自然科学基金作业.doc

国家自然科学基金申请书1.1 项目的立项依据水资源短缺是世界各国面临的重大难题，而污水滴灌是缓解这一问题的有效途径。在我国，应用污水灌溉已有近千年的历史，在欧洲也有将近一个世纪。这种古老方法的现实意义在于：可从灌溉用水中置换出等量优质水，如果污水灌溉的规模提高到年排放量的50%，则置换出的优质水量将相当于23个南水北调工程；利用污水进行灌溉，可充分利用土壤的降解能力减小对江、河、湖泊等有限水资源的污染；对比常规水，污水中的氮、钾等元素可明显促进作物生长。世界范围内，以色列、美国等国对污水滴灌进行了推广应用。据报道，我国的污水灌溉占总灌溉面积的10%左右，主要集中在水资源严重缺乏的黄、淮、海和辽四大流域，大多采用原始的漫灌和浇灌方式，不符合现代节水农业的发展方向。纵观国内外，污水滴灌的普及程度不高，究其原因是多方面的，其中灌水器堵塞问题尤为突出。在以色列、美国等滴灌应用早、研究深入的国家，有众多学者就污水滴灌中的灌水器堵塞问题进行了针对性的研究。Adin 等（1990）利用三种灌水器进行污水滴灌试验，提出了一种“逐步堵塞” 的假设，认为沉积物的聚集源自不规则形状粘土的沉淀，加上后续悬浮固体物的不断黏附，最终导致灌水器发生堵塞。Taylor 等（1995）对长达两个生长季节的田间污水滴灌进行了系统研究，发现砂粒在流道内部的沉积和滞留是引起灌水器堵塞的主要原因，指出灌水器的流道结构和形式成为决定其堵塞程度的最重要因素。Shatanawi 等人（1996）通过试验研究，发现污水中的钙、镁等元素容易导致灌水器发生严重堵塞，过多的微生物则加速了藻类的生长。Trooien 等人（2000）利用5种滴灌带进行污水滴灌试验，结果表明小流量的滴灌带更容易发生堵塞。Capra 等（2004）利用五种未经深度处理的城市污水分别对四种类型灌水器进行滴灌试验，结果发现悬浮固体物和有机物的含量是决定灌水器堵塞程度的最大因素。Cararo 等（2006）通过对15种灌水器的污水滴灌实验，发现采用氯化法比压缩空气法更能有效地减轻灌水器的堵塞程度，而流道结构也是决定堵塞的一个重要因素。污水滴灌在我国的应用基本属于空白，但也有少数研究报道。如甘肃工业大学的王瑛等（2002）和兰州铁道学院的洪雷等（2002）分别探讨了利用污水滴灌城市绿化带和林木时的处理工艺与设计方法，但均没有涉及到具体的堵塞研究。因此，上述针对某些特定条件下的试验研究，其成果对于解决污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指导意义是有限的。灌水器是否发生堵塞直接取决于堵塞介质在流道内的水力特性，但大多灌水器流道截面微小、形状复杂，且呈封闭结构，采用粒子图像测速、声学多普勒测速以及激光多普勒测速等可视化试验方法很难准确而及时地观测其流场形貌。于是，本世纪以来，以我国学者为主的一批学者开始尝试应用计算流体动力学的方法可视化灌水器的微小内流场。王尚锦等（2000）利用流动模拟软件 FLUENT 分析了圆弧迷宫式灌水器流道内的流场特征，认为灌水器的抗堵塞性能主要依赖于流场中的漩涡运动。中国农业大学的李永欣等（2005）和李云开（2005）分别利用 FLUENT 软件对多种形式灌水器的迷宫流道进行了可视化模拟研究，指出流场的微观水力结构有益于理解和分析灌水器的堵塞性能。西安交通大学的孟桂祥等（2004）和魏正英等（2005）先后利用 FLUENT 软件对多种类型灌水器进行了模拟研究，认为流场中的流动滞止区是引起灌水器堵塞的主要因素，并提出了迷宫流道的主航道抗堵设计方法。本课题组（2006；2008）分别利用 ANSYS 和 FLUENT 两套软件，对多种形状的齿形迷宫流 道进行了流动模拟，认为流场中的水流漩涡有益于挟带固相悬浮物，水流对流道壁面的冲刷作用将国外只有 Palau-Salvador 等（2004）在层流模型基础上，利用 FLUENT 增强灌水器的抗堵塞性能。软件模拟了内镶式迷宫灌水器的压力与流量特性关系，并进行了试验验证。所有这些 CFD 模拟研究均得到了灌水器内流场的微观水力结构，为预测灌水器的堵塞提供了可视化依据。但是，这些研究只是针对单相水流场，忽略了堵塞介质的存在，这使得模拟结果很难准确地描述灌水器的堵塞规律、堵塞所处位置以及堵塞率与滴灌工艺、堵塞介质物理属性以及流道结构之间的定量关系，其预测结论存在一定误差。