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1. 研究目的与意义（文献综述）
1、研究意义和目的
水利水电工程作为国家重要的基础设施和基础产业，在社会经济的发展过程中发挥着重要作用。近年来我国水利水电行业快速发展趋于成熟，与此同时水利水电工程建设对环境治理和污染物资源合理利用的要求也逐渐提高。砂石骨料作为水利水电工程建设的主要原料，在投入使用之前需进行破碎、筛分等加工环节。这些环节产生大量砂石料废水，成为水电站施工过程中主要的废水来源。砂石料废水中主要含有细沙、石粉、泥和少量的中粗砂砾石等颗粒物质，悬浮物浓度极高，一般可达到10000-80000mg/l[1]，若不经过处理直接排入河流，会导致河床淤积，还会造成水体污染，严重破坏生态环境。因此，确保砂石料废水处理的效率和质量极其关键。目前国内针对砂石料废水处理采用的主要工艺有平流式自然沉淀法、辐流式凝聚沉淀法和成套设备处理法[2]。水力旋流器是成套设备处理工艺中的一项重要设备，主要用于实现液相水和固相砂的两相分离，该处理工艺在向家坝水电站成功应用，出水悬浮液浓度小于70mg/l[2]。
自1891年e.bretney申请第一篇关于水力旋流器的专利至今[3]，水力旋流器作为分离设备，被广泛应用于选矿、石油、化工、固液分离甚至纳米技术[4]等行业，并且应用范围还在扩大。传统的固-液型水力旋流器结构如图1所示，主要组成部分有进料口、溢流管、工作筒体（由中空的圆柱筒体和下部锥形筒体组合而成）、底流管等。其可以利用离心沉降原理实现砂石料废水中的砂砾、石粉、泥等固体颗粒与水的分离。砂石料废水从入口管切向进入圆筒，向下作螺旋形运动，密度大、体积大的固体颗粒在旋转运动中因离心力作用被甩向器壁，随下旋流降至底部出口排出，形成底流；而密度小、体积小的固体颗粒向轴线附近靠近，由于轴线附近的负压作用而随着上升的内旋流从顶部出口排出，形成溢流[5]。故采用水力旋流器对水利水电工程产生的砂石料废水进行处理，可以使其达标排放或循环利用。
2. 研究的基本内容与方案
1、设计的基本内容、目标
通过阅读相关文献，明晰水力旋流器的实际意义和价值，利用CFD软件FLUENT对某种给定水力旋流器进行数值模拟，探讨不同工况下该旋流器的分离性能。设计的基本内容主要包括以下几点：
（1）掌握水力旋流器基本结构及参数，建立几何模型；
（2）对几何模型进行网格划分，并进行初步数值计算；
（3）分析不同工况下水力旋流器的分离效率。
本文完成后，应能实现模拟仿真计算结果与已知实验数据误差在合理范围内，验证采用本文所使用的数值模型预测水力旋流器的分离性能是合理的，并探讨在不同工况下旋流器的分离效率等重要性能的变化情况，建立基本规律和曲线。
2、拟采用的技术方案及措施
2.1掌握水力旋流器基本结构参数及模型建立
水力旋流器的结构参数主要有旋流器直径、矩形进口长宽、筒体高度、溢流口直径、底流口直径、锥角、溢流管插入深度等[32]。上述参数的变化在很大程度上影响着水力旋流器的分离效果，应明确本次设计的结构参数如下，使用Gambit软件进行三维建模。
| 水力旋流器直径（mm） | 75 |
| 矩形进料口截面尺寸（mm） | 25*20 |
| 进口衔接方式 | 切向入口 |
| 溢流管直径（mm） | 25 |
| 底流管直径（mm） | 12.5 |
| 溢流导管插入深度（mm） | 50 |
| 圆柱体长度（mm） | 75 |
| 锥角（°） | 20 |
| 椎体长度（mm） | 177 |
2.2水力旋流器网格划分
通过ICEM CFD软件对水力旋流器进行网络划分，并采用以六面体为核心的网格生成方法，局部进行一定的加密，尽量追求更高的求解精度和计算效率。
2.3边界条件及控制参数
对水力旋流器设置四个边界条件，即进料口设为速度入口（v=2.28m/s），溢流口和底流口设置为压力出口（静压为0，与大气相通），其余所有壁面均设置为静止的无滑移壁面，采用标准壁面函数进行近壁处理。
多相流模型选择离散模型（DPM），求解控制参数选择压力-速度耦合SIMPLE方式，有利于计算的稳定。控制方程的压力离散格式采用适合高速旋转的PRESTO！格式。湍动能、湍流耗散率以及雷诺应力离散格式均采用QUICK格式。初始旋流器内部充满空气，即旋流器内空气体积分数为１。
2.4模型验证
采用计算流体力学（CFD）模拟软件Fluent对水力旋流器进行模拟分析，进行模型验证是十分必要的。本文将参照Mousavian等[26]比较三种湍流模型：RNG k-ε模型，RSM湍流模型和LES模型。通过测量选择不同湍流模型时，距离水力旋流器顶部60mm、120mm和175mm处的轴向和切向速度预测值分布、预测空芯形式和分离效率等模拟计算结果与Hsieh的实验值[37]进行比较，讨论不同湍流模型对预测结果的影响。若模拟计算结果与试验数据基本一致，说明此种湍流模型可以很好地预测旋流器内流场，可以合理使用。
2.5不同工况下水力旋流器分离性能分析
由于我选择了一定规格的水力旋流器，其结构参数固定，故只调节水力旋流器的操作参数，改变水力旋流器的进口压力、进口浓度、流速、进口粒度组成等，研究不同工况下水力旋流器的分离性能，并建立基本规律和曲线，对后期旋流器运行参数和性能优化具有指导意义。
3. 研究计划与安排
| 时间 | 周数 | 内容 |
| 2.24-3.8 | 2 | 通过文献资料收集，对毕业论文内容进行思考，撰写完成开题报告、完成外文翻译任务 |
| 3.9-3.29 | 3 | 修改开题报告和外文翻译，3.25前在系统提交 |
| 掌握水力旋流器基本结构参数及模型建立，提交所建立模型 | ||
| 3.30-4.15 | 3 | 完成水力旋流器网格划分，提交网格划分结果，并在4.15前撰写提交第一次阶段性报告 |
| 4.16-5.3 | 3 | 完成水力旋流器模型验证及不同工况的分离性能分析，并撰写提交第二次阶段性报告 |
| 5.4-5.24 | 3 | 编写毕业论文报告书，并撰写提交第三次阶段性报告 |
| 5.25-6.7 | 2 | 返回修改并定稿，准备答辩 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 何勤聪. 我国水利水电工程砂石料废水处理工艺存在的问题及对策[j]. 大科技,2015(26): 124-124,125.
[2] 张小峰. 水利水电工程砂石料加工废水处理措施探析[j]. 商品与质量, 2019(21):239.
[3] 徐继润，罗茜著. 水力旋流器流场理论[m]. 北京：科学出版社, 1998: 269.
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