石英砂濾料,水廠濾池用石英砂,過(guò)濾器用石英砂,石英砂濾層過(guò)濾與石英砂反沖洗特性實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

水廠濾池用石英砂,過(guò)濾器用石英砂,石英砂濾層過(guò)濾與石英砂反沖洗特性實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

    石英砂過(guò)濾器是目前微灌工程應(yīng)用范圍最廣的過(guò)濾設(shè)備之一，基于其獨(dú)特的三維過(guò)濾方式，它可以高效濾除水中的無(wú)機(jī)雜質(zhì)和有機(jī)雜質(zhì)，具有較強(qiáng)的截污能力。關(guān)于石英砂濾層過(guò)濾及反沖洗參數(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，但迄今為止，其過(guò)濾和反沖洗的許多現(xiàn)象和本質(zhì)仍然沒有被揭示，因此，尋找新的研究方法和進(jìn)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬三個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)石英砂濾層結(jié)構(gòu)和性能的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)多數(shù)研究都有非常嚴(yán)格的限制條件，其結(jié)果只有在采用完全相同的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)才能參考。本文針對(duì)上述問(wèn)題，嘗試采用CFD方法對(duì)過(guò)濾和反沖洗過(guò)程中濾層內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究石英砂濾層對(duì)過(guò)濾水流的影響以及反沖洗水流下石英砂濾料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主要研究工作和結(jié)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(jìn)行壓降實(shí)驗(yàn)。影響因素為渾水顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、雜質(zhì)粒徑、過(guò)濾速度。實(shí)驗(yàn)得出過(guò)濾時(shí)流場(chǎng)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(lái)分析壓降時(shí)，整個(gè)濾層中，表層10cm產(chǎn)生的壓降值最大，其它層產(chǎn)生的壓降值較小，末層最小。在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，表層四分之一厚度的濾層產(chǎn)生的壓降平均占整個(gè)濾層壓降的34%~40%，說(shuō)明均質(zhì)石英砂濾料濾層仍然存在輕微的表層過(guò)濾現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)分析的三個(gè)因素中，過(guò)濾速度對(duì)壓降變化的影響最大，渾水顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和雜質(zhì)粒徑對(duì)過(guò)濾器壓降的影響則相對(duì)不明顯。石英砂濾層壓降與過(guò)濾速度正相關(guān)，過(guò)濾速度越大，產(chǎn)生的壓降越大，且壓降值為過(guò)濾速度的二次方函數(shù)。
   （2）引入Fluent軟件中的多孔介質(zhì)模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，計(jì)算了必須的參數(shù)如孔隙尺寸、石英砂濾料濾層孔隙率、粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)等。發(fā)現(xiàn)單個(gè)孔隙的尺寸與石英砂顆粒的粒徑緊密相關(guān)，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(guò)濾過(guò)程的多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)理論，建立了過(guò)濾的二維數(shù)值模型，對(duì)數(shù)值模擬所得壓力場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：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(shù)。石英砂與水的交界面處，壓力值近似為常數(shù)，當(dāng)所分析的濾層高度降低，壓力分布發(fā)生了變化，邊線上的壓力值大于中心線上的壓力值。當(dāng)過(guò)濾速度大于等于0.025m/s時(shí)，數(shù)值模擬所得邊線上壓力值與測(cè)壓管測(cè)得值吻合程度十分高，數(shù)值計(jì)算的分層壓降值誤差在6%以下，整個(gè)濾層壓降值最大為14%。
   （4）基于固-液兩相流理論建立三維過(guò)濾器模型，通過(guò)對(duì)反沖洗的過(guò)程的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)對(duì)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(yīng)的膨脹狀況，根據(jù)石英砂濾料體積守恒原理得到濾層的膨脹高度。通過(guò)分析膨脹高度與反沖洗速度、濾層厚度以及濾料粒徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)膨脹高度與反沖洗速度線性相關(guān)，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(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3‰工況下的實(shí)驗(yàn)值對(duì)對(duì)比，吻合良好。

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