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基于DPM模型的旋风分离器内颗粒浓度场模拟分析高助威;王娟;王江云;冯留海;毛羽;魏耀东【摘要】To study the distribution of the particle concentration in cyclone,the RSM model and the particle stochastic trajectory model were used to simulate the gas-solid flow of the cyclone.The top ash ring and erosion of the wall were analyzed from particle concentration distribution and residence time.The results showed that the concentration of particles in the wall were distributed in a spiral gray band,and the width and pitch of the gray bands were different.Along radial direction,the particle concentration near the wall was high while other regions were low.Along axial direction,the particle concentration was larger in the bottom of the separation space,and the width of the spiral gray band increased but the pitch decreased.There was top ash ring under the roof of annular space,where a lot of particles gathered.The top ash ring was unevenly distributed,with obvious non-axisymmetric characteristics.Furthermore,the top ash ring had a certain periodicity shedding phenomenon.The performance would not only cause the escape of particles and reduce the separation efficiency of cyclone,but also cause erosion wear of the wall.In severe cases,the wall of the cyclone separator would be worn out,causing the equipment to failure.%为了研究旋风分离器内部颗粒浓度场的分布规律,采用RSM模型和颗粒随机轨道模型,对旋风分离器进行气-固两相流动数值模拟,并从浓度分布和停留时间两方面对顶灰环及壁面磨损现象进行分析.结果表明,壁面处的颗粒浓度呈螺旋状灰带分布,灰带的宽度和螺距不同;从径向看,除壁面附近浓度较高外,其他部位浓度较低;从轴向上看,在分离空间下部,螺旋灰带的宽度加大,螺距减小,颗粒浓度增大.在环形空间顶板下方有大量颗粒聚集,存在顶灰环现象,而且顶灰环分布不均匀,具有一定的准周期脱落特性.这不仅造成颗粒的逃逸,降低旋风分离器的分离性能,而且也会对壁面造成冲蚀磨损,严重时能够使分离壁面磨穿,造成设备失效.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2018(034)003【总页数】8页(P507-514)【关键词】旋风分离器;数值模拟;DPM;颗粒浓度;顶灰环;壁面磨损【作者】高助威;王娟;王江云;冯留海;毛羽;魏耀东【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室,北京102249;北京低碳清洁能源研究院,北京102209;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8旋风分离器是气-固分离过程的重要设备，因其结构简单，处理量大，维修方便等优点，在工业除尘、石油化工、煤炭发电等领域应用广泛[1]。
