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1、题目：滴灌用水泥沙分离技术的 分析研究,一、课题意义及国内外研究现状综述,(一)、课题背景及意义：,农业是一个国家维持人类生存和进步的保障。我国又是一个农业大国，农业离不开水并且用水量还很大，所在我们国家的农业用水约占全国总用水量的70。我们国家农业的传统灌溉方法就是采用大水漫灌，这种方式带来的后果就是水的利用率(40%左右)很低，造成严重的浪费。再加上近年来各种水污染事件加剧了水资源短缺，所以对于我国这样一个农业用水大户来说，应尽可能的节约农业用水并建立与完善适合我国国情的现代节水农业灌溉技术体系，将成为促进我国节水农业可持续发展的重大战略举措之一。,基于以上我国水资源和农业用水现状，农业采
2、用节水灌溉势在必行。在我国使用黄河水灌溉的区域，由于泥沙含量大，在农业滴灌系统中容易造成滴灌孔、喷灌喷头、甚至管道的堵塞，严重影响节水灌溉的推广。因此应对滴灌用黄河水进行分离。另外，除使用黄河水灌溉的区域外，其他地方也可以使用地下水、雨水或河水进行灌溉，由于这些水源中泥沙含量依然较大，为了避免其对农业滴灌设备造成堵塞，可见对于灌溉用地下水也是需要对其进行分离的。,(二)、课题选择,以下是几种常用的分离设备，主要有蝶式分离器、垂直异重流式水沙分离鳃和水力旋流分离器等。 1、蝶式离心机,分离原理：在操作过程中，进料悬浮液沿转鼓中心引入，向下通过碟片进入碟片和转鼓壁之间的空间。然后，液体以薄层在碟片
3、间沿径向向内流动，并流向位于转鼓顶部的出口。沉渣沉积在两碟片中上碟片的下表面上。随后颗粒在碟片下表面向下向外往碟片边滑动，沉降到转鼓壁上，最后经喷嘴排出。,图1 蝶式离心机示意图,图2 蝶式离心机分离原理图,分离特点：该分离机内，用碟片降低沉降高度，增加沉降面积。碟片以一定的速度旋转，固体颗粒在分离力片降低沉降高度，增加沉降面积。碟片以一定的速度旋转，固体颗粒在分离力场的作用下，大大提高了沉降速度，以便颗粒能很快地从液相中分离出来6。但是这种分离器不仅在进水口需要单独的电动机给水泵提供动力，而且分离器的旋转也需要单独的动力，所以这就加大的能量的消耗。,2、垂直异重流式水沙分离鳃,图3 垂向异重
4、流式混合流体分离鳃示意图,分离原理：该试验装置为矩形管状鳃，由鳃管、鳃片构成。单排鳃片式分离鳃鳃片为一平面，以一定的角度倾斜固定在矩形鳃管长方向的两侧壁上，与鳃管的宽度侧壁构成倾斜角，但与宽度方向的两侧壁之间保持一定的距离，即鳃片与管壁之间构成清水上升和泥沙下降的通道，即可实现水中泥沙自动沉淀而清水在上方 。,双排鳃片式分离鳃与单排鳃片式分离鳃类似，也由鳃管、鳃片构成。所不同的是鳃片呈“V”字形，与鳃管的连接形式同单排鳃片分离鳃。分离特点：这种分离装置主要采用的是自然沉淀的方法，虽然不需要给它提供动力，但是它分离的效率很低并且泥沙和清水之间的分界不是很明显，所以分离的效果不是很好。,3、水力旋
5、流分离器,水力旋流器的基本结构如图5所示：它主要有进水口、溢流口、器壁(分离桶和锥体) 和底流口几部分组成。,图4 水力旋流器结构图,图5 水力旋流器分离原理图,水力旋流器的基本工作原理依靠离心沉降进行分离，将需分离的两相混合液以一定的压力从旋流分离器圆筒段上部的切向进料口进入，在压力作用下由于受到外筒壁的限制，从而在旋流器内形成强烈的旋转运动，由于轻相和重相所受的离心力和流体曳力的大小不同，当固体颗粒所受的离心力大于液体的阻力时，它就会克服液体阻力向器壁方向移动，颗粒受到连续的液体推动，沿器壁向下运动到达底流口排出。净化后的液体向下继续运动进入圆锥段，因旋流分离器的内径逐渐缩小进而旋转速度加
