两相流分离鳃的分离机理及应用研究

本项目研究是在近年内研究获得的《垂向异重流式混合物分离鳃》专利技术基础上提出的，拟继续通过系列模型试验，探明两相流分离鳃的分离机理以及《分离鳃》内水沙分离的水流结构；探寻水沙分离效率、泥沙沉降速度以及清水与浑水间有关水沙要素关系，对两相流分离鳃的结构进行优化研究。从理论上阐明前期研究成果的依据，进一步提高该成果的经济技术指标，促进其推广应用。.试验研究表明，用两相流分离鳃对泥沙浑水进行分离，不添加任何化学药剂，其泥沙的沉降速度是泥沙在一般沉淀池中沉降速度的1.9～3.7倍，与添加化学药剂进行水沙分离的速度相近，而用该方法得到的清水对人体健康无害，排出的泥沙也不会对周边环境造成污染，是一种绿色环保的分离装置，同时也降低了分离清水的投资成本。对该项目的研究，不仅具有重要应用价值，对发展流体力学学科和水沙两相流动力学学科，具有重要的理论意义和学术价值。

本项目通过系列模型试验和理论分析，探明了《分离鳃》的分离机理以及《分离鳃》内水沙分离的水流结构，并对其结构进行了优化；运用粒子图像测速技术测试了《分离鳃》内部流场，并利用Fluent流体软件对《分离鳃》内部的水沙两相流流场进行数值模拟，获得了《分离鳃》内部的流场分布；在以上研究成果的基础上提出了《分离鳃》应用于实际工程的集成形式，并对此形式进行了室内模型集成试验与室外大比尺试验。. 通过物理试验与数值模拟，得到以下成果：（1）在相同条件下，《分离鳃》中泥沙沉速的最大值是普通管（无鳃片）中的4倍左右；（2）《分离鳃》内存在顺时针方向的横向异重流与垂向异重流现象；（3）《分离鳃》鳃片最佳倾斜角为：β=45°，α=60°。考虑到既保证水沙分离效果又不至于制作成本较高，同时也便与制作，建议《分离鳃》应采用单排鳃片式，鳃片间距d=10cm。（4）《分离鳃》适用于粘性泥沙的水沙分离，当含沙量为10~80 kg/m³时，水沙分离效果要更好；（5）鳃片上表面泥沙流下滑的速度大于鳃片下表面清水流上升的速度，泥沙通道的速度大于清水通道的速度；（6）数值模拟的流场与物理模型试验观察到的现象一致，说明混合（Mixture）模型可以模拟《分离鳃》内部的水沙两相流；（7）《分离鳃》用于实际工程时，可将《分离鳃》悬挂于沉淀池中，本文称为“悬挂式”。该形式既可用于新建沉淀池，也可用于老沉淀池的改造；（8）无论是静水还是动水沉降，在相同条件下封闭式分离鳃沉淀池的水沙分离效果优于敞开式分离鳃沉淀池，故实际应用时应采用封闭式分离鳃沉淀池。