基于模糊理论的某铀尾矿坝稳定性综合评价夏美琼;李向阳;赵发;旷梅华;彭小勇【摘要】This paper analyses the stability of tailing based on the three first grade indexes and thirteen second grade indexes that have a great influence on stability of tailings as fuzz-y parameters, concepts of fuzzy mathematics and fuzzy comprehensive evaluation. Three dam sections of a uranium tailings impoundment in our country are taken as the research object in the paper. The stability of tailings in different periods is analyzed and the stability calculation(minimum safety factor) get through by making use of Swedish circle method and the result of fuzzy comprehensive evaluation are compared to indicate that this evalua-tion method is accurate and reliable,and the results of assessment have important rolesin preventing dam break.%以影响尾矿坝稳定性的3个一级评价指标、13个二级评价指标为模糊参数，利用模糊理论，用模糊综合评价方法分析尾矿坝稳定性。
离散元法在环境工程中的应用研究离散元法（DEM）是一种基于颗粒动力学理论的数值模拟方法，广泛应用于材料科学、工程学和环境科学等领域。
环境工程是DEM的重要应用领域之一，其应用范围涵盖了气候变化、土壤侵蚀、水文循环、环境污染等诸多方面。
本文旨在介绍离散元法在环境工程中的应用研究进展，重点阐述其在土壤侵蚀和环境污染方面的应用。
一、离散元法简介离散元法是一种用于模拟颗粒物运动和碰撞的数值模拟方法，其基础理论是颗粒动力学。
颗粒动力学认为颗粒物之间的相互作用是通过弹性碰撞和接触力传递完成的。
在DEM中，将颗粒物看做是一个个离散的、有质量的球体，利用新ton运动定律和Hertz接触理论进行计算。
通过求解每个颗粒的位置、速度和运动轨迹，可以模拟颗粒物在复杂环境下的运动和相互作用。
二、离散元法在土壤侵蚀中的应用土壤侵蚀是环境工程领域的重要问题之一，传统的土壤侵蚀模拟方法往往是基于统计和经验公式的，难以考虑土壤侵蚀过程中复杂的力学和物理过程。
离散元法由于其能够模拟颗粒物间的相互作用，因此对于土壤颗粒运动规律的研究具有很好的优势。
通过离散元法的模拟，可以研究土壤颗粒在不同水流速度和坡度下的运动轨迹和运动速度，分析侵蚀的机理和影响因素。
研究表明，在不同坡度下，土壤颗粒的平均运动速度随坡度的增加而增加，在相同的坡度下，较粗的颗粒运动速度更大。
此外，还可以研究水流对土壤颗粒的冲击力和承载力，探讨土壤颗粒的抗侵蚀能力，为制定有效的土壤侵蚀防治措施提供理论基础。
三、离散元法在环境污染中的应用除了在土壤侵蚀中的应用，离散元法在环境污染方面也有广泛的应用。
环境污染问题具有多样化的特点，如工业废水、废气、垃圾等的污染对环境的影响是多方面的，使用离散元法可以较好地揭示其中的物理和力学机制。
在废水处理中，使用显微粒子和粉末采集器收集沉淀物样本，对沉淀物样本进行细致的分析和实验研究，运用离散元法对沉淀物样本进行三维模拟，并研究随时间变化的沉淀物质量、颗粒物尺寸、颗粒物形状、流体动力学等问题。
第47卷第7期山西建筑Vci57Nc52921年4月SHANXI ARCHITECTURE Apr.2221•77•DOI：10.13719/kU10226225.2201.27.022基于MvDEM的尾矿坝坝体失稳离散元数值模拟周涛李启航黄宜超(江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州410400)摘要:针对尾矿坝由于浸润线以下砂土间的孔隙水压力的作用容易发生溃坝的问题,利用离散软件MvDEM建立尾矿坝离散元模型，进行了尾矿库溃坝模拟。
在此模拟中，为每个颗粒单元赋予含水率属性,将浸润线以下砂土考虑为饱和，浸润线以上部分考虑为非饱和砂土。
模拟结果表明：非饱和砂土部分裂缝出现的原因是由于水平位移变化不均所导致,此外沉降位移差距大也会导致裂缝出现。
数值模拟结果与前人室内模拟实验的结论大致符合，呈现典型的逆流渐进式滑坡。
为基于离散元的尾矿坝溃坝数值模拟提供了一定的借鉴。
关键词：尾矿坝，失稳，数值模拟,MvDEM中图分类号:TU414.5 文献标识码：A文章编号：1009-6825(2021)97-0077-04尾矿库是金属或非金属矿山尾矿、工业废渣的储存场所,通常通过筑坝或者围地构成。
矿山的安全生产及周边居民的生命财产安全与尾矿库坝体的稳定性密切相关。
尾矿坝的安全在世界各国的矿山建设过程中都受到密切关注，各国都十分重视尾矿坝的建设与管理。
