【摘 要】
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含污染物的流体在环境流体中的流动均可视为重力流,研究重力流在带坡折渠道中的流动对于精准治污有着重要的意义。本课题在3°、6°、12°坡折渠道中,进行了入流量分别为4、6、8 L/s的明渠流及等过量密度比为0.01的保守及非保守重力流实验,并辅之以数值模拟的对比研究,得出以下主要结论:(1)在低中高坡度分别对过量密度比0.01,入流量4 L/s浊流进行三种不同密度网格敏感性测试,得出280×40密度
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含污染物的流体在环境流体中的流动均可视为重力流,研究重力流在带坡折渠道中的流动对于精准治污有着重要的意义。本课题在3°、6°、12°坡折渠道中,进行了入流量分别为4、6、8 L/s的明渠流及等过量密度比为0.01的保守及非保守重力流实验,并辅之以数值模拟的对比研究,得出以下主要结论:(1)在低中高坡度分别对过量密度比0.01,入流量4 L/s浊流进行三种不同密度网格敏感性测试,得出280×40密度网格在可节省计算空间的情况下足以达到可靠的模拟结果。(2)单坡度3°入流单宽流量为0.008 m~2/s,明渠流实验在斜坡上为急流均匀流,流动快且厚度薄;水下重力流因在斜坡上对环境流体较强的卷吸作用,在底部壁面边界层流动之上形成的自由剪切层厚度约为边界层的三倍,若将重力流视为污染水体,水下污染水体将以比明渠流低得多的流速向下游移动,底部边界层内保持较高的污染物浓度。(3)不同流量对明渠流不论在低坡度还是高坡度下,流经坡折发生水跃的位置均随流量增大向前进方向不断推移,表现在低坡度下低流量(4 L/s)、中等流量(6 L/s)、高流量(8 L/s)发生水跃位置由5 m推移至5.6 m再到6 m,水位上升至下游均匀流0.0363 m、0.0467 m、0.0573m;在高坡度下低、中、高流量中发生水跃位置由5.8 m推移至6.3 m再到6.6 m,水位上升至下游均匀流0.0386 m、0.0483 m、0.0532 m。(4)不同流量对坡上重力流的影响不论是在低坡度还是高坡度均体现尽管其弗雷德数大于1,但并不完全呈明渠流急流特性,其断面比能在坡上急流均匀流段随着流动厚度的增加而增加。(5)固定初始入流体积为4 L/s,不同坡度下明渠流均在坡折下方极窄,小于0.1 m的范围内发生剧烈翻滚水跃,若其携带污染物,可通过水跃实现充分混合,在下游均匀流段均匀分布;而保守及非保守重力流在坡折处较长一段>1 m范围内表现流动厚度渐渐增加,底部边界层和明渠流类似,保持较高和相对均匀的浓度,但上部自由剪切层依然维持明显的密度分层,无水跃的充分混合表现。(6)不同坡度下重力流数值模拟断面比能在坡上与流动厚度呈正比,也并不完全同明渠流一样呈急流特性,此阶段Fr>1。本研究不同流量下所有重力流断面比能曲线图中均表现此规律。(7)不同坡度,单流量等过量密度比0.01下非保守较保守重力流均因携颗粒物在渠道中沉积致其流动距离短,头部和密度差异小;浊流较盐水流沿程受卷吸和沉积作用明显致相同断面下浓度值偏低,且坡度越高,在坡上、坡下最大速度对应的底部边界层浓度受环境流体夹带混合和强水跃稀释作用越明显致其浓度降得越多。研究表明重力流在坡折处的水跃比明渠流的弱很多,且不影响重力流的密度分层,不可以以弗雷德数为1作为重力流的临界值来判断其是否为急流,从科学精准治污的角度来看:对含污染物的水下重力流的治理可重点集中于其底部边界层流部分。
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