（机械设计及理论专业论文）新型连续式砂滤器的设计与研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 0 5 1 8学科分类号 46 0 2 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 2 0 7 l3 密级公开 学位授予单位代码 10 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李敏贤 学号 2 0 0 9 0 0 0 7 13 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源自选项目研究方向过滤分离设备及控制 论文题目新型连续式砂滤器的设计与研究 连续式砂滤器，波纹提砂管，螺旋洗砂器，数值模拟， 关键词 洗砂器性能实验 论文答辩日期 2 0 l2 0 5 2 9+ 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位学科专长 指导教师戴凌汉副教授 北京化工大学化工机械 评阅人1钱才富 教授 北京化工大学化工机械 评阅人2范德顺教授北京化工大学化工机械 答辩委员会主席钱才富教授北京化工大学化工机械 全国锅炉压力容器标 答辩委员1陈朝晖高工 化工机械 准化技术委员会 答辩委员2蔡纪宁高工北京化工大学 化工机械 答辩委员3张秋翔高工北京化工大学 化工机械 答辩委员4范德顺教授北京化工大学 化工机械 答辩委员5 段成红 副教授 北京化工大学化工机械 答辩委员6 陈平副教授北京化工大学 化工机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t 13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码) ) 中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 新型连续式砂滤器的设计与研究 摘要 人类的生存离不开水。对污水的处理和再利用，不仅能减小污水对环 境所造成的危害，同时也是解决水资源短缺的重要途径。连续式砂滤器是 在水处理方面应用广泛的设备之一，在过滤领域有着重要的地位。 本文研究了砂滤器发展的状况和趋势，阐述了连续式砂滤器的工作原 理、特点和结构形式，针对目前砂滤器存在的问题，改进了连续式砂滤器 的提砂系统和洗砂系统，设计了新型波纹提砂管和螺旋洗砂器。利用c f d 软件f l u e n t 对新型波纹提砂管和螺旋洗砂器的功能进行了数值模拟， 并在参数分析的基础上对结构进行了优化。通过对新型波纹提砂管与传统 提砂管的对比，发现新型波纹提砂管在保证提砂量的情况下，极大的增强 了提砂管内的湍流状况，提高了提砂系统初次洗砂的效果；通过列新型螺 旋洗砂器和传统洗砂器的对比，发现新型螺旋洗砂器洗砂路径长，悬浮物 等杂质与滤料分离效果好，其在多方面性能上均优于传统洗砂器。此外， 本文还对螺旋洗砂器的性能进行了实验测试，验汪了数值模拟结果。最后， 在充分研究的基础上，完成了n c s f 新型连续式砂滤器整体设计，并给出 了n c s f 连续式外循环砂滤器尺寸系列。 关键词：连续式砂滤器，波纹提砂管，螺旋洗砂器，数值模拟，洗砂器性 能实验 北i 化上人7 ：颁上沦文 a b s t r a c t d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h en e w c o n t i n u o u s s a n df i l t e r a b s t r a c t h u m a nc a nn o ts u r v i v ew i t h o u tw a t e r b yr e u s i n gt h et r e a t e ds e w a g ea n d e f f l u e n t ，t h e i rh a r m f u le f f e c t so nt h ee n v i r o n m e n tc a nb ea v o i d e da n d m e a n w h i l et h e s h o r t a g e o fw a t e rr e s o u r c ec a nb es o l v e di ns o m ee x t e n t c o n t i n u o u ss a n df i l t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i l t r a t i o na r e aa n dw i d e l y u s e di nw a t e rt r e a t m e n tf i e l d s i nt h i st h e s i s ，t h ep r e s e n ts t a t ea n df u t u r et r e n do ft h es a n df i l t e rw e r e a n a l y z e da n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n d s t r u c t u r e so ft h e c o n t i n u o u ss a n df i l t e r sw e r ei n t r o d u c e d t os o l v es o m ep r o b l e m se x i s t e di nt h e p r e s e n ts a n df i l t e r s ，t r a d i t i o n a ls a n dl i f t i n gs y s t e ma n ds a n dw a s h i n gs y s t e m w e r ei m p r o v e db ya d o p t i n gn e ws t r u c t u r e sn a m e l yc o r r u g a t e d s a n d l i f t i n g p i p ea n ds p i r a ls a n dw