采用VOF(volume of fluid)方法追踪自由液面,辅以Realizable(可实现化)湍流模型封闭两相流时均方程,对浅尾水深水平底板上的表面射流水力特性进行了数值模拟。微分方程的离散采用有限体积法,速度与压力耦合求解使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。研究并分析了入射速度、尾水深和进口宽度等对流场流线分布、速度场及横断面最大流速沿程衰减规律等水力特性的影响。研究发现:流场内存在一个大的漩涡,入射流速越大,漩涡长度越长;横断面上水平流速和纵向流速在漩涡区和明渠流区分布规律不同;横断面最大流速沿程衰减主要受进口流速大小的影响。
采用两相流混合模型,选取RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对辐流式二次沉淀池液固两相流力学特性进行三维数值模拟。采用有限体积法求解微分方程;紊动能、紊流耗散均采用Quick离散格式;速度与压力耦合求解时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。通过模拟获得了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量在空间的分布规律,对沉淀池的设计有一定的参考价值。
采用大涡模型结合气液两相流时均方程,对六直叶圆盘涡轮搅拌槽内的流场特性进行了数值模拟。自由水面的捕捉用VOF(Volume of Fluid)法,用Simplec方法求解控制方程。通过模拟得到了搅拌槽内复杂的双涡旋流场结构、转轮叶端尾涡的发展变化情况以及轴向流速的分布规律。通过对比大涡模拟与RNGκ-ε的计算结果,得知大涡模型能模拟出流场内瞬时旋涡的发展变化过程,反映出挡板的存在破坏了圆形搅拌槽的流通模式,提高了叶片附近的混合效率;桨叶区域湍流呈现明显的各向异性,时均流速存在明显的波动性。从而证明了用大涡模拟探讨搅拌槽内湍流现象及流场结构的可靠性。
为了提高氧化沟内水流的混掺能力,降低系统的运行能耗,对卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟的结构进行优化研究。采用数值计算方法求解气液两相流时均方程,辅以RNGk-ε紊流模型封闭时均方程组,自由面的追踪采用VOF(volume of fluid)方法处理,对六沟道试验氧化沟在曝气推流设备后增设导流板与无导流板2种工况下的水力特性进行研究。通过对比2种工况下的流速分布规律,得出在曝气转盘下游加装导流板时,不会导致氧化沟中上部污泥滞留,并能增大氧化沟底部水流速度,改善沟内垂线上的流速分布。在曝气推流设备后增设导流板来改善水力特性有利于消除氧化沟池底积泥现象,延长水气混掺时间,提高水处理效率。
采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。
