斜板式沉沙池水流流态数值模拟

第38卷第3期JoumalofSouthw西est南Un民iv族ers大ity学fo学rN报ati‘on自al然itie竺sN学at版urelScienceEditionMay．20121．1。文章编号：1003．2843(2012)03--0425-06斜板式沉沙池水流流态数值模拟胡彬，桂林(四川大学水电学院，四川成都610065)摘要：沉沙池广泛运用于水利工程中。在一般平流式沉沙池中加装斜板可以改善其水流流态，提高沉淀效率．现对斜板式沉沙池进行了建模工作，采用CFD商业计算软件Fluent对斜板式沉沙池和移除斜板后的平流式沉沙池进行了欺值模拟，模拟结果表明：(1)平流式沉沙池中进水口上方有一较小回流区而且出口池底有一较大回流区，而加装斜板后进水口上方回流区减小，出口池底回流区消失；(2)对斜板式沉沙池斜板区域的水流雷诺数Re进行计算，大部分板间水流呈层流状态；(3)对类似的工程设计．施工及运行管理有一定的参考价值．关键字：沉沙池；斜扳：对比分析；雷诺数；数值模拟：k一￡模型中图分类号：TV214文献标识码：Adoi：103969Ij．issn．1003·2483．2012．03．21沉沙池是用来沉降挟沙水流中有害或过多的泥沙，满足供水要求，以及在水利水电工程中减轻对水力机械的磨蚀的一种水工建筑物，主要利用沉沙池过流断面面积大、流速小和水流挟沙力很低的条件，水流中大于设计沉降粒径的泥沙得到沉降、出池含沙量及泥沙粒径达到安全生产标准．平流式沉沙池的沉沙效率与池子的明面面积成正比，如果将将统一池子在高度上分成N个问隔，平面则增大N倍，理论上其沉沙效率可以提高N倍，但排沙困难．若将平板改为斜板，水平投影面积保持相同倍数，积沙可以自动落到池底，易于排沙．斜板式沉沙池是在沉沙池内装置许多问隔较小的平行斜板的新型沉沙池，加装斜板后，加大了水池过水断面湿周，碱小水力半径，同样地流速v时，雷诺数月e大为减小，使水流处于层流状态。使颗粒的沉淀距离缩短，缩短沉淀时间，从而提高沉沙效率．近年来随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)技术在流场的计算应用中日益广泛．本文采用Fluent软件对斜板沉沙池与未加装斜板的平流式沉沙池中流场进行模拟，并且比较两者的沉降效果．1沉沙池水流的数学模型1．1水流控制方程本文在计算流场过程中只用清水代替实际水流，因此在沉沙池中得水流可以认为是非定常二维粘性不可压缩的汽液二相流．可用k—s双方程模型进模拟，其流动基本方程组表示如下p1：连续方程：望+塑生；o．(1)Ota工。动量方程：等+去c矾¨一筹+毒№Ⅵ，c等十警肿删，④紊动能和耗散率方程：收稿日期：2012·02·21作者简介：胡彬(1988．)，男，硕士研究生，研究方向：电站水力学及动力系统．E-mail：hubin319@163．corn．桂林(1963·)，男，副教授，研究方向：水电站水力学及动力系统．万方数据426西南民族大学学报·自然科学版第38卷等+掣=专№盟ak)1丝axjjk崛唯一％峨。㈣掣+掣=砉№唰／Jz_,／引a_L]崛。詈(Gk+C3,G．)-Cz,p}母㈣式中，q和G6都是由平均速度梯度引起的紊动能k的产生项，计算式分别是：G。硝f挈+挈1挈．(5)＼U曩jUjj)U1jGb嘲f昙!；L+¨a。uj1Fau一．(6)＼、U嘎ju磊lJG嗄j若液体为不可压缩流体，那么G6=0，％=0，瓯=0，&=0，标准七一占模塑可以简化为：幽+掣=岳№丝a,)]丝axjjataxOxOxk即∽Ij¨‘’骂竽+警掣=砉l(∥+丝盯,j1丝axjjI+c。，善Gt—c：。p}·c8，式中，岛为而方向的速度分量。i,j=l，2；P为体积分数加权平均的密度；P为修iE／玉；O；以为淌动粘度．其中，q为速度梯度产生的消动能，c2。为浮力产生的湍动能．在标准七一￡模型中，模型常数Cl。、C2。、q、％、吒的取值为：CI。=1．44，C2．=1．92，C。=0．09，盯I=1．0，盯；=1·3·1．2边界条件(1)速度进I=1：进水口流速根据沉沙池流量以及进水i：1断面尺寸得到入II平均流速．(2)压力出口：可认为出IZl为明渠，可设为大气压．(3)壁面条件：采用无滑移条件，壁面上速度均为0，即甜=1，=0．(4)VOF法追踪自由表面．自由液面采用Hin和Nichols提出的VOF法来获取，该方法引入单流体模型来处理多相流问题，对于水、气两相流流场，该理论假设在同一单元中的水、气或者两者的混合体具有相同的速度，即服从同一组动量方程，但他们的体积函数在整个流场中都作为单独的变量．在每个单元中，水和气的体积分数之和均为I．在一个单元中，如果aw表示是的体积分数，则气体的体积分数为l-aw．aw有3种情况：a。10、O