自然科學(xué)基金作業(yè)

1、.袀膇荿螃肂莂螈螂膄芅蚄螁芆蒁薀螀羆芃蒆螀肈葿莂衿膁節(jié)蝕袈袀蕆薆袇羃芀蒂袆膅蒅蒈裊芇莈螇襖羇膁蚃襖聿莇蕿袃膂腿蒅羂袁蒞莁羈羄膈蠆羀肆莃薅罿羋膆薁羈羈蒁蕆羈肀芄螆羇膂蒀螞羆芅芃薈肅羄蒈蒄蟻肇芁莀蟻腿蒆蝿蝕罿艿蚅蠆肁薅薁蚈膃莇蕆蚇芆膀螅蚆羅莆蟻蚅肈膈薇螅膀莄蒃螄袀膇荿螃肂莂螈螂膄芅蚄螁芆蒁薀螀羆芃蒆螀肈葿莂衿膁節(jié)蝕袈袀蕆薆袇羃芀蒂袆膅蒅蒈裊芇莈螇襖羇膁蚃襖聿莇蕿袃膂腿蒅羂袁蒞莁羈羄膈蠆羀肆莃薅罿羋膆薁羈羈蒁蕆羈肀芄螆羇膂蒀螞羆芅芃薈肅羄蒈蒄蟻肇芁莀蟻腿蒆蝿蝕罿艿蚅蠆肁薅薁蚈膃莇蕆蚇芆膀螅蚆羅莆蟻蚅肈膈薇螅膀莄蒃螄袀膇荿螃肂莂螈螂膄芅蚄螁芆蒁薀螀羆芃蒆螀肈葿莂衿膁節(jié)蝕袈袀蕆薆袇羃芀蒂袆膅蒅蒈裊芇莈螇

2、襖羇膁蚃襖聿莇蕿袃膂腿蒅羂袁蒞莁羈羄膈蠆羀肆莃薅罿羋膆薁羈羈蒁蕆羈肀芄螆羇膂蒀螞羆芅芃薈肅羄蒈蒄蟻肇芁莀蟻腿蒆蝿蝕罿艿蚅蠆肁薅薁蚈膃莇蕆蚇芆膀螅蚆羅莆蟻蚅肈膈薇螅膀莄蒃螄袀膇荿螃肂莂螈螂膄芅蚄螁芆蒁薀螀羆芃蒆螀肈葿莂衿膁節(jié)蝕袈袀蕆薆袇羃芀蒂 國家自然科學(xué)基金申請書1.1 項目的立項依據(jù)水資源短缺是世界各國面臨的重大難題，而污水滴灌是緩解這一問題的有效途徑。在我國，應(yīng)用污水灌溉已有近千年的歷史，在歐洲也有將近一個世紀(jì)。這種古老方法的現(xiàn)實意義在于：可從灌溉用水中置換出等量優(yōu)質(zhì)水，如果污水灌溉的規(guī)模提高到年排放量的50%，則置換出的優(yōu)質(zhì)水量將相當(dāng)于23個南水北調(diào)工程；利用污水進(jìn)行灌溉，可充分利用土壤

3、的降解能力減小對江、河、湖泊等有限水資源的污染；對比常規(guī)水，污水中的氮、鉀等元素可明顯促進(jìn)作物生長。世界范圍內(nèi)，以色列、美國等國對污水滴灌進(jìn)行了推廣應(yīng)用。據(jù)報道，我國的污水灌溉占總灌溉面積的10%左右，主要集中在水資源嚴(yán)重缺乏的黃、淮、海和遼四大流域，大多采用原始的漫灌和澆灌方式，不符合現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向?？v觀國內(nèi)外，污水滴灌的普及程度不高，究其原因是多方面的，其中灌水器堵塞問題尤為突出。在以色列、美國等滴灌應(yīng)用早、研究深入的國家，有眾多學(xué)者就污水滴灌中的灌水器堵塞問題進(jìn)行了針對性的研究。Adin 等（1990）利用三種灌水器進(jìn)行污水滴灌試驗，提出了一種“逐步堵塞” 的假設(shè)，認(rèn)為沉積物的聚

