曝气-搅拌反应器内环流流场的PIV测量和POD分析

该文采用二维粒子图像测速技术(PIV)对曝气-搅拌反应器内环流流场进行测量,获得不同搅拌转速下流场的流速和涡量分布。应用本征正交分解(POD)方法提取流场主要相干结构,系统地研究了能量贡献和POD模式。结果表明:搅拌转速对环流流场的影响体现在环流速度和涡量分布上,对流场的流型影响较小,高搅拌转速有利于提高混合效果和区域间的物质交换作用。前3阶模态表征环流流场最主要的相干结构,呈现层次化三尺度流动结构,第一个尺度主要与反应器的主流流动有关,通常由1阶模态表示;第二个尺度主要由大尺度的涡对来表示,体现在2阶和3阶模态中;第三个尺度表现为更均匀的小尺度涡,主要分布在搅拌区内和转速为1 200r/min的2阶和3阶模态中。因此,增强低转速下的大尺度结构将有利于环流流动,提高反应器的混合效果。     

竖向进水管布置对ABR液相流态影响的PIV试验研究

在折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor,ABR)不同进水管悬空高度和不同进水流量组合的工况下,利用激光粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)对ABR的第一格室液相流态进行了研究,测得反应器内降流区和升流区关键截面的流场数据,获得了液相速度和涡量强度与悬空高度的关系曲线;同时研究了相关流场特征,包括流线图谱和涡量场。结果表明:对于ABR的第一格室,合理的进水管悬空高度可以保证良好的进水流态,促使ABR涡量面积分布均匀,有效防止局部沟流和液相死区,确保ABR高效稳定运行。根据试验分析结果,提出了设计时可供参考的进水管悬空高度的取值范围:流量在0.018～0.270 m³/h时,悬空高度的取值范围为230～530 mm;流量在0.558～0.846 m³/h时,悬空高度的取值为530 mm。     

上流式分段厌氧反应器内流场的三维数值模拟研究

针对上流式分段厌氧反应器(Up-flow Staged Sludge Bed)内部流场流态的复杂情况,采用多相流欧拉模型通过数值模拟考察了进水方式、挡流板结构形式、进水流速对反应器内三维流场的影响。模拟结果表明:在局部进水和较宽回流缝(50 mm)的结构形式下反应器内呈现较好复合流态;并且进水流速为0.001 m/s时,反应器内污泥床层不仅保持较好的浮动状态,而且污泥床层上部形成了颗粒污泥的悬浮区域,实现反应器内废水与颗粒污泥的充分接触和混合。     

HABR架设不同填料对液相流态影响的PIV实验研究

在复合式厌氧折流板反应器(HABR)架设不同填料和不同进水流量组合的工况下,利用激光粒子图像测速技术(PIV)对HABR的第一格室液相流态进行了研究,测得反应器内升流区关键截面的流场数据,获得了架设不同填料的液相速度、涡量强度与流量的关系曲线;同时研究了相关流场特征,包括速度矢量图、流线图谱和涡量场。结果表明:对于HABR,合理的选择填料类型可以保证良好的进水流态,有效地防止局部沟流和污泥流失,确保HABR高效稳定运行。在本实验条件下,得出在反应器填充悬浮球填料时,反应器整体流态最佳。     

离心泵内气液两相非定常流动模态分解与重构研究

为了深入探究离心泵内复杂的气液两相非定常流动，该文采用数值模拟并结合动态模态分解的方法，分析了3%和5%进口含气率下，叶轮内的不稳定流场，并对叶轮内气相体积分数和液相速度分布进行了动态模态分解和重构。主要结果如下：3%进口含气率时，叶轮内流场不稳定，分解后其1～4阶模态频率均为特殊频率，反映了气泡聚集和脱落对流场的扰动；5%进口含气率时，其1～4阶模态频率以叶轮转频及其倍频为主，反映了叶轮旋转对流场带来的扰动；动态模态分解法可以对流动规律明显的流场很好地实现重构，但是对于规律不明显的流场，其只能在主流大尺度层面实现降阶重构，对局部小尺度流动重构误差较大。     

城市输水泵站前池流态及整流措施

鉴于城市输水泵站受用地限制,一般布局较为局促,前池内易产生回流、漩涡等不良流态的现状,为改善前池流态,结合某底部涵管进水形式的城市输水泵站,采用雷诺时均方程结合RNG k-ε湍流模型,对泵站前池流态进行了数值模拟,研究适用此类城市输水泵站的整流措施。数值模拟计算结果表明,泵站前池两侧存在大尺度回流,进水池进流流量分配不均,水泵进水条件较为恶劣;采用八字形导流墩和底坎的组合式整流措施,能有效地将密集居中的主流分散,消除前池两侧的大尺度脱壁回流,均化进水池进流,使泵进水状况变好,提高泵站运行的可靠性。     