a s h e r c f ds o f t w a r ef l u e n tw a su s e dt os i m u l a t et h e f u n c t i o n so ft h ec o r r u g a t e ds a n d l i f t i n gp i p ea n dt h es p i r a ls a n dw a s h e r b y p e r f o r m i n gp a r a m e t r i ca n a l y s i s ，t h e i rs t r u c t u r e sw e r eo p t i m i z e d c o m p a r i n g t h ec o r r u g a t e ds a n d - l i f t i n gp i p ew i t ht h et r a d i t i o n a ls a n d - - l i f t i n gp i p ei n d i c a t e s t h a ti ft h ea m o u n to fs a n d l i f t i n gi st h es a m e ，t h et u r b u l e n c eo ff l u i da n dt h e s a n dw a s h i n ge f f e c tw e r eg r e a t l ye n h a n c e di nt h ec o r r u g a t e ds a n d l i f t i n gp i p e s i m i l a r l y ，c o m p a r i n gt h es p i r a ls a n dw a s h e rw i t ht h et r a d i t i o n a ls a n dw a s h e r ，i t 北_ i 化上人学颂- l 沦文 i sf o u n dt h a tt h es a n dw a s h i n gp a t ho ft h es p i r a ls a n dw a s h e ri sl o n g e ra n dt h e s e p a r a t i o no ft h es l u d g ea n ds a n di sb e t t e r ，o ri no t h e rw o r d s ，t h es p i r a ls a n d w a s h e ri ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a ls a n dw a s h e ri nm a n yr e s p e c t s i na d d i t i o n ， o nt h eb a s i so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t sf o rt h ep e r f o r m a n c eo f t h es p i r a ls a n dw a s h e rw e r ea l s oc o n d u c t e d f i n a l l yi nt h i st h e s i s ，t h ee n t i r e n c s fc o n t i n u o u ss a n df i l t e ri sd e s i g n e da n dt h es i z eo ft h es e r i e so fn c s f c o n t i n u o u so u t e rl o o ps a n df i l t e r sw a sg i v e n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u ss a n d f i l t e r , c o r r u g a t e ds a n d l i f t i n gp i p e ，s p i r a l s a n dw a s h e r ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p e r f o r m a n c et e s to ft h e s a n dw a s h e r i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 过滤器的发展历史、现状和趋势2 1 2 1 过滤技术及设备的发展历史，2 1 2 2 连续式砂滤器技术发展的现状及其特点2 1 2 。3 砂滤器的发展趋势3 1 3 本论文的主要内容4 1 4 本论文研究的目的和意义4 第二章连续式砂滤器的基本结构及结构改进7 2 1 过滤原理7 2 1 1 快速过滤的机理7 2 ，1 2 过滤相关参数8 2 2 几种常见砂滤器的结构形式8 2 2 1 反冲洗式砂滤器8 2 。2 2 虹吸式砂滤器。1 0 2 2 3 曝气式砂滤器1 1 2 2 4 螺旋提砂砂滤器1i 2 2 5 离心式砂滤器1 2 2 3 连续式砂滤器的结构及工作原理1 2 2 3 1 目前砂滤器存在的问题，1 2 2 3 2 连续式砂滤器的结构1 4 2 3 3 连续式砂滤器的工作原理。1 4 2 4 连续式砂滤器的提砂系统的改进1 5 2 4 1 提砂的原理1 5 2 4 2 提砂管的结构改进1 7 2 5 连续式砂滤器的洗砂系统的改进1 8 2 5 1 洗砂原理1 8 2 5 2 新型洗砂器的结构设计。