国家自然科学基金青年基金申请书正文范例(2020年)

报告正文

（一）立项依据与研究内容（4000~8000）

1.1项目的立项依据

水资源短缺是世界各国面临的重大难题，而污水滴灌是缓解这一问题的有效途径[1,2]。在我国，应用污水灌溉已有近千年的历史，在欧洲也有将近一个世纪[3]。这种古老方法的现实意义在于：（1）可从灌溉用水中置换出等量优质水，如果污水灌溉的规模提高到年排放量的50%，则置换出的优质水量将相当于2～3个南水北调工程；（2）利用污水进行灌溉，可充分利用土壤的降解能力减小对江、河、湖泊等有限水资源的污染；（3）对比常规水，污水中的氮、钾等元素可明显促进作物生长。

世界范围内，以色列、美国等国对污水滴灌进行了推广应用。特别是以色列，全国80%的污水经过净化后用于农业和城市园林滴灌，预计到2010年全国将有1/3以上的农业灌溉使用污水[5]。据报道，我国的污水灌溉占总灌溉面积的10%左右，主要集中在水资源严重缺乏的黄、淮、海和辽四大流域，大多采用原始的漫灌和浇灌方式，不符合现代节水农业的发展方向。纵观国内外，污水滴灌的普及程度不高，究其原因是多方面的，其中灌水器堵塞问题尤为突出。

在以色列、美国等滴灌应用早、研究深入的国家，有众多学者就污水滴灌中的灌水器堵塞问题进行了针对性的研究。Adin等（1990）利用三种灌水器进行污水滴灌试验，提出了一种“逐步堵塞”的假设，认为沉积物的聚集源自不规则形状粘土的沉淀，加上后续悬浮固体物的不断黏附，最终导致灌水器发生堵塞[6]。Taylor等（1995）对长达两个生长季节的田间污水滴灌进行了系统研究，发现砂粒在流道内部的沉积和滞留是引起灌水器堵塞的主要原因，指出灌水器的流道结构和形式成为决定其堵塞程度的最重要因素[7]。Shatanawi等人（1996）通过试验研究，发现污水中的钙、镁等元素容易导致灌水器发生严重堵塞，过多的微生物则加速了藻类的生长[8]。Schischa等人（1997）通过试验研究如何最大限度地控制污水滴灌中的灌水器堵塞问题[9]。Trooien等人（2000）利用5种滴灌带进行污水滴灌试验，结果表明小流量的滴灌带更容易发生堵塞[10]。Capra等（2004）利用五种未经深度处理的城市污水分别对四种类型灌水器进行滴灌试验，结果发现悬浮固体物和有机物的含量是决定灌水器堵塞程度的最大因素[11]。Puig-Barguses等（2005）研究了二级处理、二级处理加过滤以及三级处理三种条件下的污水滴灌试验，结果发现二级处理污水时灌水器存在一定程度的堵塞，二级处理加过滤时灌水器堵塞最严重，三级处理污水时灌水器堵塞最轻[12]。Cararo等（2006）通过对15种灌水器的污水滴灌实验，发现采用氯化法比压缩空气法更能有效地减轻灌水器的堵塞程度，而流道结构也是决定堵塞的一个重要因素[13]。污水滴灌在我国的应用基本属于空白，但也有少数研究

报道。如甘肃工业大学的王瑛等（2002）[14]和兰州铁道学院的洪雷等（2002）[15]分别探讨了利用污水滴灌城市绿化带和林木时的处理工艺与设计方法，但均没有涉及到具体的堵塞研究。上述国内外有关污水滴灌的研究均采用试验手段，其成果有益于污水滴灌技术的推广应用。然而，滴灌应用的场合千差万别，污水成分不尽相同，使用的灌水器存在差异。因此，上述针对某些特定条件下的试验研究，其成果对于解决污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指导意义是有限的。

灌水器是否发生堵塞直接取决于堵塞介质在流道内的水力特性，但大多灌水器流道截面微小、形状复杂，且呈封闭结构，采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）[16]、声学多普勒测速（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）[17]以及激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）[18]等可视化试验方法很难准确而及时地观测其流场形貌。于是，本世纪以来，以我国学者为主的一批学者开始尝试应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的方法可视化灌水器的微小内流场。王尚锦等（2000）利用流动模拟软件FLUENT分析了圆弧迷宫式灌水器流道内的流场特征，认为灌水器的抗堵塞性能主要依赖于流场中的漩涡运动[19,20]。中国农业大学的李永欣等（2005）[22]和李云开（2005）[23,24]分别利用FLUENT软件对多种形式灌水器的迷宫流道进行了可视化模拟研究，指出流场的微观水力结构有益于理解和分析灌水器的堵塞性能。西安交通大学的孟桂祥等（2004）[25]和魏正英等（2005）[26]先后利用FLUENT软件对多种类型灌水器进行了模拟研究，认为流场中的流动滞止区是引起灌水器堵塞的主要因素，并提出了迷宫流道的主航道抗堵设计方法。本课题组（2004；2006）分别利用ANSYS和FLUENT两套软件，对多种形状的齿形迷宫流道进行了流动模拟，认为流场中的水流漩涡有益于挟带固相悬浮物，水流对流道壁面的冲刷作用将增强灌水器的抗堵塞性能[27,28]。国外，只有Palau-Salvador等（2004）在层流模型基础上，利用FLUENT 软件模拟了内镶式迷宫灌水器的压力与流量特性关系，并进行了试验验证[21]。所有这些CFD模拟研究均得到了灌水器内流场的微观水力结构，为预测灌水器的堵塞提供了可视化依据。但是，这些研究只是针对单相水流场，忽略了堵塞介质的存在，这使得模拟结果很难准确地描述灌水器的堵塞规律、堵塞所处位置以及堵塞率与滴灌工艺、堵塞介质物理属性以及流道结构之间的定量关系，其预测结论存在一定误差。本课题组于2006年初开始尝试应用固-液两相流模拟可视化灌水器内流场，并在中国农业大学进行了实验室“短周期”堵塞试验，部分内容已形成3篇学术论文（1篇中文已被华中科技大学学报接收发表，2篇英文正在审阅中，详见后文的申请人简介部分）。除此之外，国内外均无灌水器内流场两相或多相流数值模拟的公开研究报道，更没有专门针对污水滴灌的模拟研究。

为此，本课题拟以污水滴灌中液-固-气多相耦合流场为研究对象，采用CFD数值模拟和实验室“长周期”堵塞试验两种手段，研究堵塞介质在灌水器流道内的运移规律和沉积特性，揭示灌水器堵塞与滴灌工艺、堵塞介质物理属性以及流道结构等多因素之间的定量关系。然而，与常规水滴灌