不同进水流速对泵站进水池漩涡的影响

为探究泵站进水流速大小与泵站进水池水流流态、漩涡的产生与发展变化规律,结合泵站实际运行情况,建立引渠、前池、进水池和进水管的泵站物理模型和湍流数学模型,采用VOF模型和非定常的SST k-ω湍流模型对9种不同流速的泵站进水水流特性进行数值模拟,分析不同进水流速的泵站进水池水流流场分布、漩涡涡量的变化及分布规律。研究结果表明:当进水流速为0.322 2～0.564 2 m/s时,泵站表面漩涡的强度随进水流速的增大而增强:当进水流速为0.322 2～0.401 6 m/s时,进水池出现Ⅲ、Ⅳ型漩涡;当进水流速为0.483 5 m/s时,进水池出现Ⅴ型漩涡;当进水流速为0.520 8～0.564 2 m/s时,进水池出现Ⅵ型漩涡。将数值计算结果与模型试验结果进行对比,两者基本吻合。研究结果可为泵站工程设计提供参考。     

大扩散角进水流道水力诊断及优化

为解决大型火电站循环泵顽固性振动,采用雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,对1 000 MW超超临界火电机组并联泵循环水流道与循环泵内水力状况进行FLUENT三维数值诊断性分析,模拟研究了进水流道内的流体流动形态、流速分布以及泵体周围和喇叭口周围流场的水力问题,并依此对循环水道进行了优化整流方案研究。研究结果表明,循环水流道前池过短且为不规范矩形,由引水段冲入的流体无法在前池内得到充分发展扩散,吸水室内水流流态严重偏流乃至贴壁流动,近壁流体流速差可达0.3 m/s;喇叭口处截面流速严重不对称,循环水泵周围流场紊乱,来流两侧水流流速差异过大,流速差最大可达0.5 m/s,进水条件恶劣。采取针对性优化整流方案后,进水流道内水流流态分布更加均匀,水泵进水条件得到显著改善。     

胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化

胥浦活水泵站为一座长江边低扬程引水泵站,设计流量5.0 m3/s,最大扬程3.3 m。为适应其低扬程、小流量的特点,选用了全贯流潜水泵,在原胥浦节制闸底板上改建安装。为了保证在长江低水位时,水泵进水口完全淹没,进水流道型线平顺,流道内无涡带或其他不良流态,机组启动正常和运行稳定,利用三维数值建模、边界条件设置与三维湍流流动模拟,运用计算流体动力学CFD方法,进行进水流道内部流动数值模拟,多方案分析和比较进水流道内部流态、水泵进水条件和流道的水力损失。计算结果表明,进口尺寸1.1 m×3.4 m(高×宽),出口直径1.2 m的型线B方案进水条件好,流道水头损失小,满足水泵高效运行的要求。优化设计方案为泵站安全运行提供最优的设计进水流道型线和设计参数。     

EGSB反应器处理啤酒废水运行影响因素研究

在HRT为3.4 h,进水CODCr 420～3 690 mg/L的条件下,EGSB反应器对啤酒废水的CODCr去除率能维持在90.38%以上,即使进水CODCr 200 mg/L左右的超低浓度,其去除率也能高达85%～90%.对于CODCr 450 mg/L左右的低进水浓度,EGSB反应器在HRT缩短至O.7 h时,仍能获得84.96%的高去除率,有机负荷率高达30.21 kg CODCr/(m3·d).进水CODCr越高,对应的最佳液体上升流速越低.在EGSB反应器内液体上升流速的提高和颗粒污泥内气泡的形成及释放所形成的对流传质比浓度梯度所造成的扩散传质更重要.进水CODcr高可通过选择适当回流比来提高液体上升流速以达到最佳运行效果,而进水CODCr低可通过提高进水流量来提高液体上升流速和有机负荷率,加强对流传质,以达到最佳处理率.为保证EGSB反应器高效稳定运行,在保证反应器内有足够N、P的同时必须保证足够的S2-和Fe、Co、Ni.     

海山后尾迹涡形成因素的数值研究

该文采用regional ocean modeling system(ROMS)海洋模式,对理想channel中的海山模型,研究均匀分层流作用下,不同的伯格数和来流条件对海山诱导的尾迹涡及垂向流动的影响。结果表明,伯格数越大,越有利于海山后尾迹涡的产生,涡的强度不断增大,且涡脱落频率加快;随流速的增加,海山后尾迹涡的强度增大,涡脱落频率加快,且海山周围的垂向流动增强;当来流速度较低(0.05 m/s)及较高(0.8 m/s)时,均不利于在海山后形成稳定的垂向流动。     

方型人工鱼礁周围水流运动的数值模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,模拟得到了5种不同来流速度(0.1、0.2、0.4、0.6和0.8 m/s)下方型人工鱼礁(边长为3 m)周围的水流场。铅垂平面上的计算结果表明:当水流贴近礁体迎流面时,水流抬升而形成上升流;不同来流速度工况下,上升流最大速度均约为来流速度的0.64倍,上升流平均速度均为来流速度的0.12倍,而上升流的最大高度为礁体高度的2.62～2.65倍;由于流动分离,在礁体顶面形成一小旋涡区,而在礁体背水面后端形成背涡区;5种来流速度下的背涡区长度均为礁体高度的3.0～3.5倍,而背涡区高度为礁体高度的1.1～1.2倍。水平面上的计算结果表明:紧贴礁体四周为水流减速区,在礁体两侧形成小旋涡区(缓流区),而在礁体背部形成一大旋涡区(背涡区);背涡区内的水流旋涡结构随来流速度大小而变,但背涡区的最大宽度基本不随来流速度的改变而改变,约为礁体宽度的2倍。     