1 9 2 6 本章小节，2 0 v 北京化工大学硕士论文 第三章新型波纹提砂管的c f d 数值模拟2 1 3 1 计算流体力学简介2 1 3 2 提砂系统数值模拟的数学方程与物理模型2 1 3 2 1 湍流模型2 1 3 2 2v o f 模型2 2 3 3 提砂系统数值模拟的参数计算2 2 3 4 提砂系统几何模型的建立及边界条件设置2 3 3 5 数值模拟结果及其分析2 3 3 5 1 提砂系统启动阶段提砂管流动状况模拟2 3 3 5 2 波纹提砂管结构参数分析2 6 3 5 3 新型波纹提砂管与传统光滑直提砂管的对比3 1 3 6 本章小节3 1 第四章新型螺旋洗砂器的c f d 数值模拟3 3 4 1 数学方程与物理模型3 3 4 1 1 湍流模型3 3 4 1 2 离散颗粒模型3 4 4 2 数值模拟参数的计算3 4 4 3 几何模型的建立及边界条件设置3 5 4 4 数值模拟结果及其分析3 6 4 4 1 颗粒追踪3 6 4 4 2 新型螺旋洗砂器螺旋倾角的分析4 1 4 4 3 新型螺旋洗砂器螺旋个数分析4 9 4 4 4 新型螺旋洗砂器内外螺旋间距的选择5 0 4 4 5 新型螺旋洗砂器螺距的分析5 2 4 4 6 液位差与洗砂水量的关系研究5 4 4 4 7 新型螺旋洗砂器与传统洗砂器的对比5 6 4 5 本章小节5 8 第五章螺旋洗砂器模拟实验6 1 5 1 洗砂器性能实验装置设计6 1 5 1 1 洗砂器实验系统组成6 1 5 1 2 洗砂器性能测试实验思路6 3 v l 录 5 1 3 洗砂器实验装置系统设计 5 2 洗砂系统性能实验过程 5 2 1 实验前的准备， 5 2 2 实验步骤 5 2 3 新型螺旋洗砂器和传统洗砂器实验结果对比 5 3 洗砂器实验结论 5 4 本章小节 第六章新型连续式砂滤器总体结构设计7 3 6 1 砂滤器总体设计理论7 3 6 1 1 过滤理论和渗流物理7 3 6 1 2 连续过滤器过滤的数学模型7 4 6 2 新型外循环连续式砂滤器的总体设计，7 5 6 3 本章小节7 7 第七章结论及展望7 9 7 1 卜要结论7 9 7 2 课题展望h ( ) 参考文献8 1 致谢蹦 研究成果及发表的学术论文8 5 作者和导师简介8 7 v 1 1 邮盯盯盯【蓦他讫 北_ i 化工人学硕上沦文 v i i i 童l c o n t e n t s c h a p t e r 1o v e r v i e w 1 1 1 b a c k g r o u n do f t h i st o p i c 1 1 f i l t e rh i s t o r y , c u r r e n ts t a t u sa n d t r e n d s 2 1 2 1t h e h i s t o r yo f t h ed e v e l o p m e n to f f i l t e r i n gt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t 2 1 2 2c o n t i n u o u ss a n df i l t e rt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c s 2 1 2 3d e v e l o p m e n tt r e n do ft h es a n df i l t e r 3 1 3s u b j e c tm a i n c o n t e n t 4 1 - t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 4 c h a p t e r2b a s i cs t r u c t u r ea n di t si m p r o v e m e n to fe o n t i n u o u ss a n dt i l t e r 7 2 1f i l t r a t i o np r i n c i p l e 7 2 1 1t h eq u i c k f i l t e r i n gm e c h a n i s m 7 2 1 2f i l t r a t i o np a r a m e t e r s 8 2 2s e v e r a lc o m m o ns a n df i l t e rs t r u c t u r e 。8 2 2 1a n t i - f l u s h i n gs a n df i l t e r 8 2 2 ，2s i p h o ns a n df i l t e r 1 0 2 2 3a e r a t e ds a n df i l t e r il 2 2 s p i r a ll i f t i n gs a n df i l t e r 11 2 2 5c e n t r i f u g a ls a n df i l t e r ，1 2 2 3c o n t i n u o u ss a n df i l t e rs t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e 12 2 3 。lt h e p r o b l e m so f s a n df i l t e r 1 2 2 3 2c o n t i n u o u ss a n df i l t e rs t r u c t u r e 1 4 2 3 3w o r k i n g p r i n c i p l eo f c o n t i n u o u ss a n df i l t e r 1 4 2 一s a n dl i f t i n gs y s t e mi m p r o v e m e n t so fc o n t i n u o u ss a n df i l t e r 一15 2 4 1t h e p r i n c i p l eo f s a n dl i f t 15 2 4 2s t r u c t u r ei m p r o v e m e n to f s a n dl i f t i n gp i p e 1 7 2 5s a n dw a s h i n g s y s t e mi m p r o v e m e n t so f c o n t i n u o u ss a n df i l t e r 18 2 5 1t h ep r i n c i p l eo fs a n dw a s h i n g 18 2 5 2t h e d e s i g no f s a n dw a s h e rw i t hn e w s t r u c t u r e 1 9 2 6s u m m a r y ，0 i x 北京化工大学硕士论文 c h a p t e r3c f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h en e wc o r r u g a t e ds a n d - l i f t i n g p i p e 21 3 1c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 2 1 3 2m a t h e m a t i c a le q u a t i o n sa n dp h y s i c a lm o d e l so f s a n d l i f t i n gs y s t e m 。