根據(jù)石英砂濾層反沖洗過程的上述特點(diǎn),采用Eulerian模型作為反沖洗數(shù)值模擬模型。又由于石英砂濾層的反沖洗是動態(tài)穩(wěn)定過程,因而采用瞬態(tài)模擬求解器。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可信性,開展了石英砂濾層反沖洗試驗(yàn),測量了濾層反沖洗速度、整體壓降和膨脹高度等參數(shù)。將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果顯示,濾層整體壓降的最大模擬誤差為7.03%,濾層密度的最大模擬誤差為1.93%,說明數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。在此基礎(chǔ)上,分析了石英砂濾層反沖洗過程壓降隨時(shí)間的波動規(guī)律、壓降均值和壓降標(biāo)準(zhǔn)偏差隨反沖洗速度的變化趨勢,壓降標(biāo)準(zhǔn)偏差大,說明壓降波動不穩(wěn)定,壓降波動不穩(wěn)定會影響反沖洗效果,由此確定了使壓降保持穩(wěn)定的反沖洗速度的合理范圍。而后,分析了石英砂濾層反沖洗過程密度隨時(shí)間的分布規(guī)律、密度均值和密度標(biāo)準(zhǔn)偏差隨反沖洗速度的變化趨勢,當(dāng)密度均值接近水和石英砂混合物的靜止密度時(shí),反沖洗效果較差,當(dāng)密度標(biāo)準(zhǔn)偏差大時(shí),濾層會出現(xiàn)局部堆積現(xiàn)象,從而影響反沖洗效果,由此確定了使密度保持穩(wěn)定的反沖洗速度的合理范圍。最后,對反沖洗過程的動力學(xué)行為進(jìn)行了分析。研究為石英砂濾層反沖洗過程的機(jī)理研究提供了參考,為砂過濾器反沖洗性能參數(shù)的確定提供了依據(jù)。 【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S275.5

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