长期以来专家学者利用室内相似材料模拟实验和数值模拟技术对尾矿坝开展了广泛而深入的研究。
尾矿坝溃坝的失稳模式可分为洪水漫坝失事和坝体结构失事,坝体结构失事模式又可分为渗透破坏失事模式、坝体失稳模式和地震险情失稳模式［1］。
张兴凯和陶东良都采用了相似物理实验法分析了尾矿库漫顶溃坝的全过程［2>3］。
李旭⑷研究了降雨诱发的尾矿坝溃坝，利用SliPa软件对降雨下的边坡进行定量分析。
敬小非等［5］基于云南拉拉铜矿小打鹅尾矿库工程设计资料，设计了相似材料模型实验，模拟了洪水作用下尾矿坝的垮塌和溃决机制,结果表明:尾矿堆积坝的浸润线变化存在滞后性;在水位上升过程中，坝坡中部出水平方向的总应力增量较垂直总应力增大;洪水导致尾矿坝所受的渗透力、孔隙水压力、重力增大,削弱坝体材料的抗剪强度,加大自身荷载，从而发生结构失稳。
尾矿库渗流稳定分析的数值模拟方法选择尾矿库渗流稳定分析是评估尾矿库工程的关键环节，为确保尾矿库工程的安全稳定运行，选择合适的数值模拟方法进行分析具有重要意义。
本文将从数值模拟方法的选择角度，为尾矿库渗流稳定分析提供一些建议。
1. 有限元法（Finite Element Method，FEM）有限元法是一种被广泛应用于土木工程、水利工程等领域的数值模拟方法。
它通过将复杂的尾矿库渗流问题离散化为一系列简化的元素，以及节点之间的连续性方程，求解得到尾矿库内部渗流场分布。
有限元法具有较高的数值精度和灵活性，适用于复杂尾矿库的渗流分析。
2. 有限差分法（Finite Difference Method，FDM）有限差分法是一种常用的数值模拟方法，它通过将尾矿库渗流域离散化为网格，然后利用差分近似代替微分计算，求解尾矿库渗流问题。
有限差分法具有计算速度较快、易于实施的优点，适用于尾矿库渗流问题的初步分析和快速评估。
3. 边界元法（Boundary Element Method，BEM）边界元法是一种基于边界积分方程的数值模拟方法，适用于具有边界问题的尾矿库渗流稳定分析。
边界元法将尾矿库渗流问题转化为边界条件的求解过程，通过求解边界积分方程得到尾矿库内部的渗流场。
边界元法在尾矿库的渗流问题中具有较高的计算精度和较小的计算量。
4. 离散元法（Discrete Element Method，DEM）离散元法是一种适用于多相介质渗流问题的数值模拟方法，尾矿库可看作为一个多相介质体系。
离散元法通过将尾矿库划分为离散的颗粒，在考虑颗粒间相互作用的基础上，模拟尾矿库渗流过程。
离散元法适用于尾矿库的颗粒流动分析和渗流稳定性评估。
选择合适的数值模拟方法需要综合考虑尾矿库工程的具体情况和分析目标。
以下几个因素应被考虑：1. 尾矿库的规模和几何形状：对于大型和复杂的尾矿库，有限元法和边界元法可以提供更精确的结果，但计算量较大；对于小型和简单的尾矿库，有限差分法可以得到较为合理的结果，并且计算速度较快。
基于离散相模型的双锥型水力旋流器磨蚀分析＊赵立新＊＊ 朱宝军 张 勇(大庆石油学院)摘 要 基于计算流体动力学(C F D)方法,采用G a m b i t建模,利用F l u e n t软件中的离散相模型(D P M)进行分析,分析出了普通双锥型水力旋流器内壁的磨损部位包括切向入口处、旋流腔和大锥段的交界处,以及大锥与小锥的交界处等;改进后旋流器的磨损情况得到了明显的改善,分离效率也有所提高。
同时,对双锥型水力旋流器的压力特性进行了分析。
关键词 双锥型水力旋流器 磨损 离散相模型 数值模拟中图分类号 T Q051.8+4 文献标识码 A 文章编号 0254-6094(2007)06-0317-05 计算流体动力学(C F D)技术相对于试验研究有着独特的优点,如成本低、周期短;能获得完整的数据;能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态;对于水力旋流器的设计、改造等能起到重要的指导作用。
因此,C F D技术在旋流分离领域得到了越来越多的应用。
为了揭示旋流分离机理、控制和优化旋流分离过程,长期以来人们在旋流分离数学模型方面进行了大量的研究,先后建立了多种分离模型。
其中,离散相模型(D P M)不仅能够模拟出粒子在旋流器内的运动轨迹[1]、在运动区域内的停留时间以及很好地预测分级效率[2],而且在旋流器部件耐磨性能设计方面有着潜在的应用前景[3]。
对水力旋流器内壁磨损所起作用最大的主要是固相颗粒的切向分速度和轴向分速度以及大的固体粒度[4]。
本文利用G a m b i t建模,采用F l u e n t中离散相模型对双锥型水力旋流器的磨损情况做了分析,同时对其压力场特性做了简要的说明。
1 水相控制方程对于稳态、等温不可压缩流动的时均N-S方程张量形式,可通过以下3个方程来表示。
连续性方程:U i x i =0(1)动量方程:ρx j(U i U j)=-px i+x jμU ix j-ρU′i U′ji,j=1,2,3(2)式中 x1,x2,x3———笛卡尔坐标分量; U1,U2,U3———时均速度分量; p———时均压力; ρ———流体密度; μ———分子黏度; U′i U′j———是由湍流模型确定的未知雷诺分量。
