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1、 申请代码： E090703 受理部门： 收件日期： 受理编号： 国家自然科学基金 国家自然科学基金 申 请 书 申 请 书 资助类别：面上项目 亚类说明：青年科学基金项目 附注说明： 项目名称：污水滴灌灌水器内液-固-气多维耦合流场特征与堵塞规律 申 请 者：魏青松 电话： 027-87541145 依托单位：华中科技大学 通讯地址：湖北省武汉市洪山区珞瑜路 1037 号 邮政编码：430074 单位电话：027-87543437 电子邮件：wqs_ 申报日期： 2007年3月20日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 第 2 页 版本 1.007.676 基本信息基本信息 yk
2、Kr4oHPx5L 姓名 魏 魏青松 性别男 出生 年月 1975 年 5 月 民 族 汉族 学位 博士 职称博士后 主要研究领域 节水产品快速开发与 流场数值模拟研究 电话 027-87541145 电子邮件 wqs_ 传真 027-87548581 个 人 网 页 工 作 单 位 华中科技大学 /材料科学与工程学院 申 请 者 信 息 申 请 者 信 息 在研项目批准号 名称 华 华中科技大学 代 码 43007402 联系人 张婷姣 电子邮件 依托单位信息 依托单位信息 电话 027-87543437 网站地址 单 位 名 称 代 码 武 武汉大学 43007201 合作单位信息 合作单
3、位信息 项目名称 污水滴灌灌水器内液-固-气多维耦合流场特征与堵塞规律 资助类别 面上项目 亚 类 说 明青年科学基金项目 附注说明 申请代码 E090703:农田灌溉新技术、 新方 法 E0907:农田水利 基地类别 1991DA105327:材料成形与模具技术国家重点实验室国家重点 预计研究年限 2008 年 1 月 2010 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 申请经费 34.0000 万元 摘 要 (限 400 字)： 摘 要 (限 400 字)：水资源短缺是世界各国面临的重大难题，污水滴灌是缓解该问题的有效途径。 然而，污水滴灌时灌水器
4、堵塞种类繁多、堵塞程度严重，成为制约该项技术推广应用的主 要瓶颈。本项目以污水中多种堵塞介质的微观水力特性为研究对象，对灌水器内液-固-气 多维耦合流场特征及堵塞规律进行基础科学研究。具体内容包括：理论分析与计算污水滴 灌灌水器内水流流态、固相和气相堵塞介质存在形态与运移规律以及液-固-气相间作用规 律；研究污水滴灌灌水器内固-液、气-液、液-固-气多流场的计算流体动力学建模及其边 界与初始条件；通过实验室“长周期”堵塞试验，建立基于滴灌工艺、堵塞介质物理属性、 流道结构多因素复杂耦合的灌水器堵塞定量预测模型。本项目旨在揭示污水滴灌中的灌水 器堵塞规律，为有效控制污水滴灌的堵塞难题和研制出新型
5、污水滴灌抗堵塞灌水器奠定理 论和技术基础。 关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个) 污水滴灌；灌水器堵塞；液-固-气多相流；计算流体力学；堵塞 试验 国家自然科学基金申请书 第 3 页 版本 1.007.676 项目组主要成员项目组主要成员（注: 项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。 ） 编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工 每年工 作时间 （月） 1 董 董文楚 1941-2-1 男 教授 学士 武汉大学 027-6877606 2 水力理论与 试验研究 6 2 杨 杨中华 1977-2-14 男 讲师 博
6、士 武汉大学 027-6136676 2 yang_ 水力建模与 试验验证 4 3 刘 刘洁 1972-7-26 女 讲师 硕士 华中科技大学 027-8755704 2 liu_ 堵塞试验装 置研制 6 4 芦 芦刚 1982-4-14 男 博士生 学士 华中科技大学 027-8754114 5 灌水器多相 流数值模拟 10 5 邓 邓石胜 1983-10-19 男 硕士生 学士 武汉大学 027-8788853 0 堵塞试验实 施 10 6 孙 孙宏 1982-7-1 男 硕士生 学士 华中科技大学 027-8754114 5 多相流模拟 的实现 10 7 8 9 总人数 高级 中级 初级
7、 博士后 博士生 硕士生 7 1 2 0 1 1 2 说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者） ，总人数自动生成。 国家自然科学基金申请书 第 4 页 版本 1.007.676 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元） 科目 申请经费 备注（计算依据与说明） 一.研究经费 一.研究经费 27.4000 1.科研业务费 14.5000 （1）测试/计算/分析费 6.5000 试验用灌水器结构、尺寸测试，试验用各级污水成 分、含量的试验测量。 （2）能源/动力费 3.0000 加工、实验、数值模拟中的水、电及其他能源/动 力损耗。 （3）会议费/差旅费 2
