上马相迪排沙漏斗不同悬板开孔率及立柱直径条件下的水沙数值模拟研究

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排沙漏斗是当前处理河渠泥沙危害最有效的的装置之一。悬板是排沙漏斗的核心部件,其结构形式与布置方式的优劣,对整个漏斗系统的安全高效运行起着举足轻重的作用。针对目前排沙漏斗极易形成泥沙落淤悬板,并易致使悬板塌落破坏的问题,本文采用理论分析和数值模拟的方法,分别对尼泊尔上马相迪排沙漏斗的悬板下方加设了不同直径圆形支撑立柱、悬板上布设了不同直径圆形孔洞这两种方案,进行漏斗室三维速度场、典型断面含沙量、泥沙截除率以及内流场合速度值等的计算研究分析,主要研究内容和结论如下:
  (1)基于已有的漏斗物理模型试验报告,整理了该漏斗的具体结构尺寸以及在所有工况下的物理试验数据,主要为在不同流量下漏斗典型断面处流速值的实测数据,并将这些数据用于数值计算结果验证。
  (2)借助CFD(计算流体动力学)数值模拟技术,并采用FLUENT(CFD软件包)提供的紊流模型,对排沙漏斗内部流场进行数值模拟,并将数值模拟结果与物理试验数据进行对比,在综合比较计算精度、计算相对误差以及计算耗时等诸多因素后,发现流体体积分数法结合大涡模拟的紊流模型最适用于对漏斗室内流场进行数值模拟,且计算精度较高,表明本文所建立的数学模型和采用的数值模拟方法是正确的。
  (3)通过FLUENT计算得到的数据可知:当立柱直径d=400mm时,选取的测试点中垂直向上的流速最少,此时的泥沙颗粒随水体淤积到悬板上层表面的可能性减小,从排沙底孔排出的可能性增大;当立柱直径d=350mm和400mm时,对漏斗泥沙截除率的影响相对较小。
  (4)悬板上层表面的泥沙呈现“两端大,中间小”的分布特征;圆孔的布设有助于提高漏斗清理小粒径泥沙时的效率;当悬板有效传质区开孔率为3.192%时,合速度值具有良好的分布规律,较易形成稳定的空气涡。
  (5)经计算,推荐选用文中所提出的立柱布置方式结合立柱直径d=400mm的组合作为该漏斗的第一种优化方案,文中所提出的悬板孔口布置方式结合开孔率Φ=3.192%的组合作为第二种优化方案,研究成果可为同类排沙漏斗工程进行悬板沙害治理提供参考。
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