铀尾矿粒度对氡析出影响的蒙特卡罗模拟李咏梅;谭凯旋;周泉宇;刘泽华;李春光;周新尧【摘要】基于核反冲理论建立了铀尾矿氡析出的数学模型和蒙特卡罗模拟方法，模拟了不同含水饱和度条件下铀尾矿颗粒粒度对氡析出的影响。
结果表明，镭分布于颗粒表面时，4种含水饱和度（5％、20％、50％、75％）条件下的 K均随颗粒尺寸的增大先增大后趋于稳定。
镭分布在距颗粒表面34 nm和68 nm时，含水饱和度为5％或20％的条件下，K先增加后趋于稳定，而含水饱和度为50％或75％的条件下， K随颗粒尺寸的增大先稍有下降然后逐渐稳定。
运用蒙特卡罗方法计算了各铀尾矿样品的氡析出率，计算的氡析出率与实测铀尾矿氡析出率符合较好，相对误差为3％～9％。
%A mathematical model and Monte-Carlo simulation method of radon exhala-tion from uranium tailings were developed based on the nuclear recoil theory .The grain size effect on radon exhalation under different moisture contents was simulated .When radium is distributed on grain surface , K increases with grain size and then remains a constant value under moisture contents of 5% ,20% ,50% and 75% .When radium is distributed to a depth of 34 nm or 68 nm from the surface ,K firstly increases with grain size and then reaches a constant value under moisture contents of 5% and 20% ,and K decreases with the increase of grain size and then becomes a constant value under mois-ture contents of 50% and 75% .The radon exhalation rate of the uranium tailings sam-ples was calculated by Monte-Carlo method .The calculated radon exhalation rate agrees well with that obtained by experiment ,and the relative error is 3%-9% .【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】4页(P1725-1728)【关键词】铀尾矿;氡析出率;蒙特卡罗模拟【作者】李咏梅;谭凯旋;周泉宇;刘泽华;李春光;周新尧【作者单位】南华大学核资源工程学院，湖南衡阳 421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳 421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳 421001;南华大学城市建设学院，湖南衡阳 421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳 421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳 421001【正文语种】中文【中图分类】TL75;X591氡及其子体是危害人类健康的主要天然放射源，而铀尾矿是氡的一个重要来源，铀尾矿产生的氡可通过迁移进入大气。
广 东 化 工 2013年 第1期· 60 · 第40卷 总第243期铀尾矿库放射性核素迁移研究现状周敏，杜洋(东华理工大学，江西 抚州 344000)[摘 要]随着核工业的发展，铀矿冶工业亦得到迅速发展。
由于铀矿水冶的特点，产生了大量的尾矿，而尾矿库是核燃料生产系统中储存放射性废物数量最庞大的场所，尽管人们在尾矿库的设计、建造、运行及退役后的处理方面都充分考虑了其安全性，但是，随着时间的推移以及不可预料的各种地下水文地质等运动，其工程屏障的完整性可能受到破坏，从而导致尾矿中的放射性核素随地下水运动迁移到生物圈，进而影响到周围环境质量状况和附近居民的安全健康。
因此，对尾矿库放射性核素迁移的研究具有重要的意义。
