混凝涡旋水动力学的数值模拟与试验研究

我国水资源领域普遍污染，原水品质多变，需要水处理企业的混凝设备能根据原水品质以及药剂种类的变化具有较大的调节自由度，以确保出水品质。而在混凝过程中，流体内部流动所产生的涡旋的大小、强度，对混合以及絮凝过程的影响极为关键。本研究以研究者所提出的新型可调水力混凝设备和我国水处理行业常用的混合设备SK型混合器为具体研究对象，通过采用大涡模拟的数值模拟方法以及相关台架试验和工业试验研究，对混凝过程中涡旋的产生及其变化规律、影响因素，涡旋对混凝过程的影响等方面展开研究，揭示混凝水动力学中受涡旋水动力学条件影响的混合与碰撞机理，检验与完善混凝涡旋水动力学理论。揭示流体流经旋流叶片后涡旋的产生及其控制机理，建立涡旋控制理论。对研究者本人提出的可调水力旋流混凝管进行形状与结构优化，建立一套完整的设计与运行理论，并试制样机，最后对该设备进行产品定型以及标准化、系列化。

在水处理工业中，药剂与原水的混合与初期絮凝过程的优劣，直接影响加药量以及出水品质。如何利用水力学原理，创造分别适合混合与初期管道絮凝阶段的水力学条件是本项目研究的核心问题。. 本课题的前期工作时，采用CFD计算流体力学方法，对SK型静态混合器内的混合进行数值模拟并对其进行改进，提出了开缝式SK型静态混合器的新型混合器，以W/D=0.58的B类开缝式SK静态混合器为例，混合性能较传统式SK型静态混合器提高6个百分点，压力降减小2%，同时混合叶片材料使用减少45%。. 第二阶段,本课题的主要工作，研究者发明了可用于工业实际的旋流混凝管，通过对其中的涡旋发生器中不同大小和角度的叶片对湍流涡旋强度和强度进行调节。首次将湍流涡旋对水处理中混凝的影响等相关理论与预测，真正用于实际原水与药剂在管道中的混合与初期絮凝。并通过采用大涡模拟与试验对其进行了研究，建立了一套湍流涡旋控制方法。该混凝设备既有传统SK型静态混合器运行中免维护、能耗低的优点，又具备了可调的特性，更重要的是，该产品还具有促进原水与药剂混合后的初期絮凝反应的功能。通过控制湍流流动中涡旋强度、尺度用于促进混合与絮凝，提高了单位药剂处理能力。. 研究结果表明，在混合阶段，采用大叶片、大旋角的涡旋发生器的混合效果较优，即混合阶段，大尺度的强旋流可极大促进流体与药剂的混合。在管道初期絮凝阶段，采用小叶片、小旋角的涡旋发生器的絮凝效果较优，即初期絮凝阶段，小尺度的弱旋流可极大促进流体与药剂的絮凝。通过试验与数值模拟的研究，可得出以下具体结论：三叶片涡旋发生器用于混合最优；大涡模拟的准确度优于K-E模型；小叶片涡旋发生器可产生大量小尺度涡旋，有利于初期絮凝；混凝设备对细颗粒物质较多的原水的去除效果较优。