生活垃圾優(yōu)先流特性及其對(duì)填埋場(chǎng)水分運(yùn)移的影響研究

生活垃圾填埋場(chǎng)若干關(guān)鍵問(wèn)題都與填埋場(chǎng)中的水分運(yùn)移有關(guān)。生活垃圾成分復(fù)雜，垃圾中同時(shí)存在細(xì)?；|(zhì)和大孔隙，以大孔隙流為特征的優(yōu)先流是垃圾中水分和溶質(zhì)運(yùn)移的重要方式。本項(xiàng)目以室內(nèi)試驗(yàn)為主，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，將垃圾視為由基質(zhì)和大孔隙組成的非均勻多孔介質(zhì)，基于非飽和土理論與優(yōu)先流理論，揭示垃圾中的優(yōu)先流機(jī)理和特征，研究垃圾中水分運(yùn)移規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)取不同埋深垃圾試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究了生活垃圾持水特性和非飽和導(dǎo)水特性；基于完整土-水特征曲線確定了垃圾的孔徑分布，通過(guò)核磁共振試驗(yàn)測(cè)試了垃圾孔徑分布，兩種方法均揭示了垃圾具有大小雙重孔徑分布特征；進(jìn)行垃圾優(yōu)先流特征的染色示蹤試驗(yàn)，研究了入滲強(qiáng)度、初始含水率、不同埋深對(duì)垃圾優(yōu)先流的影響規(guī)律；進(jìn)行溶質(zhì)出流試驗(yàn)，使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型和雙峰概率密度模型對(duì)出流曲線進(jìn)行回歸分析，得到各因素對(duì)垃圾優(yōu)先流的影響規(guī)律及兩域模型相關(guān)參數(shù)；建立兩域模型模擬垃圾中水分運(yùn)移，探討了兩域模型和非飽和滲流模型的適用條件；使用非飽和土柱的對(duì)流-擴(kuò)散裝置，研究了非飽和土中污染物遷移機(jī)理；試驗(yàn)研究了優(yōu)先流加快污染物遷移的機(jī)理和規(guī)律。結(jié)合本項(xiàng)目共發(fā)表論文10篇，其中SCI或EI收錄9篇，國(guó)際會(huì)議論文1篇。 2100433B

生活垃圾填埋場(chǎng)若干關(guān)鍵問(wèn)題都與填埋場(chǎng)中的水（滲濾液）及其運(yùn)移有關(guān)。對(duì)于滲濾液運(yùn)移，目前一般將垃圾視為具有一定滲透系數(shù)的均質(zhì)體進(jìn)行研究，未能反映垃圾大孔隙特性。本項(xiàng)目將垃圾視為由基質(zhì)和大孔隙組成的非均勻多孔介質(zhì)，結(jié)合非飽和流與大孔隙流理論，研究垃圾中水分運(yùn)移規(guī)律。通過(guò)一系列的垃圾柱出流試驗(yàn)和染色示蹤試驗(yàn)研究垃圾大孔隙特征和大孔隙流規(guī)律；通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究垃圾的持水與非飽和導(dǎo)水特性；基于優(yōu)先流理論與非飽和滲流理論，建立大孔隙和基質(zhì)兩域模型模擬垃圾中水分運(yùn)移與分布；通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)一步揭示垃圾中優(yōu)先流規(guī)律并對(duì)兩域模型進(jìn)行驗(yàn)證；使用兩域模型模擬填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)出、污染物遷移、滲濾液回灌和填埋場(chǎng)抽排降水等水分運(yùn)移過(guò)程，揭示相應(yīng)規(guī)律，提出工程建議。本項(xiàng)目研究對(duì)填埋場(chǎng)安全運(yùn)營(yíng)和污染防治具有實(shí)際意義；對(duì)于進(jìn)一步揭示大孔隙介質(zhì)優(yōu)先流機(jī)理，促進(jìn)巖土、水利與環(huán)境工程的學(xué)科交叉，具有重要理論意義。