4、集源自不規(guī)則形狀粘土的沉淀，加上后續(xù)懸浮固體物的不斷黏附，最終導(dǎo)致灌水器發(fā)生堵塞。Taylor 等（1995）對長達(dá)兩個生長季節(jié)的田間污水滴灌進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)砂粒在流道內(nèi)部的沉積和滯留是引起灌水器堵塞的主要原因，指出灌水器的流道結(jié)構(gòu)和形式成為決定其堵塞程度的最重要因素。Shatanawi 等人（1996）通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)污水中的鈣、鎂等元素容易導(dǎo)致灌水器發(fā)生嚴(yán)重堵塞，過多的微生物則加速了藻類的生長。Trooien 等人（2000）利用5種滴灌帶進(jìn)行污水滴灌試驗，結(jié)果表明小流量的滴灌帶更容易發(fā)生堵塞。Capra 等（2004）利用五種未經(jīng)深度處理的城市污水分別對四種類型灌水器進(jìn)行滴灌試驗，

5、結(jié)果發(fā)現(xiàn)懸浮固體物和有機物的含量是決定灌水器堵塞程度的最大因素。Cararo 等（2006）通過對15種灌水器的污水滴灌實驗，發(fā)現(xiàn)采用氯化法比壓縮空氣法更能有效地減輕灌水器的堵塞程度，而流道結(jié)構(gòu)也是決定堵塞的一個重要因素。污水滴灌在我國的應(yīng)用基本屬于空白，但也有少數(shù)研究報道。如甘肅工業(yè)大學(xué)的王瑛等（2002）和蘭州鐵道學(xué)院的洪雷等（2002）分別探討了利用污水滴灌城市綠化帶和林木時的處理工藝與設(shè)計方法，但均沒有涉及到具體的堵塞研究。因此，上述針對某些特定條件下的試驗研究，其成果對于解決污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指導(dǎo)意義是有限的。灌水器是否發(fā)生堵塞直接取決于堵塞介質(zhì)在流道內(nèi)的水力特性，但大多灌

6、水器流道截面微小、形狀復(fù)雜，且呈封閉結(jié)構(gòu)，采用粒子圖像測速、聲學(xué)多普勒測速以及激光多普勒測速等可視化試驗方法很難準(zhǔn)確而及時地觀測其流場形貌。于是，本世紀(jì)以來，以我國學(xué)者為主的一批學(xué)者開始嘗試應(yīng)用計算流體動力學(xué)的方法可視化灌水器的微小內(nèi)流場。王尚錦等（2000）利用流動模擬軟件 FLUENT 分析了圓弧迷宮式灌水器流道內(nèi)的流場特征，認(rèn)為灌水器的抗堵塞性能主要依賴于流場中的漩渦運動。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李永欣等（2005）和李云開（2005）分別利用 FLUENT 軟件對多種形式灌水器的迷宮流道進(jìn)行了可視化模擬研究，指出流場的微觀水力結(jié)構(gòu)有益于理解和分析灌水器的堵塞性能。西安交通大學(xué)的孟桂祥等（2004

7、）和魏正英等（2005）先后利用 FLUENT 軟件對多種類型灌水器進(jìn)行了模擬研究，認(rèn)為流場中的流動滯止區(qū)是引起灌水器堵塞的主要因素，并提出了迷宮流道的主航道抗堵設(shè)計方法。本課題組（2006；2008）分別利用 ANSYS 和 FLUENT 兩套軟件，對多種形狀的齒形迷宮流 道進(jìn)行了流動模擬，認(rèn)為流場中的水流漩渦有益于挾帶固相懸浮物，水流對流道壁面的沖刷作用將國外只有 Palau-Salvador 等（2004）在層流模型基礎(chǔ)上，利用 FLUENT 增強灌水器的抗堵塞性能。軟件模擬了內(nèi)鑲式迷宮灌水器的壓力與流量特性關(guān)系，并進(jìn)行了試驗驗證。所有這些 CFD 模擬研究均得到了灌水器內(nèi)流場的微觀水力