[关键词]铀尾矿库；放射性核；迁移研究[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)01-0060-02The Uranium Tailings Radionuclide Migration ResearchZhou Min, Du Yang(East China Institute of Technology, Fuzhou 344000, China)Abstract: With the development of the nuclear industry, uranium mining and milling industry has also developed rapidly. Due to the uranium hydrometallurgical characteristics, resulting in a large amount of tailings and tailings pond is the storage of radioactive waste in the nuclear fuel production system in the largest number of places and people in the design of tailings, construction, operation and decommissioning after treatment fully considered its security, However, as time goes on, as well as unpredictable geology, groundwater movement, the integrity of the engineered barriers may be damaged, leading to radionuclides in the tailings with the movement of groundwater migration to the biosphere, thereby affecting the quality status of the surrounding environment and the safety and health of nearby residents. Therefore, the tailings pond radionuclide migration study has important implications.Keywords: uranium tailings ；radioactive nuclear ；migration research20世纪50年代后期，美国地质学家提出了科罗拉多高原砂页岩卷状铀矿床的淋积成因理论，引起了人们对铀的水迁移作用的普遍关注。
河流中污染物迁移转化模型研究进展黄维;方俊华【摘要】从数学特性角度分类，河流污染物的迁移转化模型可分为确定与非确定性模型，并正经历着由确定性模型向非确定性模型发展的转变。
从确定与非确定性两个方面对国内外河流水质模型进行了总结和分析，并着重介绍了WASP、QUAL、RMA4等确定性模型和随机模型、灰箱模型、神经网络算法等非确定性模型的原理及其在国内的应用。
针对河流中某个特定污染体系(如底泥、潜流带)或某类污染物(如重金属、石油类、营养物质等)的迁移转化模型也有大量研究成果。
河流污染物迁移转化模型的未来发展趋势将是模糊数学和不确定性分析技术的应用，与人工神经网络和GIS的结合，状态变量和组分数量的增加，以及三维数学模型的发展。
%10.3724/SP.J.1201.2012.06142【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】6页(P142-146,158)【关键词】污染物;迁移转化;河流;水质模型;模拟【作者】黄维;方俊华【作者单位】重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045【正文语种】中文【中图分类】TV21;X522河流中污染物的进入及迁移转化在很大程度上影响着河流水质，而河流水质与人类生产生活息息相关，因此清楚河流中污染物迁移转化规律及预测河流水质变化规律至关重要。
数学模型在河流水质预测中发挥着显著的作用。
它可以模拟河流中污染物迁移转化的过程，预测污染物分布状况及河流水质。
描述河流中污染物迁移转化的数学模型，多为水质模型。
因此，笔者主要从国内外河流水质模型和几种特殊污染物的迁移转化模型两个方面阐述了河流污染物迁移转化模型的研究进展。
1 河流污染物迁移转化模型的发展及其类型1925年，美国工程师Streeter和Phelps在研究Ohio河污染时建立了第一个氧平衡模型［1］，简称S－P模型，由此打开了水环境数学模型之门。