龙潭沟水库溢流坝泄洪消能局部冲刷试验研究

采用几何比尺为1∶30的大比尺整体枢纽水工模型,根据重力相似准则,进行了龙潭沟水库溢流坝泄洪消能水力学试验研究。试验结果表明,设计洪水时,原设计方案及修改方案都不会对下游河床造成冲刷;下游河道水流平稳,流速分布均匀。校核洪水时,随着溢流坝过坝流量的增加,单宽流量增加坝面水深增大,原设计光滑溢流坝面沿程水流掺气消能效果欠佳,下游流速大、水流紊乱,挑流水舌下游造成严重冲刷,影响泄洪安全。通过方案修改优化,提出阶梯溢流坝台阶尺寸为0.90 m×0.72 m+连续挑坎方案新型消能形式,宣泄校核洪水时消能率较高,且下游河道水流平稳,流速较低且分布均匀,满足龙潭沟水库工程的安全泄洪。     

环状气泡动力学数值模型

本文假设气泡运动过程中流场是无旋、不可压缩的理想流体,运用势流理论导出气泡边界面运动的控制方程,建立气泡动力学模型,用边界积分法求解得到气泡等边界的变形及位置.在环状气泡阶段,本文在前人研究成果的基础上分别建立了轴对称涡面模型、轴对称涡环模型以及三维涡环气泡模型.对比不同模型的优缺点及其适用范围,总结了环状气泡模型建立的详细步骤及其必须注意的关键技术,并开发了相应的程序.运用不同模型模拟重力场中气泡的运动,并进行讨论.最后计算了流场中滞后流的速度以及压力随时间的变化,得到一些有规律性的曲线,旨在为相关环状气泡动态特性研究提供参考.     

大单宽流量低傅汝德数收缩墩底流消力池的试验研究

为解决大单宽流量、低傅汝德数底流消能中存在振荡水跃,进而导致消力池内流态不稳定、水面波动大、消能率低等问题,采用模型试验的方法,对在消力池前设置收缩墩后的收缩扩散与底流复合消力池进行了研究。结果表明:设置Y型收缩墩后消力池内呈较为稳定的收缩射流与淹没水跃的三元复合流态,水流更为稳定,振荡水跃消失,可有效解决池内的水流间歇性振荡和水面大幅波动等问题。同时,设置收缩墩后,可有效降低池内最大临底流速,由近30 m/s降至约20 m/s。消能率由60.93%提升至66.61%,消能效果显著。此外,下游河道冲刷大大减小。最不利冲刷工况下的2年一遇洪水时,基岩最大冲深由近32.0 m降为5.6 m。消力池前设置收缩墩,对于因受地形地质等客观条件限制,无法通过改变池长池深来解决大单宽低傅汝德数的底流消能问题,提供了一种新思路。     

河漫滩湿地淹没柔性植物水流涡量场研究

含植物水流的涡量场构成了河漫滩湿地水生动物生境的物理基础，形成水、营养物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没柔性植物二维垂直涡量场的分布。得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素，植物冠层附近对水流的干扰大，因而流速梯度大；涡量最大值出现在淹没柔性植物冠层以下约50%处；植物冠层处，涡量绝对值大，拟熵大，能量耗散率也高。植物冠层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

河道含淹没刚性植物二维涡量场特性

含植物水流的涡量场构成了水生动物生境的物理基础,形成水、物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没刚性植物二维垂直涡量场的分布,得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素。植物顶层附近对水流的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没刚性植物顶层以下约30%处;植物顶层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物顶层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

The method to control the submarine horseshoe vortex by breaking the vortex core

The quality of the inflow across the propeller is closely related with the hydrodynamic performance and the noise characteristics of the propeller. For a submarine, with a horseshoe vortex generated at the junction of the main body and the appendages, the submarine wake is dominated by a kind of highly non-uniform flow field, which has an adverse effect on the performance of the submarine propeller. In order to control the horseshoe vortex and improve the quality of the submarine wake, the flow field around a submarine model is simulated by the detached eddies simulation （DES） method, and the vortex configuration is displayed using the second invariant of the velocity derivative tensor. The state and the transition process of the horseshoe vortex are analyzed, then a modified method to break the vortex core by a vortex baffle is proposed. The flow numerical simulation is carried out to study the effect of this method. Numerical simulations show that, with the breakdown of the vortex core, many unstable vortices are shed and the energy of the horseshoe vortex is dissipated quickly, and the uniformity of the submarine wake is improved. The submarine wake test in a wind tunnel has verified the effect of the method to control the horseshoe vortex. The vortex baffle can improve the wake uniformity in cases of high Reynolds numbers as well, and it does not have adverse effects on the maneuverability and the speed ability of the submarine.