2 1 3 2 1t u r b u l e n c em o d e l 2 1 3 2 2t h ev o fm o d e l 2 2 3 3c a l c u l a t i o no f p a r a m e t e r so f t h es a n d - l i f t i n gs y s t e m 2 2 3 4g e o m e t r i cm o d e l i n ga n db o u d a r yc o n d i t i o n ss e t t i n go fs a n d l i f t i n gs y s t e m 23 3 5n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 2 3 3 5 1s i m u l a t i o no ff l o ws i t u a t i o no ft h es a n d - l i f t i n gs y s t e mi nt h es t a r t u ps t a g e 2 3 3 5 2s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n a l y s i so f c o r r u g a t e ds a n d l i f t i n gp i p e 2 6 3 5 3c o m p a r i s o no f t h en e w c o r r u g a t e ds a n d l i f t i n gp i p ea n dt h et r a d i t i o n a lp i p e 31 3 6s u m m a r y ，31 c h a p t e r4c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h en e ws p i r a ls a n dw a s h e r 3 3 4 1t h em a t h e m a t i c a le q u a t i o n sa n dp h y s i c a lm o d e l s 3 3 4 ，1 1t u r b u l e n c em o d e l 3 3 4 1 2t h ed i s c r e t ep a r t i c l em o d e l 3 4 4 2p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no f n u m e r i c a is i m u l a t i o n 3 4 4 3g e o m e t r i cm o d e l i n ga n db o u d a r yc o n d i t i o n ss e t t i n g 3 5 4 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n d a n a l y s i s 3 6 4 4 1t h ep a r t i c l et r a c k i n g ，3 6 4 4 2a n a l y s i so ft h es p i r a ls a n dw a s h e ra n g l e 41 4 4 3s p i r a ln u m b e r ，4 9 4 4 4d i s t a n c eb e t w e e nt h ei n s i d ea n do u t s i d es p i r a l so f t h es a n dw a s h e r 5 0 z 1 4 5a n a l y s i so f p i t c h 5 2 4 4 6t h er e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s h i po fd i f f e r e n c eo fl i q u i dl e v e la n ds a n dw a s h i n gw a t e r 5 i 4 ，4 7c o m p a r i s o no ft h en e w s p i r a ls a n dw a s h e ra n dt h et r a d i t i o n a ls a n dw a s h e r 5 6 4 5s u m m a r y 5 ； c h a p t e r 5t h ee x p e r i m e n t a lt e s to fn e ws a n dw a s h e r 6 1 5 1d e s i g n e do fp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t a ld e v i c e so ft h es a n dw a s h e r 61 x | | 录 5 1 1 c o m p o n e n t so f s a n dw a s h e re x p e r i m e n t a ls y s t e m 6 1 5 1 2i d e a so f t h es a n dw a s h e rp e r f o r m a n c et e s t 6 3 5 1 3d e s i g no f s a n dw a s h e re x p e r i m e n t a ld e v i c es y s t e m 6 3 5 2s a n dw a s h e rs