生活垃圾優(yōu)先流特性及其對填埋場水分運移的影響研究中文摘要

生活垃圾填埋場若干關鍵問題都與填埋場中的水（滲濾液）及其運移有關。對于滲濾液運移，目前一般將垃圾視為具有一定滲透系數(shù)的均質體進行研究，未能反映垃圾大孔隙特性。本項目將垃圾視為由基質和大孔隙組成的非均勻多孔介質，結合非飽和流與大孔隙流理論，研究垃圾中水分運移規(guī)律。通過一系列的垃圾柱出流試驗和染色示蹤試驗研究垃圾大孔隙特征和大孔隙流規(guī)律；通過室內和現(xiàn)場試驗研究垃圾的持水與非飽和導水特性；基于優(yōu)先流理論與非飽和滲流理論，建立大孔隙和基質兩域模型模擬垃圾中水分運移與分布；通過模型試驗進一步揭示垃圾中優(yōu)先流規(guī)律并對兩域模型進行驗證；使用兩域模型模擬填埋場滲濾液產出、污染物遷移、滲濾液回灌和填埋場抽排降水等水分運移過程，揭示相應規(guī)律，提出工程建議。本項目研究對填埋場安全運營和污染防治具有實際意義；對于進一步揭示大孔隙介質優(yōu)先流機理，促進巖土、水利與環(huán)境工程的學科交叉，具有重要理論意義。

生活垃圾填埋場若干關鍵問題都與填埋場中的水分運移有關。生活垃圾成分復雜，垃圾中同時存在細?；|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運移的重要方式。本項目以室內試驗為主，結合理論分析和數(shù)值模擬，將垃圾視為由基質和大孔隙組成的非均勻多孔介質，基于非飽和土理論與優(yōu)先流理論，揭示垃圾中的優(yōu)先流機理和特征，研究垃圾中水分運移規(guī)律。現(xiàn)場取不同埋深垃圾試樣進行室內試驗研究了生活垃圾持水特性和非飽和導水特性；基于完整土-水特征曲線確定了垃圾的孔徑分布，通過核磁共振試驗測試了垃圾孔徑分布，兩種方法均揭示了垃圾具有大小雙重孔徑分布特征；進行垃圾優(yōu)先流特征的染色示蹤試驗，研究了入滲強度、初始含水率、不同埋深對垃圾優(yōu)先流的影響規(guī)律；進行溶質出流試驗，使用對數(shù)正態(tài)分布模型和雙峰概率密度模型對出流曲線進行回歸分析，得到各因素對垃圾優(yōu)先流的影響規(guī)律及兩域模型相關參數(shù)；建立兩域模型模擬垃圾中水分運移，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流-擴散裝置，研究了非飽和土中污染物遷移機理；試驗研究了優(yōu)先流加快污染物遷移的機理和規(guī)律。結合本項目共發(fā)表論文10篇，其中SCI或EI收錄9篇，國際會議論文1篇。 2100433B

我國水電開發(fā)主戰(zhàn)場已轉向西南高原河流，僅雅江大拐彎一處的可開發(fā)水能裝機容量就占全國的10%，目前正依托其梯級開發(fā)，研制50萬千瓦級、1000米以上超高水頭大型沖擊式水輪發(fā)電機組，而沖擊式水輪機內部多態(tài)、多相流動特性、流動干涉、比尺效應等的準確研究仍不夠深入。本項目開展的流動干涉特性及其對比尺效應影響研究具有重要理論意義和工程應用價值。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，基于均質多相流模型、SST k-omega雙方程模型描述多相流場，深入探討了CFL條件和網格收斂因子等對射流/水膜計算精度的影響，指出了精確模擬整體流道多種流態(tài)轉換過程所需滿足的離散關系，發(fā)展了包含管內流、噴嘴射流及水斗水膜流多種流態(tài)和流態(tài)轉換的整體流道非定常多相流數(shù)值模擬方法，結合試驗數(shù)據(jù)驗證了計算的準確，研究成果在ISROMAC 2016國際會議分會場做了特邀報告。 基于該方法，系統(tǒng)分析了沖擊式水輪機中的幾種典型流動干涉及其對水力性能定量影響規(guī)律。水斗切割射流對射流的破壞導致水斗背面與射流接觸位置會出現(xiàn)負壓，該負壓與背面擠壓聯(lián)合作用，引起水斗背面與射流間的干涉。在計算的低水頭工況，流動干涉使轉輪的水力效率降低約4%。此類干涉隨運行水頭的降低而加劇，適當減薄水斗缺口厚度可改善。對出流與水斗背面干涉，計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。為避免對水斗背面的破壞，可適當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，運行工況參數(shù)都不變，數(shù)值分析了水斗內兩股水膜流動干涉現(xiàn)象產生機理及其對水力性能的影響。結果顯示，噴嘴數(shù)增加使相鄰射流進入同一水斗的時間間隔縮短，水斗先后接受的兩股射流會在水斗表面碰撞，使此工況下機組水力效率降低10.91%，同時水斗內表面壓力波動的幅值加劇，也會對水斗的安全性能造成極大威脅。 結合模型試驗數(shù)據(jù)，對模型與真機的非定常流動特性進行了數(shù)值計算，比較了三組單位流量工況下，真機與模型機中流動干涉是否發(fā)生；根據(jù)IEC標準和模型試驗結果，對比計算的原型、模型機水力效率，量化的分析了沖擊式水輪機中影響比尺效應的主要因素，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)的影響相對較大，而弗勞德數(shù)和韋伯數(shù)的影響也不可忽略。 2100433B

沖擊式水輪機在高水頭資源豐富的地區(qū)應用前景廣泛，其流動干涉現(xiàn)象十分復雜，至今仍缺乏對其規(guī)律和比尺效應的科學描述與深入研究，仍是水力機械學科研究的熱點和難點。本申請以高水頭沖擊式水輪機為研究對象，將理論分析、數(shù)值計算與試驗相結合，旨在揭示機組內典型的三維非定常氣液兩相流及流動干涉的水動力學特性。探討適合自由射流、水膜流等多流態(tài)的數(shù)學模型和數(shù)值方法，結合已有試驗結果進行評價。探討機組內典型流動干涉發(fā)生時的流動規(guī)律，如射流與水斗背面干涉，出流與水斗背面干涉，多噴嘴時水膜流干涉等，定量分析流動干涉對機組水動力特性的影響，進而提出改善流動干涉的方法。在易發(fā)流動干涉工況區(qū)，結合模型試驗和現(xiàn)場實測，分別對模型與真機進行流動干涉特性的數(shù)值計算，定量分析流動干涉與比尺效應之間的關系，完善沖擊式水輪機的比尺效應換算理論。研究可為沖擊式水輪機的性能換算、優(yōu)化設計與安全穩(wěn)定運行提供理論基礎。