深水型水库扬水曝气混合原位控藻数值模拟

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扬水曝气器技术是分层水源水库原位控藻的有效技术。为确定水库中扬水曝气器的适宜布置间距和预测扬水曝气的控藻效果,针对西安金盆水库扬水曝气水质原位改善工程的典型设计工况,采用FLUENT商业化软件模拟计算了分层水库中扬水曝气器的外围流场和藻类浓度场,主要研究了不同温度梯度和水深条件下的控藻区域及藻类混合特性,主要结论如下:(1)扬水曝气器出流速度呈周期性变化,扬水曝气器外围流场亦周期性变化,以控藻区域占整个水体面积的百分比为目标,确定了一个周期内的最不利控藻时刻,建立了扬水曝气器周期性控藻的研究方法。(2)在温度梯度0.17℃/m-0.73℃/m条件下,扬水曝气器外围流场以进口顺时针环流和其他区域逆时针环流共存为特征;随着温度梯度的增加,入口较低温度水体下潜时受到的浮阻力增加,进口环流的范围缩小、强度减弱,外围流场速度值沿径向递减,扬水曝气器外围流场达到稳定状态所需要的时间逐渐增加。(3)在相同水深80m条件下,扬水曝气器外围稳定核心控藻区域的形状基本不受温度梯度的影响,核心控藻区域的半径和面积均随着温度梯度的增加而增大;当温度梯度从0.17℃/m逐渐增加到0.73℃/m时,核心控藻区域面积百分比仅从25.16%增加到28.60%,但核心控藻区域的半径却约从100m增大到150m,证实金盆水库扬水曝气250m-300m的设计间距是偏安全的。(4)在相同温度梯度0.47℃/m条件下,扬水曝气器外围稳定核心控藻区域的形状基本不受水深条件的影响,核心控藻区域的半径和面积均随着水深的增加而增大;当水深从50m逐渐增加到110m时,核心控藻区域的半径约从60m增大到175m,即从水深的1.2倍增加到1.6倍;核心控藻区域面积百分比约从12.5%增大到30.6%。(5)以位于生长补偿点水深处藻类为对象,利用FLUENT绘制质点迹线功能,分析藻类在扬水曝气器外围水体中的被动迁移特性,藻类迁移主要分水平迁移、垂向下潜、库底潜行和垂直上行等四部阶段,非核心控藻区域内的藻类会随水流缓慢被动迁移至核心区域;藻类在生长补偿点以下迁移的时间远大于在生产区域的迁移时间,藻类在生长补偿点以下迁移的时间均随温度梯度和水深的增加而增加,扬水曝气混合抑藻的效果亦随之增强。(6)随着扬水曝气器运行时间的增加,扬水曝气器外围表层水体中藻类浓度逐渐降低,底部水体中藻类浓度则随之缓慢增加;当扬水曝气器外围流场达到稳定状态之后,表层水体中藻类浓度下降可达80%以上;模拟结果与实测结果吻合较为理想。
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