铀尾矿堆黏土覆盖治理数值模拟研究班改革;戴剑勇【摘要】根据铀尾矿堆中放射性核素氡迁移特性,建立覆盖情况下铀尾矿堆氡迁移模型,创新性地使用COMSOL multiphysics软件对覆盖层中氡浓度分布进行可视化数值模拟,采用正交试验对结果进行了分析,并采用RAD7测氡仪分两组实地测量某铀尾矿堆黏土覆盖后的氡浓度.结果表明,采用黏土覆盖时,覆盖层厚度1 m,孔隙率0.30比较经济合理,黏土参数最佳水平组合为:扩散系数0.8×10-6m2/s,孔隙率0.30,覆盖材料密度1 850 kg/m3,渗透率20×10-12m2,吸附系数0.82 L/kg.研究使用COMSOL multiphysics软件进行可视化数值模拟,开拓了尾矿堆治理的研究思路,具有重要的理论和实际意义.%According to the radonuclide migration characteristics of uranium tailing pile, a radon migration model of uranium tailing pile under the coverage condition was established.The radiative radon concentration distribution in the overburden was visualized by COMSOL multiphysics software, the results were analyzed by orthogonal experimental design and RAD7 radonometer was applied to measure the radon concentration of a certain uranium tailing clay in two groups on the spot.The results show that the thickness of the coverage layer is 1m and the porosity is 0.30 when covering with clay.The optimum combination of clay parameters is as follows:the diffusion coefficient i s 0.8×10-6m2/s, the porosity is 0.30, the covering material density is 1 850 kg/m3, the permeability is 20×10-12m2, and the adsorption coefficient is 0.82L/kg.The COMSOL multiphysics software is used to carry out visual numerical simulation, Which has opened up the research ideas of tailingpile harnessing and has important theoretical value and practical significance for tailing pile harnessing.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】5页(P83-86,4)【关键词】铀尾矿堆;黏土;氡析出率;COMSOL可视化模拟【作者】班改革;戴剑勇【作者单位】南华大学核资源工程学院,湖南衡阳 421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳 421001;核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室,湖南衡阳421001【正文语种】中文0 引言随着核电事业的发展，铀矿大量开采，铀尾矿堆[1-2]的量也不断增加，对人居安全构成威胁，覆盖是铀尾矿堆治理广泛被采用的一种方法。
文章编号:1009-6094(2013)01-0096-06基于离散相模型的铀尾矿砂大气迁移数值模拟＊万 芬,彭小勇,谢清芳,张 欣,黄 帅(南华大学城市建设学院,湖南衡阳421001)摘 要:基于不可压缩N -S 方程和离散相模型(Discrete Phase Model ,DPM ),用数值方法研究了粒径为10μm 、50μm 、100μm 、150μm 的铀尾矿库滩面颗粒在0.5m /s 、1m /s 、2m /s 和4m /s 风速下的运动轨迹和沉降规律。
结果表明,颗粒的运动轨迹同时受到风速和粒径的影响,不同粒径的颗粒在不同风速下运动轨迹相差较大,粒径为10μm 的颗粒比粒径为150μm 的颗粒在尾矿库下风向的运动随机性要大得多。
在同样的大气迁移距离内,0.5m /s 风速下10μm 粒径的颗粒所花的时间是4m /s 风速的12倍。
在相同的风速下,10μm 粒径颗粒的迁移距离要远大于150μm 粒径颗粒的迁移距离,且150μm 粒径颗粒大部分在尾矿库下风向800m 内沉积。