6、快。,液体产生涡流运动时沿径向方向的压力分布不均，越接近轴线处越小而至轴线时趋近于零，成为低压区甚至为真空区，使液体趋向于轴线方向移动。同时，由于底流口直径很小，液体无法迅速从底流口排出，而旋流腔顶盖中央的溢流口由于处于低压区而使一部分液体向其移动，因而形成向上的旋转运动，并从溢流口排出。,水力旋流器的分离性能与特点：沙粒在分离器中的速度矢量和运动轨迹形成了分离所需的沿分离器壁面切线方向的旋流，而且还在分离器内部形成了旋流分离所需的动力环境，这种分离器所需动力很少，只要保证在进水口处有一定的压力就可以。,图6 分离器内砂粒运动轨迹,通过以上几种分离器的对比可知，水力旋流器和现有的其他分离器相比
7、，由于其结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、占地面积小、无传动部件和生产成本低等优点，故选之为农业滴灌系统中的分离设备，把进一步提高水力旋流分离器的分离效率和分离性能做为本课题目的主要研究内容。,(三)、水力旋流器国内外发展现状,由于水力旋流器中的液-固两相流体的三维强旋转场及其分离机理的复杂性，使得水力旋流器没有一个通用的物理和数学模型来支撑其分离的理论模型。因此水力旋流器的结构和操作参数对分离性能的影响关系式均停留在定性阶段或局限在很窄的条件范围内。目前国内外在对旋流分离器的研究中，运用最广泛的方法就是数值模拟（CFD）法。研究者用Fluent软件对旋流器的研究逐步深入，由简单结构
8、到复杂，将参数多样化，模拟值与实验结果的一致性也在不断增加。但是接下来的研究中还有很多方面需要加强，比如流场特征与结构参数及操作参数定量模型的建立，短路流的深入研究，旋流器内部液滴运动规律的研究等 。,与国外相比，由于国内在旋流分离问题上运用数值模拟起步较晚，所以目前尚处于初级阶段。通过旋转流动标准的k-模型和修改若干系数后的k-模型，计算了旋流分离器切向入口内部流场和获得几种简单情况下的旋转流动结果，但不能给出湍能的各相异性分布。伴随着计算机水平和湍流模型的发展所带来的CFD的不断改进，运用计算流体力学理论，发展数学模型并加以模拟是解决工程实际问题、探索分离器内部流动和分离效率的切实可行的有
9、效手段。,(四)、发展前景,水力旋流器由于其结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、占地面积小和无传动部件等优点，在许多场合（农业、矿山和油田等）得到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益，纵观国内外学者的研究动向和实用情况，旋流器的发展趋势是：1、技术规格两极化：大型及小型化。2、结构形式多样化：结构更加合理、适应性更强的新型旋流器。3、应用范围扩大化：农业、工业、石油、天然气和环保等部门的固-液、固-固、液-液和液-气的分离领域。4、工艺计算程序化：在条件较好的工厂和单位，旋流器的工艺计算基本上实现了模型化和程序化。,5、结构材质耐磨化：提高抗腐蚀能力和耐磨性程度，扩大其使用范围。6、技
10、术控制自动化：保证沉砂口、溢流口的磨损程度，生产能力、分离粒度、分离效率和产物的细度等参数在设计的允许范围内，就可确保产品质量符合设计工艺要求。7、设备向组合化发展：水力旋流器采用串联组合可提高分级效率和生产能力，并且还可以实现多相分离。水力旋流器采用并联组合可提高处理能力、稳定操作。采用超小型旋流器(如10mm)的并联组合可以用作超细粒级的分级。8、作用力向复合化发展：在选矿方面，采用复合力场可以强化分离效果，实现不同矿物的有效分离，获得普通旋流器无法达到的分离指标。,二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题(一)、课题研究目标：根据水力旋流分离器的工作原理，采用流体力学三元流理论对其