我國(guó)水電開(kāi)發(fā)主戰(zhàn)場(chǎng)已轉(zhuǎn)向西南高原河流，僅雅江大拐彎一處的可開(kāi)發(fā)水能裝機(jī)容量就占全國(guó)的10%，目前正依托其梯級(jí)開(kāi)發(fā)，研制50萬(wàn)千瓦級(jí)、1000米以上超高水頭大型沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，而沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部多態(tài)、多相流動(dòng)特性、流動(dòng)干涉、比尺效應(yīng)等的準(zhǔn)確研究仍不夠深入。本項(xiàng)目開(kāi)展的流動(dòng)干涉特性及其對(duì)比尺效應(yīng)影響研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。發(fā)表論文33篇，其中SCI檢索13篇，另EI檢索論文16篇。 選取兩套沖擊式水輪機(jī)，基于均質(zhì)多相流模型、SST k-omega雙方程模型描述多相流場(chǎng)，深入探討了CFL條件和網(wǎng)格收斂因子等對(duì)射流/水膜計(jì)算精度的影響，指出了精確模擬整體流道多種流態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程所需滿足的離散關(guān)系，發(fā)展了包含管內(nèi)流、噴嘴射流及水斗水膜流多種流態(tài)和流態(tài)轉(zhuǎn)換的整體流道非定常多相流數(shù)值模擬方法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確，研究成果在ISROMAC 2016國(guó)際會(huì)議分會(huì)場(chǎng)做了特邀報(bào)告。 基于該方法，系統(tǒng)分析了沖擊式水輪機(jī)中的幾種典型流動(dòng)干涉及其對(duì)水力性能定量影響規(guī)律。水斗切割射流對(duì)射流的破壞導(dǎo)致水斗背面與射流接觸位置會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，該負(fù)壓與背面擠壓聯(lián)合作用，引起水斗背面與射流間的干涉。在計(jì)算的低水頭工況，流動(dòng)干涉使轉(zhuǎn)輪的水力效率降低約4%。此類干涉隨運(yùn)行水頭的降低而加劇，適當(dāng)減薄水斗缺口厚度可改善。對(duì)出流與水斗背面干涉，計(jì)算了水斗出流角和水頭變化的影響。水斗在出水邊出流角過(guò)大和高水頭工況，更容易發(fā)生出流與水斗背面干涉。為避免對(duì)水斗背面的破壞，可適當(dāng)減小水斗出流角或減薄水斗出水邊的厚度。若將噴嘴數(shù)增至六，運(yùn)行工況參數(shù)都不變，數(shù)值分析了水斗內(nèi)兩股水膜流動(dòng)干涉現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)水力性能的影響。結(jié)果顯示，噴嘴數(shù)增加使相鄰射流進(jìn)入同一水斗的時(shí)間間隔縮短，水斗先后接受的兩股射流會(huì)在水斗表面碰撞，使此工況下機(jī)組水力效率降低10.91%，同時(shí)水斗內(nèi)表面壓力波動(dòng)的幅值加劇，也會(huì)對(duì)水斗的安全性能造成極大威脅。 結(jié)合模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型與真機(jī)的非定常流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，比較了三組單位流量工況下，真機(jī)與模型機(jī)中流動(dòng)干涉是否發(fā)生；根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比計(jì)算的原型、模型機(jī)水力效率，量化的分析了沖擊式水輪機(jī)中影響比尺效應(yīng)的主要因素，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)的影響相對(duì)較大，而弗勞德數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的影響也不可忽略。 2100433B

沖擊式水輪機(jī)在高水頭資源豐富的地區(qū)應(yīng)用前景廣泛，其流動(dòng)干涉現(xiàn)象十分復(fù)雜，至今仍缺乏對(duì)其規(guī)律和比尺效應(yīng)的科學(xué)描述與深入研究，仍是水力機(jī)械學(xué)科研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本申請(qǐng)以高水頭沖擊式水輪機(jī)為研究對(duì)象，將理論分析、數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合，旨在揭示機(jī)組內(nèi)典型的三維非定常氣液兩相流及流動(dòng)干涉的水動(dòng)力學(xué)特性。探討適合自由射流、水膜流等多流態(tài)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法，結(jié)合已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。探討機(jī)組內(nèi)典型流動(dòng)干涉發(fā)生時(shí)的流動(dòng)規(guī)律，如射流與水斗背面干涉，出流與水斗背面干涉，多噴嘴時(shí)水膜流干涉等，定量分析流動(dòng)干涉對(duì)機(jī)組水動(dòng)力特性的影響，進(jìn)而提出改善流動(dòng)干涉的方法。在易發(fā)流動(dòng)干涉工況區(qū)，結(jié)合模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分別對(duì)模型與真機(jī)進(jìn)行流動(dòng)干涉特性的數(shù)值計(jì)算，定量分析流動(dòng)干涉與比尺效應(yīng)之間的關(guān)系，完善沖擊式水輪機(jī)的比尺效應(yīng)換算理論。研究可為沖擊式水輪機(jī)的性能換算、優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。