8、.5000 项目研究过程中试验调研、参加国内学术会议等活 动中的会务、交通和通讯等费用。 （4）出版物/文献/信息传播费 2.5000 查阅、复印、购买相关文献，发表论文，信息检索 等费用。 （5）其它 2.实验材料费 6.7000 （1）原材料/试剂/药品购置费 6.7000 试验用灌水器、管件等原材料，多结构灌水器原型 的成形材料以及试验水源等。 （2）其它 3.仪器设备费 4.5000 （1）购置 （2）试制 4.5000 自行试制实验室污水滴灌灌水器“长周期”堵塞试 验测试平台。 4.实验室改装费 1.7000实验室的水、电改装，模拟用计算机软硬件的升级 5.协作费 二.国际合作与交流
9、费 二.国际合作与交流费 1.5000 1.项目组成员出国合作交流 1.50001-2 人次参加国际灌排会议或学术交流 2.境外专家来华合作交流 三.劳务费 三.劳务费 3.60003 人3 年4000 元/人年 四.管理费 四.管理费 1.5000 合 计 合 计 34.0000 国家其他计划资助经费 0.0000 其他经费资助（含部门匹配） 0.0000 与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 第 5 页 版本 1.007.676 报告正文 报告正文 （一）立项依据与研究内容（一）立项依据与研究内容（40008000） 1.1
10、 项目的立项依据 水资源短缺是世界各国面临的重大难题，而污水滴灌是缓解这一问题的有效途径1,2。在我国， 应用污水灌溉已有近千年的历史，在欧洲也有将近一个世纪3。这种古老方法的现实意义在于： （1） 可从灌溉用水中置换出等量优质水，如果污水灌溉的规模提高到年排放量的 50%，则置换出的优质 水量将相当于 23 个南水北调工程； （2） 利用污水进行灌溉， 可充分利用土壤的降解能力减小对江、 河、湖泊等有限水资源的污染； （3）对比常规水，污水中的氮、钾等元素可明显促进作物生长。 世界范围内，以色列、美国等国对污水滴灌进行了推广应用。特别是以色列，全国 80%的污水 经过净化后用于农业和城市园林
11、滴灌，预计到 2010 年全国将有 1/3 以上的农业灌溉使用污水5。据 报道，我国的污水灌溉占总灌溉面积的 10%左右，主要集中在水资源严重缺乏的黄、淮、海和辽四 大流域，大多采用原始的漫灌和浇灌方式，不符合现代节水农业的发展方向。纵观国内外，污水滴 灌的普及程度不高，究其原因是多方面的，其中灌水器堵塞问题尤为突出。 在以色列、美国等滴灌应用早、研究深入的国家，有众多学者就污水滴灌中的灌水器堵塞问题 进行了针对性的研究。Adin 等（1990）利用三种灌水器进行污水滴灌试验，提出了一种“逐步堵塞” 的假设，认为沉积物的聚集源自不规则形状粘土的沉淀，加上后续悬浮固体物的不断黏附，最终导 致灌水
12、器发生堵塞6。Taylor等（1995）对长达两个生长季节的田间污水滴灌进行了系统研究，发现 砂粒在流道内部的沉积和滞留是引起灌水器堵塞的主要原因，指出灌水器的流道结构和形式成为决 定其堵塞程度的最重要因素7。Shatanawi 等人（1996）通过试验研究，发现污水中的钙、镁等元素 容易导致灌水器发生严重堵塞，过多的微生物则加速了藻类的生长8。Schischa 等人（1997）通过试 验研究如何最大限度地控制污水滴灌中的灌水器堵塞问题9。Trooien 等人（2000）利用 5 种滴灌带 进行污水滴灌试验，结果表明小流量的滴灌带更容易发生堵塞10。Capra 等（2004）利用五种未经 深度
13、处理的城市污水分别对四种类型灌水器进行滴灌试验，结果发现悬浮固体物和有机物的含量是 决定灌水器堵塞程度的最大因素11。Puig-Barguses 等（2005）研究了二级处理、二级处理加过滤以 及三级处理三种条件下的污水滴灌试验，结果发现二级处理污水时灌水器存在一定程度的堵塞，二 级处理加过滤时灌水器堵塞最严重，三级处理污水时灌水器堵塞最轻12。Cararo 等（2006）通过对 15 种灌水器的污水滴灌实验，发现采用氯化法比压缩空气法更能有效地减轻灌水器的堵塞程度，而 流道结构也是决定堵塞的一个重要因素13。污水滴灌在我国的应用基本属于空白，但也有少数研究 国家自然科学基金申请书 第 6 页
14、 版本 1.007.676 报道。如甘肃工业大学的王瑛等（2002）14和兰州铁道学院的洪雷等（2002）15分别探讨了利用污 水滴灌城市绿化带和林木时的处理工艺与设计方法，但均没有涉及到具体的堵塞研究。上述国内外 有关污水滴灌的研究均采用试验手段，其成果有益于污水滴灌技术的推广应用。然而，滴灌应用的 场合千差万别，污水成分不尽相同，使用的灌水器存在差异。因此，上述针对某些特定条件下的试 验研究，其成果对于解决污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指导意义是有限的。 灌水器是否发生堵塞直接取决于堵塞介质在流道内的水力特性，但大多灌水器流道截面微小、 形状复杂，且呈封闭结构，采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）16、声学多普勒 测速（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）17以及激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry， LDV）18等可视化试验方法很难准确而及时地观测其流场形貌。于是，本世纪以来，以我国学者为 主的一批学者开始尝试应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的方法可视化灌 水器的微小内流场。王尚锦等（2000）利用流动模拟软件 FLUENT 分析了圆弧迷宫式灌水器流道内 的