8、結(jié)構(gòu)，為預(yù)測灌水器的堵塞提供了可視化依據(jù)。但是，這些研究只是針對單相水流場，忽略了堵塞介質(zhì)的存在，這使得模擬結(jié)果很難準(zhǔn)確地描述灌水器的堵塞規(guī)律、堵塞所處位置以及堵塞率與滴灌工藝、堵塞介質(zhì)物理屬性以及流道結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，其預(yù)測結(jié)論存在一定誤差。為此，本課題組以污水滴灌中液固氣多相耦合流場為研究對象，采用 CFD 數(shù)值模擬和實驗室 “長周期”堵塞試驗兩種手段，研究堵塞介質(zhì)在灌水器流道內(nèi)的運移規(guī)律和沉積特性，揭示灌水器堵塞與滴灌工藝、堵塞介質(zhì)物理屬性以及流道結(jié)構(gòu)等多因素之間的定量關(guān)系。然而，與常規(guī)水滴灌相比，污水滴灌面臨的灌水器堵塞問題更為復(fù)雜、堵塞程度更為嚴(yán)重。砂粒和各種懸浮雜質(zhì)會引起灌水器發(fā)

9、生物理堵塞，二氧化碳?xì)怏w與鈣離子、鎂離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶的碳酸鈣和碳酸鎂，導(dǎo)致灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞，藻類和微生物會導(dǎo)致灌水器發(fā)生生物堵塞。總之，污水滴灌中堵塞介質(zhì) 種類繁多、成分復(fù)雜且形態(tài)各異，如何建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型來描述這些堵塞介質(zhì)在灌水器微小 流場中的復(fù)雜水力行為存在較大難度。為了實現(xiàn)這一目的，本項目擬圍繞如下關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行深 入和系統(tǒng)研究：污水滴灌灌水器微小彎曲通道內(nèi)多相流場水力特征；污水滴灌灌水器微小彎曲通道 內(nèi)多相流場計算流體動力學(xué)建模與求解；污水滴灌灌水器堵塞的定量表達(dá)及預(yù)測模型。本項目的成功實施將為有效控制污水滴灌中的灌水器堵塞問題以及研制出適合污水滴灌用的新型抗堵塞灌水

10、器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 1.2 研究內(nèi)容、研究目標(biāo)，以及擬解決的關(guān)鍵問題1.2.1 研究內(nèi)容水滴灌灌水器內(nèi)多相介質(zhì)復(fù)雜耦合流場水力特性。為了揭示污水條件下灌水器的堵塞原因，必須先弄清各類堵塞介質(zhì)在灌水器流道內(nèi)部的微觀水力特性，為此擬對如下內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)研究：灌水器微小彎曲通道中水流流態(tài)（層流還是湍流）的理論分析與計算；灌水器微小彎曲通道中固體懸浮物的存在形態(tài)與運移規(guī)律；灌水器微小彎曲通道中 氣態(tài)彌散物（如二氧化碳、甲烷等）的存在形態(tài)與分布規(guī)律；灌水器微小彎曲通道中液固氣多相介質(zhì)相間作用力分析。水滴灌灌水器內(nèi)多相介質(zhì)復(fù)雜耦合流場計算流體動力學(xué)建模與求解。 分析污水滴灌中

11、多種堵塞介質(zhì)的物理屬性，研究符合實際情況的材料模型；構(gòu)建適合污水滴灌條件下灌水器物理、化學(xué)堵塞實際情況的固-液和氣-液兩相流數(shù)學(xué)模型、適合污水滴灌條件下灌水器混合堵塞情況的液-固-氣多相流數(shù)學(xué)模型，修正系數(shù)以及邊界和初始條件；利用計算機程序完成上述模型的數(shù)值求解。于復(fù)雜耦合多因素的污水滴灌灌水器堵塞定量表達(dá)與預(yù)測模型。采用實驗室“長周期”堵塞試驗，就如下幾個方面進(jìn)行詳細(xì)研究：滴灌工作條件（主要包括工 作水頭、灌水器流量和灌溉方式等）對灌水器堵塞率的影響規(guī)律；污水中多種堵塞介質(zhì)物理屬性（主要包括成分、粒徑和濃度等）對灌水器堵塞率的影響規(guī)律；灌水器流道結(jié)構(gòu)（形狀因子、流道截面 尺寸、流道長度等）對