11、水力特性进行数值模拟计算和分析，得到旋流器内部的流场速度分布和泥沙运动轨迹情况。再结合目前旋流分离器在农业滴灌中的工作情况，对旋流器进行结构优化设计，研制出适用于分离不同泥沙含量的系列新型整体式高效旋流分离器。(二)、研究内容：1、基于旋流分离原理，应用三元流理论，突破一元流动的近似假定，考虑真实旋流流动的空间（三元）性，在不同压差、不同流量下，建立泥少分离系统的旋流式泥沙分离器的三元流动模型；,2、根据样机的结构尺寸建立模型之后，应用Fluent软件进行泥沙分离过程的仿真分析，主要是采用给模型赋予和真实情况一样的边界条件，通过软件在真实边界条件环境中对模型进行仿真分析，进而可以找到不同区域和
12、其他不同条件下的水源所对应的能够达到最优分离效果的旋流分离器几何尺寸；3、再结合旋流分离器在农业滴灌中的实际工作情况和上面的仿真分析结果，对水力旋流分离器的结构进行合理的优化和改进，从而提高旋流分离器分别针对不同水源的分离效率。,(三)、拟解决的关键性问题为了使分离器内部形成旋流分离时所需要的分离动力学环境，本课题所要解决的几个关键性问题如下：,三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析(一)、研究方法：1、通过检测旋流分离器目前在分离效率和分离效果上存在的不足，再结合用户在实际应用中遇到的困难和提出的宝贵意见，对现存的缺点给出改进和优化的观点与方法。2、对水力旋流器的分离原理和国
13、内外现有的研究成果进行分析、总结，查找自己的不足之处，通过运用三元流理论对旋流分离器内部流场进行模拟分析。3、运用Fluent软件对建立好的旋流分离器模型进行仿真分析，求得数值解并得出分离器的几何参数对分离精度的影响。,(二)、技术路线：学习基础理论知识确定试验方案依据样机建立模型并进行网格划分导入Fluent软件中加载边界条件进行仿真分析得出分析数据并归类、筛选理论分析、优化并比较得出最优结果并验证,图7 分离器实体模型,(三)、实验方案：1、依据样机的基本尺寸在三维造型软件中建立泥沙分离器的几何模型，如图7所示：,2、将生成的几何模型导入ANSYS中，采用四面体非结构性网格对指定区域进行网
14、格划分，生成网格图如图8所示。本实验对多种规格的水力旋流器进行了网格划分。3、采用Fluent软件对其进行流场计算与分析，并进行结构的优化设计。,图8 网格划分,(四)、可行性分析：水力旋流器中的液-固两相流体的三维强旋转场及其分离机理的复杂性是当今国内外学者研究的重点和难点，经过国内外专家多年的努力发现，利用数值模拟(CFD)法在分析流体内部流场时比原始的通用物理和数学模型要简单、方便一些，为本课题的研究提供了良好的指导方向。再加上本研究方向的前期成果积累，为本课题的顺利进行奠定了较好的基础。因此，水力旋流器的结构和操作参数对分离性能影响的研究可以在预期的时间内完成。,四、课题的创新性1、在查阅的文献中所涉及到的三元流理论都是用于风机和循环水泵的节能改造中，因此利用三元流理论在风机和水泵上运用的良好节能效果，也试图在水力旋流分离器的分离过程中运用三元流理论，从而减少分离器的耗能和提高分离器的分离效率和分离精度；,2、由于本课题在试验的过程中，进行了大量的模型建立(尺寸从小到大)，进而可以得到各种尺寸所对应不同水源的最优分离效果，从而就可以实现旋流分离器的系列化和专用化；,三元流叶轮,谢 谢恳请各位老师批评指导,