y s t e mp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s 6 7 5 2 1p r e p a r a t i o nb e f o r et h ee x p e r i m e n t 6 7 5 2 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 6 7 5 2 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h ec o m p a r i s o no f t h en e ws a n dw a s h e ra n dt r a d i t i o n a ls a n d w a s h e r 6 9 5 3s a n dw a s h e re x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n s 7 2 5 4s u m m a r y 7 2 c h a p t e r6d e s i g no ft h e o v e r a l lc o n t i n u o u ss a n df i l t e rw i t ht h en e w s t r u c t u r e 7 3 6 1t h e o r yo fs a n df i l t e ro v e r a l ld e s i g n 6 1 1t h ef i l t r a t i o nt h e o r ya n do f s e e p a g ep h y s i c a l 6 1 2t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t i n u o u sf i l t r a t i o n 6 2t h eo v e r a l ld e s i g no fe x t e r n a lc i r c u l a t i n gs a n df i l t e rw i t hn e ws t r u c t u r e 6 3 s u m m a r y 7 3 7 3 7 4 7 5 7 7 c h a p t e r7c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 7 9 7 1t h em a i nc o n c l u s i o n s 7 9 7 2s u g g e s t i o n s 8 0 r e f e f e n c e s 81 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 3 p a p e r sp u b l i s h e d 8 5 b i o g r a p h i e so ft h ea u t h o ra n ds u p e r v i s o r 8 7 x i x i i 符号说明 滤层孔隙率 孔隙直j 仝，m 比表面积，m 2 m 。 渗透率，m 2 水的密度，k g m 。 砂滤器简体直径，m 砂循环速率，m m m l n 压缩空气流量，m 3 , s 一 水的流量，m 3 s | 压缩空气速度，m s _ 水的速度，m s 一 滤料体积流量，m 3 s 一 滤料质量流量，k g s 。l 滤料密度，k g m 。 绕流阻力，n 绕流阻力系数 浮力，n 重力加速度，m s 屯 加速度，m s 之 滤料质量，k g 砂滤器入口流量，m 3 s 一 洗砂水流量，m 3 s i 湍动能，1 - 1 3 , 21 s 一2 湍动能耗散率，m 2 s 。 液体粘度，p a s 平均比阻，i l l k g 1 过滤介质的阻力，m 。1 存介质与滤饼界面上的表观速度，m s 柯则尼一卡门常数 水头损失，m 水柱 运动粘度，m 2 s 一 砂层缝隙宜径，m s 6 k p d毗卧叽u啦胁bb g a u k p 仅艮k h 丫邯 滤料形状系数 原水中污染物浓度，g m 。 x i v 1 1 研究背景 第一章绪论 水是生命之源，是人类文明的摇篮，是人类生存和发展必1 i 可少的物质基础，是 地球上0 i 可替代的自然资源，也是一个国家综合实力的有机组成部分。而当今世界， 水资源匮乏u 益凸显，水污染现象l 益严重，水资源缺乏将成为世界最严重的资源问 题，供水l i 足将成为继石油危机之后的下一个深刻的社会危机，所以水资源保护和污 水处理已经成为一个全球性亟待解决的问题。 我国水资源人均占有量少，空间分布f i 均匀。随着我国人口的增长，城市化、1 二 、l k 化的加快，对水资源的需求量越来越大。改革开放以来，污水处理行业成为新兴产 业，存国民经济中起着重要的作用。近年来，我国污水处理行业发展迅速，正处于快 速成长期，主要表现存污水处理率稳步提高、污水处理能力迅速扩张、污水处理量快 速增长等方面。2 0 1 0 年我国城市污水处理厂u 处理能力达1 0 2 6 2 万立方米，比2 0 0 9 年末增长了l3 4 ，城市污水处理率达到了7 6 9 。截全2 0 l1 年9 月底，我国共建成 投运城镇污水处理厂3 0 7 7 座，处理能力已达到1 3 6 亿立方米ii 。尽管如此，我国 污水处理行业与其他发达国家相比，仍存有很大差距，污水处理发施1 i 完备，污水处 理率偏低等都是目前我国所面临的问题。其中，就污水处理率一项而言，欧美发达国 家的污水处理率都存8 0 以上，美国、荷兰等国家的污水处理率近些年已经超过了 9 0 。 随着水资源匮乏，水污染现象l 益严重，生活污水和工业废水的综合治理已经成 为当务之急。人们急需各种技术来解决污水和废水处理这个全球性的问题，提高水的 利用率，增加水的循环使用率，降低污水和废水对环境的影响和破坏。目前，我国对 污水处理行业的重视程度u 益提高，国家正加快污水处理基础设施的建设步伐，增加 污水处理方面的资金投入，0 i 断完善相关的优惠政策，加大对上游污水排放的监管力 度，增强国民的环 呆意识，提倡全民节能环保。所以，我国污水处理j 7 , l k 前景广阔， 市场潜力1 i 断增加【2j 。 u 常生活所产生的污水和工业生