12、灌水器堵塞率的影響規(guī)律；構(gòu)建基于工作條件、堵塞介質(zhì)物理屬性和流道結(jié)構(gòu)等因素的灌水器堵塞率定量預(yù)測模型。1.2.2 研究目標(biāo) 揭示污水滴灌條件下灌水器微小彎曲通道內(nèi)多種形態(tài)堵塞介質(zhì)的堵塞規(guī)律及原因，為污水滴灌中的灌水器堵塞防治和適合污水條件的新型抗堵塞灌水器的研制奠定理論基礎(chǔ)；結(jié)合 CFD 多相流和實驗室“長周期”堵塞試驗兩種手段，揭示污水滴灌條件下灌水器堵塞率與工作條件、堵塞介質(zhì)物理屬性以及灌水器流道結(jié)構(gòu)之間的定量函數(shù)關(guān)系，為污水滴灌實際應(yīng)用中的灌水器堵塞定量表達(dá)及預(yù)測提供科學(xué)判據(jù)。1.2.3 擬解決的關(guān)鍵問題 建立適合污水滴灌實際情況的灌水器內(nèi)流場多相流數(shù)學(xué)模型。灌水器工作時其內(nèi)流場的邊界條

13、件，固相、氣相的形狀、化學(xué)組成和密度構(gòu)成以及相互之間的 影響規(guī)律非常復(fù)雜，很難完全準(zhǔn)確和完整地利用數(shù)學(xué)公式表達(dá)。因此，如何建立既能夠準(zhǔn)確而真實 地反映污水滴灌的實際情況，又適宜于數(shù)值求解的多相流（包括固液、氣液和液固氣三種情況）數(shù)學(xué)模型是本課題的關(guān)鍵問題之一。 實驗室污水滴灌“長周期”堵塞試驗的設(shè)計與實施。在本課題中，實驗室試驗是驗證數(shù)值模擬的唯一途徑。如何使實驗室試驗最大限度地接近污水 滴灌的實際應(yīng)用情況，這是決定試驗是否成功和準(zhǔn)確的關(guān)鍵。但是，污水中各種堵塞介質(zhì)的成分、含量的鑒定以及在試驗過程中的調(diào)控非常困難，具體的設(shè)計與實施是該課題的另一關(guān)鍵問題。1.3 擬采取的研究方案及可行性分析1.

14、3.1 研究方案實驗室試驗和數(shù)值模擬同時進(jìn)行，由多種形式的灌水器建立聯(lián)系。依據(jù)污水滴灌的實際情況，建立灌水器內(nèi)流場計算流體動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，實驗室堵塞試驗則盡可能接近實際情況并修正模擬用數(shù)學(xué)模型。最后，綜合數(shù)值模擬和實驗室試驗，確立基于多相流數(shù)值模擬的污水滴灌灌水器堵塞預(yù)測方法。1.3.2 可行性分析不同行業(yè)中，國內(nèi)外針對各種形式的固液、氣液兩相流問題都進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，出現(xiàn)了很多具有指導(dǎo)意義的研究成果，在多相流數(shù)學(xué)建模、數(shù)值模擬以及試驗研究等方面積累了豐富的經(jīng)驗。 算機技術(shù)日新月異促使了計算流體力學(xué)的突飛猛進(jìn)。計算機硬件特別是內(nèi)存與外圍設(shè)備的 快速發(fā)展極大地擴展了計算流體力學(xué)研究的深度與廣

15、度。求解計算流體力學(xué)模型的各種數(shù)值計算方法在上世紀(jì)已經(jīng)得到了較為充分的發(fā)展，推廣應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涉及宇航、水利、氣象、金屬鑄造和熔焊以及塑料和石油加工等。在某些領(lǐng)域取得了較大的成功，如宇航業(yè)中空間飛行器的設(shè)計 CAE，水利三維仿真，注塑模注射過程模擬，鑄造充型及凝固模擬等。所有這些都充分證明將計算 流體力學(xué)的數(shù)值模擬應(yīng)用到實際的科研、生產(chǎn)中是行之有效的。 外針對污水滴灌中的灌水器堵塞問題進(jìn)行了大量田間調(diào)查研究，為灌水器內(nèi)液固氣多相 流場數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。另外，近年來國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始嘗試?yán)糜嬎懔黧w動力學(xué)的 方法來可視化灌水器內(nèi)流場的復(fù)雜流動，多項研究表明該方法是行之有效的。再者，

