研究环形沉沙过滤系统水流状态.docx

研究环形沉沙过滤系统水流状态沉沙过滤池是一种将水中的泥沙沉淀并排出池外的装置，随着滴灌系统的普及，近年沉沙过滤池在农田水利工程中得到广泛应用采用沉沙池过滤的主要原理是水流经引渠进入环形沉沙池后，通过逐级滤网过滤，使得流速显著减缓，水流挟沙力大大降低，改变原有水流泥沙的运动状态，从而达到沉沙的目的西部牧区大部分地区输配水系统纵坡大，渠道挟沙能力强，又处于风沙区，风沙将大量性质各异、成分不同的漂浮物带入水中，增加了水质处理难度根据此沉沙理论，通过CFD软件模拟和分析环形沉沙过滤系统内的流场分布情况，其流场分布越均匀，就越有利于泥沙的沉降，沉沙池的沉淀效果就越好一、模型建立1.系统结构利用CAD软件对其进行构建，确定沉沙池为带有不同过滤等级滤网的圆环形结构，如图1所示其中流道宽度为2m，流道外径为10m，中径为8m，小径为6m，中径作为此沉沙池的有效长度，计算可得沉沙池有效工作长度为25m过滤斜网分为五段，每段都由不同目数、不同深度的滤网组成，形成逐级过滤的系统，并在池底设有排污口，池壁设有溢流网对于沉沙过滤系统的数值模拟，利用Gambit软件进行建模，对不同边界（进出口、池壁等）设置相应的边界条件类型。

由于过滤网的存在，若采用真实滤网模型进行模拟计算，其流动状态及边界条件的设置将极为复杂，相对的计算量也随之增大为了简化研究难度，降低模拟计算量，对模型滤网部分进行局部简化处理，将各级过滤网简化为具有等效水阻效应、过流通路逐渐变化的挡板，如图2所示图1三维结构设计图2.计算域、流体子域的划分计算域包含整个模型的空间占有域，而流体子域为计算域中充满流体的区域，也是CFD模拟的计算区域，模型计算域及流体子域的划分如图3所示3.边界条件与网格划分(1）进出口边界条件设置在沉沙过滤池模型计算中，假定池体为满流状态，尤其是进水渠道，由于设置沉沙池的容积是一定的，并没有考虑进水流速的变化对池体液位高度的影响，因此在整个数值模拟过程中，池体的计算域体积不变本文在研究进水流速对沉沙池运行效果的过程中，并未与水力停留时间相联系入口边界条件：以速度入口作为其边界条件类型，速度方向垂直于入口边界出口边界条件：以压力出口作为其边界条件类型，在求解中，当指定较真实的回流方向时，可以将收敛困难程度降到最低2）网格划分网格质量对CFD计算精度、收敛性和计算效率有重要影响实验针对沉沙池三维流场进行数值模拟，由于沉沙池结构较复杂，存在过滤网、溢流网、进水渠、出水渠与池体相接等，合理划分网格（即网格质量）将影响计算精度及收敛性。

因此，网格划分必须综合考虑计算精度和计算强度二、水力特性模拟1.流速分布将沉沙过滤池自下而上等距分为6部分，分析不同横断面的流速分布，如图4(a)～(f）所示图4(a）为池底附近的横断面流速分布，4(f）为池顶附近的横断面流速分布，（b）、（c）、（d）、（e）分别为距池底逐渐上升的横断面流速分布由图可知，水流由进口流入环形水池，流速逐渐降低，由于过滤网的加入，水流流速自下而上也逐渐降低图2三维简化模型图图3计算域、流体子域的划分图4断面流速分布2.湍流强度分布湍流强度是表征湍流发展强度的量，是度量相对于流速值而波动的湍流量的大小模拟同样选取池底附近至池顶附近各等距横断面进行湍流强度分布模拟结果（图略）显示，较大的湍流强度出现在水池进口池底偏上及直端与环形流道衔接处随着水流流经环形流道，湍流强度降低并趋于平稳，非常有利于颗粒泥沙的沉降3.固体颗粒分布由模拟的固体颗粒分布可知，固体颗粒随水流进入沉沙池，固体颗粒运动速度逐渐减小，并在重力作用下逐步向池底运动粒径较大的颗粒首先在水池前端沉降，而粒径较小的颗粒则会在整个池底沉降由于过滤网的存在，在池顶溢流区很少有颗粒杂质分布在水流由引水渠进入水池后，由于过流断面逐渐扩大，流速降低，大颗粒杂质会大量淤积在水池进水段。

粒径分别为0.105mm、0.125mm、0.149mm、0.177mm、0.250mm、0.420mm的固体颗粒沉降图如图5(a)～(f）所示由图可知，颗粒杂质沉降范围随着颗粒粒径的增大而逐渐减小，当粒径小于0.105mm时，其沉降范围将会增大到整个池底，随着粒径进一步减小，沉降效果越来越差，微小粒子会进入水池表层水域当粒径大于0.420mm时，沉降速度极快，基本上在水池进口处就完成沉降目前滴灌推荐过滤精度为120目（杂质粒径≤0.125mm），而当粒径≤0.125mm时，颗粒会在整个水池流道的3/4处基本完成沉降，再加上120目溢流网设置，完全能够保证水池过滤水满足滴灌使用要求三、结论通过对环形沉沙过滤池系统进行建模，对水流特性进行模拟分析，得出沉沙过滤系统沉淀过滤效果明显，粒径较大的颗粒首先在水池前段沉降，而粒径较小的颗粒则会在整个池底沉降粒径范围在0.075～0.125mm时，沉淀过滤效率为93.7%；粒径在0.125mm以上，沙粒去除率达到99.3%，已达到微灌的水质要求图5不同粒径固体颗粒分布参考文献：[1]张立成,杨敬林,易玉林.旋流式沉沙池设计计算与模拟研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版),2016,26(1).[2]汪家权,蒋文韬,王淦.新型高效旋流沉砂池除砂效果研究[J].中国给水排水,2007(15).[3]宗全利,刘焕芳,李强,等.一种新型冲洗式沉沙池的设计探讨[J].长江科学院院报,2005(2).[4]刘焕芳,宗全利.一种新型平流式沉砂池的设计[J].工业水处理,2005(4).魏妍彬,王冲,李文多,贾俊喜.环形沉沙过滤系统水流状态模拟分析[J].中国水利,2020(11):33-34+50.基金:国家重点研发计划“西部牧区高效节水灌溉技术与集成应用”(项目编号:2016YFC0400300)子课题“西部牧区绿色高效节水灌溉装备研制与应用”(项目编号:2016YFC0400303)。