石英砂濾料,水廠濾池用石英砂,過濾器用石英砂,石英砂濾層過濾與石英砂反沖洗特性實驗研究及數值模擬

水廠濾池用石英砂,過濾器用石英砂,石英砂濾層過濾與石英砂反沖洗特性實驗研究及數值模擬

    石英砂過濾器是目前微灌工程應用范圍最廣的過濾設備之一，基于其獨特的三維過濾方式，它可以高效濾除水中的無機雜質和有機雜質，具有較強的截污能力。關于石英砂濾層過濾及反沖洗參數的研究已經進行了很多年，但迄今為止，其過濾和反沖洗的許多現象和本質仍然沒有被揭示，因此，尋找新的研究方法和進行更深入的研究具有十分重要的意義。本文從理論分析、模型實驗和數值模擬三個方面綜述了國內外對石英砂濾層結構和性能的研究進展，發現多數研究都有非常嚴格的限制條件，其結果只有在采用完全相同的模型進行實驗時才能參考。本文針對上述問題，嘗試采用CFD方法對過濾和反沖洗過程中濾層內的流場進行模擬，研究石英砂濾層對過濾水流的影響以及反沖洗水流下石英砂濾料的運動狀態。主要研究工作和結論如下：
   （1）為減小出流邊界的影響，采用石英砂厚度為80cm的濾層進行壓降實驗。影響因素為渾水顆粒質量分數、雜質粒徑、過濾速度。實驗得出過濾時流場中的壓力值隨著濾層高度的降低而減小。將濾層分成各段厚度為10cm的石英砂濾層來分析壓降時，整個濾層中，表層10cm產生的壓降值最大，其它層產生的壓降值較小，末層最小。在所進行的實驗中，表層四分之一厚度的濾層產生的壓降平均占整個濾層壓降的34%~40%，說明均質石英砂濾料濾層仍然存在輕微的表層過濾現象。實驗分析的三個因素中，過濾速度對壓降變化的影響最大，渾水顆粒質量分數和雜質粒徑對過濾器壓降的影響則相對不明顯。石英砂濾層壓降與過濾速度正相關，過濾速度越大，產生的壓降越大，且壓降值為過濾速度的二次方函數。
   （2）引入Fluent軟件中的多孔介質模型對流場進行仿真，計算了必須的參數如孔隙尺寸、石英砂濾料濾層孔隙率、粘性阻力系數和慣性阻力系數等。發現單個孔隙的尺寸與石英砂顆粒的粒徑緊密相關，粒徑越大，孔隙面積越大。
   （3）提出一套適用于描述石英砂濾層過濾過程的多孔介質流體動力學理論，建立了過濾的二維數值模型，對數值模擬所得壓力場分析發現：濾層上端的壓力值較大，越靠近底部壓力值越小，但是同一水平高度的濾層面上，壓力值并非常數。石英砂與水的交界面處，壓力值近似為常數，當所分析的濾層高度降低，壓力分布發生了變化，邊線上的壓力值大于中心線上的壓力值。當過濾速度大于等于0.025m/s時，數值模擬所得邊線上壓力值與測壓管測得值吻合程度十分高，數值計算的分層壓降值誤差在6%以下，整個濾層壓降值最大為14%。
   （4）基于固-液兩相流理論建立三維過濾器模型，通過對反沖洗的過程的數值模擬，發現對于同種粒徑的濾料，隨著反沖洗速度的增加，各層濾料的濃度變得稀疏，反映了濾層相應的膨脹狀況，根據石英砂濾料體積守恒原理得到濾層的膨脹高度。通過分析膨脹高度與反沖洗速度、濾層厚度以及濾料粒徑的關系，發現膨脹高度與反沖洗速度線性相關，膨脹高度和膨脹率隨著反沖洗速度的增加而增加；石英砂濾層厚度越大，膨脹高度越大，但是其膨脹率越小；其他條件相同時，石英砂濾料粒徑越小，膨脹高度和膨脹率越大。將各種工況下模擬值與渾水顆粒質量分數為0.3‰工況下的實驗值對對比，吻合良好。

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