关键词:环境工程学;铀尾矿库;D PM ;数值模拟;运动轨迹;大气迁移中图分类号:TL752.2 文献标识码:A DOI :10.3969/j .is sn .1009-6094.2013.01.023＊收稿日期:2012-05-30作者简介:万芬,硕士研究生,从事空气环境及计算机仿真研究;彭小勇(通信作者),教授,博士,从事空气环境控制方法及计算机仿真研究,pengxiaoyong @126.c om 。
基金项目:国家自然科学基金项目(11075072)0 引 言在铀开采和铀水冶过程中产生了大量的废渣和尾矿,且铀废石和尾矿平均含铀量比土壤天然本底值高4～10倍,其表面辐射剂量比一般土壤平均高5～70倍[1]。
在风、降水等自然因素的影响下,铀尾矿库的颗粒会发生扩散迁移,一般活性小的细分散颗粒随风迁移时具有一定的危险性,因其数量大、分布面广,会对周围的环境造成一定程度的污染[2]。
陈迪云等[3]通过调查不同矿区周围环境中的土壤、动物等的放射性强度发现,矿区放射性粉尘颗粒通过风介质在空气中扩散迁移,从而对矿区周边环境形成辐射污染。
同时,气流搬运吸附在气溶胶上的固体颗粒,把它们输运到远离源项的区域,甚至到达居民区,从而通过水源、食物链等对人体的健康产生负面影响。
研究颗粒大气迁移的方法主要有模型试验、现场实测以及数值模拟等,而数值模拟是现行较为常用的方法。
李驰等[4]采用数值模拟方法,探讨了在风和沙粒的共同作用下,沙漠路基的风蚀破坏规律。
谢莉等[5]研究了风沙运动中沙粒的起跃速度分布,并和试验结果对比,两者吻合得较好。
郑晓静等[6]通过对风沙流中沙粒轨迹的统计计算,探索了风沙流中沙粒的浓度分布规律。
董纪鹏[7]对颗粒起尘的影响因素进行了分析,探讨了颗粒相运动行为与流体流场之间的规律。
目前关于风沙流中沙粒特性的研究较多,而对尾矿库不同粒径颗粒迁移特性的研究较少,且多为实地调查和测量,本文用数值方法研究尾矿砂的大气迁移行为。
离散相模型适用于分散相非常稀薄的流动,由于尾矿库滩面的颗粒体积率较小,因此采用离散相模型对其进行数值模拟,并探讨平地型尾矿库尾矿砂粒径和风速对颗粒运动轨迹的影响。
1 物理模型和数值方法1.1 物理模型和边界条件本文以平地型尾矿库为研究对象,研究风速和颗粒粒径对颗粒的起跳、输运和沉降规律的影响。
尾矿库库体呈棱台状,底面尺寸为500m ×500m ,滩面为400m ×400m ,高度为30m 。
计算区域为长7000m 、宽4500m 、高300m 的长方体空间,具体见图1。
1.2 控制方程1.2.1 气流运动控制方程和湍流模型气流运动控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程。
质量守恒方程为u ix i=0(1)动量守恒方程为x ju i uj =-1ρ P x i +μρ x j u i x j +f i(2)标准κ-ε模型不仅是常用的湍流模型,而且在预测污染物流动和浓度分布的性能上优越[8-9]。
因此,本文采用标准κ-ε模型模拟流场。
标准κ-ε模型包括湍动能κ和耗散率ε的方程。
湍动能κ方程为ρd κd t = x i μ+μt σκ κx i +G κ+G b -ρε-Y M (3)湍动耗散率ε方程为ρd εd t =x iμ+μt σε ε x i+C 1εεκG κ+C 3εGb -C 2ερε2κ(4)式中 湍流黏度μt =ρC μκ2ε。
模型通用常数的取值分别为C 1ε=1.44,C 2ε=1.92,C 3ε=0.09;湍动能κ与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σκ=1.0,σε=1.3。
1.2.2 DPM 模型DPM 模型包括随机轨道模型和颗粒群模型两种。
由于颗粒运动具有较强的随机性,且随机轨道模型在模拟各种污图1 尾矿库模型的计算域Fig .1 Computed field of uranium tailing impoundment96第13卷第1期2013年2月 安全与环境学报Journal of Safety and Environment Vol .13 No .1Feb .,2013染物在大气中的扩散时均取得了不错的成果[10],本文采用随机轨道模型,应用拉氏公式考虑离散相颗粒的曳力、重力和升力。
颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式(x方向)为d u p d t =F D u-u p+g xρp-ρρp+F x(5)为了考察不同风速下不同粒径的颗粒的迁移规律,假设平地型尾矿库周边常年以低风速为主,大风速一般也不会超过4m/s。
因此,本文研究u10=0.5m/s、1m/s、2m/s、4m/s 共4种风速下尾矿库不同粒径的粒子迁移轨迹。
对于固态颗粒污染源的源强的估算,黄燕[11]认为,风速较大时,干滩面积A=2000m2的起尘量为41.6737g/s。