16、已經(jīng)出現(xiàn)了針對灌水器實驗室堵塞實驗的 ISO 草案（ISO8486），為該研究設(shè)計驗證試驗創(chuàng)造了條件。綜上所述，本項目擬采取的研究方案和技術(shù)路線是切實可行的。1.4 本項目的特色與創(chuàng)新之處 立灌水器內(nèi)液固氣多相流堵塞分析理論與方法，突破現(xiàn)有研究僅采用單相流模擬的技術(shù)局限，而氣相的首次引入將為化學(xué)堵塞模擬提供可行方案。 該研究以污水中各種堵塞介質(zhì)作為研究對象，采用計算流體動力學(xué)的方法對灌水器內(nèi)液固氣多相耦合流場進(jìn)行數(shù)值模擬，突破了現(xiàn)有研究只采用單相流模擬的局限。多相流模擬得到了堵塞介質(zhì)可視化的運移軌跡和密度分布，為揭示灌水器的堵塞原因、找出灌水器堵塞率與流道結(jié)構(gòu)、堵塞源物理屬性以及灌溉條件等因素

17、之間的關(guān)系提供了直接依據(jù)。 立灌水器堵塞率定量描述及計算模型，突破現(xiàn)有研究僅采用試驗定性描述灌水器堵塞的技術(shù)局限。在多相流數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對選用多種灌水器進(jìn)行系列污水滴灌實驗室“長周期”堵塞試驗，通過對大量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，得出基于滴灌工作條件、堵塞介質(zhì)的物理屬性、流道結(jié)構(gòu)等因素的堵塞率定量計算公式。現(xiàn)有針對灌水器堵塞的研究都停留在定性分析與描述上，而本研究建立 的計算模型，在通過輸入流道結(jié)構(gòu)、堵塞源物理屬性以及灌溉條件等參數(shù)后，可直接得出定量的堵塞率結(jié)果，為應(yīng)用中灌水器的堵塞控制和新型污水灌水器的研制提供科學(xué)而實用的計算依據(jù)。 究污水滴灌實驗室“長周期”堵塞試驗方法與裝置，突破現(xiàn)有研究

18、僅限于田間調(diào)查試驗的局限，為灌水器堵塞提供一種科學(xué)而有效的快速評價手段。建立灌水器實驗室“長周期”試驗方法，并研制一套專門的試驗裝置，為灌水器堵塞的實驗室模擬試驗提供一套科學(xué)、可行的研究平臺。1.5 年度研究計劃及預(yù)期研究結(jié)果1.5.1 年度計劃2009.12009.4 收集和整理資料，完善與細(xì)化研究方案，收集待研究灌水器等。 2009.52009.8利用快速成形/快速制模技術(shù)制造變流道結(jié)構(gòu)的試驗用灌水器；待模擬灌水器流道的三維 CAD 模型的繪制；污水滴灌條件下灌水器多相流數(shù)學(xué)模型的預(yù)研究。 2009.92009.12 污水滴灌條件下灌水器多相流數(shù)學(xué)模型的建立，并進(jìn)行初步模擬研究；污水滴灌實

19、驗室“長周期”堵塞試驗平臺設(shè)計方案的制定、圖紙繪制并開始試制；堵塞試驗方案的制定，灌溉水源的準(zhǔn)備。 2010.12010.4利用建立的數(shù)學(xué)模型完成多種灌水器的多相流數(shù)值模擬研究；完成堵塞試驗平臺的制造，并開始調(diào)試。2010.52010.8 利用模擬結(jié)果分析污水滴灌條件下的灌水器堵塞原因，堵塞與各因素之間的影響關(guān)系；初步進(jìn)行實驗室“長周期”堵塞試驗。2010.92010.12建立并完善基于多相流數(shù)值模擬的滴灌灌水器堵塞預(yù)測方法；系統(tǒng)進(jìn)行所選滴灌灌水器的實驗 室“長周期”堵塞試驗。 2011.12011.4 利用試驗結(jié)果修正數(shù)學(xué)模型，重復(fù)模擬直至結(jié)果較好地吻合為止；整理試驗數(shù)據(jù)，對結(jié)果進(jìn)行 回歸計算得出各灌水器定量的堵塞率計算模型。 2011.52011.8 總結(jié)研究成果，進(jìn)一步完善污水滴灌多相耦合流場堵塞模擬和試驗方案，為項目驗收和下一步研究奠定基礎(chǔ)。2011.92011.12整理報告，準(zhǔn)備驗收。1.5.2 預(yù)期成果 構(gòu)建一套基于多相流數(shù)值模擬和實驗室“