为此，本课题组以污水滴灌中液固气多相耦合流场为研究对象，采用 CFD 数值模拟和实验室 “长周期”堵塞试验两种手段，研究堵塞介质在灌水器流道内的运移规律和沉积特性，揭示灌水器堵塞与滴灌工艺、堵塞介质物理属性以及流道结构等多因素之间的定量关系。然而，与常规水滴灌相比，污水滴灌面临的灌水器堵塞问题更为复杂、堵塞程度更为严重。砂粒和各种悬浮杂质会引起灌水器发生物理堵塞，二氧化碳气体与钙离子、镁离子发生化学反应生成难溶的碳酸钙和碳酸镁，导致灌水器发生化学堵塞，藻类和微生物会导致灌水器发生生物堵塞。总之，污水滴灌中堵塞介质 种类繁多、成分复杂且形态各异，如何建立科学合理的数学模型来描述这些堵塞介质在灌水器微小 流场中的复杂水力行为存在较大难度。为了实现这一目的，本项目拟围绕如下关键科学问题进行深 入和系统研究：污水滴灌灌水器微小弯曲通道内多相流场水力特征；污水滴灌灌水器微小弯曲通道 内多相流场计算流体动力学建模与求解；污水滴灌灌水器堵塞的定量表达及预测模型。本项目的成功实施将为有效控制污水滴灌中的灌水器堵塞问题以及研制出适合污水滴灌用的新型抗堵塞灌水器奠定技术基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。 1.2 研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题1.2.1 研究内容水滴灌灌水器内多相介质复杂耦合流场水力特性。为了揭示污水条件下灌水器的堵塞原因，必须先弄清各类堵塞介质在灌水器流道内部的微观水力特性，为此拟对如下内容进行详细研究：灌水器微小弯曲通道中水流流态（层流还是湍流）的理论分析与计算；灌水器微小弯曲通道中固体悬浮物的存在形态与运移规律；灌水器微小弯曲通道中 气态弥散物（如二氧化碳、甲烷等）的存在形态与分布规律；灌水器微小弯曲通道中液固气多相介质相间作用力分析。水滴灌灌水器内多相介质复杂耦合流场计算流体动力学建模与求解。 分析污水滴灌中多种堵塞介质的物理属性，研究符合实际情况的材料模型；构建适合污水滴灌条件下灌水器物理、化学堵塞实际情况的固-液和气-液两相流数学模型、适合污水滴灌条件下灌水器混合堵塞情况的液-固-气多相流数学模型，修正系数以及边界和初始条件；利用计算机程序完成上述模型的数值求解。于复杂耦合多因素的污水滴灌灌水器堵塞定量表达与预测模型。采用实验室“长周期”堵塞试验，就如下几个方面进行详细研究：滴灌工作条件（主要包括工 作水头、灌水器流量和灌溉方式等）对灌水器堵塞率的影响规律；污水中多种堵塞介质物理属性（主要包括成分、粒径和浓度等）对灌水器堵塞率的影响规律；灌水器流道结构（形状因子、流道截面 尺寸、流道长度等）对灌水器堵塞率的影响规律；构建基于工作条件、堵塞介质物理属性和流道结构等因素的灌水器堵塞率定量预测模型。1.2.2 研究目标 揭示污水滴灌条件下灌水器微小弯曲通道内多种形态堵塞介质的堵塞规律及原因，为污水滴灌中的灌水器堵塞防治和适合污水条件的新型抗堵塞灌水器的研制奠定理论基础；结合 CFD 多相流和实验室“长周期”堵塞试验两种手段，揭示污水滴灌条件下灌水器堵塞率与工作条件、堵塞介质物理属性以及灌水器流道结构之间的定量函数关系，为污水滴灌实际应用中的灌水器堵塞定量表达及预测提供科学判据。1.2.3 拟解决的关键问题 建立适合污水滴灌实际情况的灌水器内流场多相流数学模型。灌水器工作时其内流场的边界条件，固相、气相的形状、化学组成和密度构成以及相互之间的 影响规律非常复杂，很难完全准确和完整地利用数学公式表达。因此，如何建立既能够准确而真实 地反映污水滴灌的实际情况，又适宜于数值求解的多相流（包括固液、气液和液固气三种情况）数学模型是本课题的关键问题之一。 实验室污水滴灌“长周期”堵塞试验的设计与实施。在本课题中，实验室试验是验证数值模拟的唯一途径。如何使实验室试验最大限度地接近污水 滴灌的实际应用情况，这是决定试验是否成功和准确的关键。但是，污水中各种堵塞介质的成分、含量的鉴定以及在试验过程中的调控非常困难，具体的设计与实施是该课题的另一关键问题。1.3 拟采取的研究方案及可行性分析1.3.1 研究方案实验室试验和数值模拟同时进行，由多种形式的灌水器建立联系。