污水海洋处置方法是一种经济有效的城市污水和工业污水处置方式,海水入侵扩散器系统是影响排污水力效率的重要因素之一,在工程中一直未得到很好解决。本文运用实验量测方法和三维数值模拟方法对海水入侵及清除流动过程中扩散器系统内部的流动结构以及影响因素进行了较为全面的研究,得到了一些有意义的结论。本文的主要研究包括: (1) 在实验室中建立海水入侵及清除流动物理模型实验系统,将PIV激光图像测速技术应用于污水扩散器系统内部流场的量测,观测得到扩散器系统内部流场结构及发展过程,对系统内部流场发展细部特征进行分析,阐述海水入侵和清除的流动机理。 (2) 建立扩散器系统内水流三维数值计算模型,该模型主要基于非结构网格有限体积法,采用RNGκ-ε紊流模型对紊动特征进行模拟,引入流体体积分数方程对密度分层流及其交界面的物质交换过程进行模拟。 (3) 利用建立的三维数值计算模型对概化的方形截面扩散器系统海水入侵与清除过程进行模拟,将模拟结果与现有的二维数值模型计算结果和实验成果进行比较,分析所建立的三维数值模型与现有二维数值模型模拟效果的差异,探讨三维数值模型在流动非恒定特征、密度分层流及交界面紊动掺混特征、流动三维结构特征等关键流动机制方面的模拟效果。 (4) 利用所建立的三维数值模型对圆形截面扩散器系统的海水入侵及清除流动过程进行模拟,通过与实验实测流场进行比较,分析三维数值模型对圆形截面扩散器系统海水入侵及清除流动的预测能力,比较结果表明三维数值模型能够对海水入侵与清除流动的非恒定过程以及扩散器系统内部的分层流及其交界面掺混过程进行准确模拟。 (5) 利用三维数值模型对扩散器系统内部海水入侵及清除流动通量变化规律及物质交换过程进行分析,建立排污流量与系统内部流场特征(污水楔推进速度、海水楔入侵速度、污水楔厚度、分层界面稳定性、系统入侵程度)的关系。分析扩散器系统结构型式以及系统运行模式对扩散器系统海水清除能力的影响,在此基础上提出考虑非恒定多相流阻力特性的扩散器系统海水清除能力预测方法。