考虑到本文尾矿库滩面面积较大,起尘量也会较大,在计算时取起尘量值为50 g/s。
铀尾矿砂采用谭凯旋等[12]提供的样品,尾矿的粒度分布见表1。
粒度分布范围为0.005～5mm,其中以小于0.043 mm的细砂和0.074～0.147mm的中砂为主。
尾矿的平均容重(干)为1410kg/m3。
综合考虑尾矿库滩面颗粒的粒径分布以及实际颗粒悬浮物的粒径分布,将待处理颗粒粒度的分布确定为5～200μm。
将其分为4个范围,即10μm以下、10～50μm、50～100μm、100μm以上,取每个范围的临界粒径作为代表性颗粒,观察其在流场中的运动情况。
其中,10μm颗粒代表小颗粒,50μm和100μm颗粒为中间颗粒,150μm颗粒代表100μm以上的较大粒径颗粒。
1.3 数值方法和边界条件将整个计算域划分成互不重叠的子区域,即进行网格区域离散化,分区域分别生成网格。
再将各网格块拼接生成总体网格系统,并且使块与块交界面上的网格保持一致,从而生成分区组合网格。
对计算域进行网格分区划分时,由于尾矿库前后区域是模拟计算的重点区域,对尾矿库前后和靠近壁面的部分进行局部网格加密,其网格间隔较小,计算精度相对较大,此时生成的网格采用的是四面体网格,其他区域采用六面体进行划分。
由此整个计算区域共划分为484297个网格单元,由此生成的网格既满足计算要求,又能减少网格数,从而减少了计算内存和提高了计算速度。
工程上应用最广泛的流场计算方法就是压力耦合计算方法(SIMPLE算法),它也是一种用于求解不可压流场的数值方法。
本文的流场数值计算就采用SIMPLE算法。
在大气边界层中,一般用风速廓线来描述平均风速随高度的变化。
目前,多数国家的规范,包括我国的建筑规范都采用简便的幂函数分布来描述近地层的风速。
因此,本文大气边界层来流风速剖面遵循简单的幂函数分布规律,即u=u10z10α(6)式中 u10为参考高度z=10m的平均风速;α为风速廓线指数。
本文考虑的是丘陵地区平地型尾矿库,因此α=0.16[13]。
表1 尾矿砂粒度分布T able1 G ranularity dis tribution of tailings粒径/ mm 0.005～0.0430.043～0.0740.074～0.1470.147～22～5重量分布/%52.712.034.50.50.03 大气远场出口均采用自由出流,地面采用无滑移壁面边界条件。
2 数值模拟及结果分析若要研究尾矿库下风向颗粒的迁移特性,则必须跟踪大量不同粒径的颗粒的运动轨迹。
本文考察粒径分别为10μm、50μm、100μm及150μm的4种颗粒在u10为0.5m/s、1 m/s、2m/s及4m/s下的运动轨迹。
2.1 不同风速下同粒径的颗粒轨迹由于小、中粒径颗粒占总颗粒的比例较大,所以首先选取小粒径D=10μm和中粒径D=100μm的颗粒作为研究对象。
在不同风速下,粒径D=10μm颗粒的迁移距离随时间的变化见图2。
粒径D=100μm的颗粒的运动轨迹见图3。
从图2可知,不同速度的颗粒到达同样迁移距离的时间不一样。
当风速为0.5m/s时,颗粒要到达出口(x=7000m)需要12000s;而大风速(u10=4m/s)时,到达同样的位置,颗粒只需要1000s,是小风速时的1/12。
由此可见,同样时间内同一粒子速度越大,迁移的距离就越远。
由图3可以看出,在风速不同时,相同粒径的颗粒运动轨迹不同,最终位置也不同。
不同风速下,100μm的颗粒起尘率和迁移距离随风速的增大而增大。
当u10=0.5m/s时,被吹出尾矿库的颗粒较少,且迁移的距离在尾矿库下风向3000 m附近,见图3(a)。
当u10=4m/s时,被吹出尾矿库的颗粒较多,迁移距离超过5000m,穿越了整个计算域流场;但大部分大颗粒在尾矿库下风向800m以内沉积,见图3(d)。
这主要是由于颗粒自身所具有的重力导致尾矿库表面的颗粒在风速较小时大部分均未起尘,在风速较大时,大多数大颗粒被吹离尾矿库,但由于受到重力作用向下沉降,并最终在尾矿库下风向800m内沉积,而极少部分的大颗粒则进入绕流风,在绕流风的带动下随绕流风从出口逃逸。
由此可见,风速是影响颗粒自尾矿库滩面起尘的重要因素,但颗粒进入大气后,较强的风速有利于较重的粒子在对流扩散中的沉降。
2.2 相同风速下不同粒径的颗粒轨迹为了研究相同风速下不同粒径颗粒的运动规律,分别模拟了风速为0.5m/s、1m/s、2m/s和4m/s时不同粒径的粒子轨迹,见图4～7。
从图4～7可以看出,在不同风速下,粒径为10μm的颗图2 不同风速颗粒(D=10μm)的迁移距离随时间的变化图Fig.2 Variation ch art of the migration distance(D=10μm)with the time972013年2月 万 芬,等:基于离散相模型铀尾矿砂大气迁移数值模拟 Feb.,2013粒的运动轨迹相差不大,且有规律可循,大部分颗粒被吹起:粒径为50μm 和100μm 的中颗粒随风速的增大,起尘率增大;150μm 的大颗粒的起尘率和轨迹随着风速的不同也有所不同。