依据污水滴灌的实际情况，建立灌水器内流场计算流体动力学数学模型，实验室堵塞试验则尽可能接近实际情况并修正模拟用数学模型。最后，综合数值模拟和实验室试验，确立基于多相流数值模拟的污水滴灌灌水器堵塞预测方法。1.3.2 可行性分析不同行业中，国内外针对各种形式的固液、气液两相流问题都进行了大量的科学研究，出现了很多具有指导意义的研究成果，在多相流数学建模、数值模拟以及试验研究等方面积累了丰富的经验。 算机技术日新月异促使了计算流体力学的突飞猛进。计算机硬件特别是内存与外围设备的 快速发展极大地扩展了计算流体力学研究的深度与广度。求解计算流体力学模型的各种数值计算方法在上世纪已经得到了较为充分的发展，推广应用领域非常广泛，涉及宇航、水利、气象、金属铸造和熔焊以及塑料和石油加工等。在某些领域取得了较大的成功，如宇航业中空间飞行器的设计 CAE，水利三维仿真，注塑模注射过程模拟，铸造充型及凝固模拟等。所有这些都充分证明将计算 流体力学的数值模拟应用到实际的科研、生产中是行之有效的。 外针对污水滴灌中的灌水器堵塞问题进行了大量田间调查研究，为灌水器内液固气多相 流场数值模拟研究奠定了基础。另外，近年来国内外一些学者已经开始尝试利用计算流体动力学的 方法来可视化灌水器内流场的复杂流动，多项研究表明该方法是行之有效的。再者，已经出现了针对灌水器实验室堵塞实验的 ISO 草案（ISO8486），为该研究设计验证试验创造了条件。综上所述，本项目拟采取的研究方案和技术路线是切实可行的。1.4 本项目的特色与创新之处 立灌水器内液固气多相流堵塞分析理论与方法，突破现有研究仅采用单相流模拟的技术局限，而气相的首次引入将为化学堵塞模拟提供可行方案。 该研究以污水中各种堵塞介质作为研究对象，采用计算流体动力学的方法对灌水器内液固气多相耦合流场进行数值模拟，突破了现有研究只采用单相流模拟的局限。多相流模拟得到了堵塞介质可视化的运移轨迹和密度分布，为揭示灌水器的堵塞原因、找出灌水器堵塞率与流道结构、堵塞源物理属性以及灌溉条件等因素之间的关系提供了直接依据。 立灌水器堵塞率定量描述及计算模型，突破现有研究仅采用试验定性描述灌水器堵塞的技术局限。在多相流数值模拟的基础上，对选用多种灌水器进行系列污水滴灌实验室“长周期”堵塞试验，通过对大量试验数据进行回归处理，得出基于滴灌工作条件、堵塞介质的物理属性、流道结构等因素的堵塞率定量计算公式。现有针对灌水器堵塞的研究都停留在定性分析与描述上，而本研究建立 的计算模型，在通过输入流道结构、堵塞源物理属性以及灌溉条件等参数后，可直接得出定量的堵塞率结果，为应用中灌水器的堵塞控制和新型污水灌水器的研制提供科学而实用的计算依据。 究污水滴灌实验室“长周期”堵塞试验方法与装置，突破现有研究仅限于田间调查试验的局限，为灌水器堵塞提供一种科学而有效的快速评价手段。建立灌水器实验室“长周期”试验方法，并研制一套专门的试验装置，为灌水器堵塞的实验室模拟试验提供一套科学、可行的研究平台。1.5 年度研究计划及预期研究结果1.5.1 年度计划2009.12009.4 收集和整理资料，完善与细化研究方案，收集待研究灌水器等。 2009.52009.8利用快速成形/快速制模技术制造变流道结构的试验用灌水器；待模拟灌水器流道的三维 CAD 模型的绘制；污水滴灌条件下灌水器多相流数学模型的预研究。 2009.92009.12 污水滴灌条件下灌水器多相流数学模型的建立，并进行初步模拟研究；污水滴灌实验室“长周期”堵塞试验平台设计方案的制定、图纸绘制并开始试制；堵塞试验方案的制定，灌溉水源的准备。 2010.12010.4利用建立的数学模型完成多种灌水器的多相流数值模拟研究；完成堵塞试验平台的制造，并开始调试。2010.52010.8 利用模拟结果分析污水滴灌条件下的灌水器堵塞原因，堵塞与各因素之间的影响关系；初步进行实验室“长周期”堵塞试验。2010.92010.12建立并完善基于多相流数值模拟的滴灌灌水器堵塞预测方法；系统进行所选滴灌灌水器的实验 室“长周期”堵塞试验。 2011.12011.4 利用试验结果修正数学模型，重复模拟直至结果较好地吻合为止；整理试验数据，对结果进行 回归计算得出各灌水器定量的堵塞率计算模型。 2011.52011.8 总结研究成果，进一步完善污水滴灌多相耦合流场堵塞模拟和试验方案，为项目验收和下一步研究奠定基