彎道導(dǎo)流墻對氧化溝水力特性影響的數(shù)值模擬

魏文禮，洪云飛，劉玉玲，蔡亞希

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安710048)

彎道導(dǎo)流墻對氧化溝水力特性影響的數(shù)值模擬

魏文禮，洪云飛，劉玉玲，蔡亞希

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安710048)

【目的】 對兩溝道氧化溝內(nèi)水下推動器、曝氣轉(zhuǎn)盤同時運(yùn)行時，增設(shè)彎道導(dǎo)流墻后溝內(nèi)的流場及流速分布進(jìn)行研究,以期提高溝內(nèi)水流混合能力并降低能耗?！痉椒ā?在試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀覀?cè)增設(shè)彎道導(dǎo)流墻，并采用數(shù)值計算的方法求解氣-液兩相流時均方程，紊流模型采用RNG 模型，自由水面捕捉采用VOF(Volume of fluid)法，速度與壓力耦合方程組求解時使用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法，對氧化溝內(nèi)的流場及流速分布進(jìn)行模擬研究?！窘Y(jié)果】 數(shù)值模擬表明，在水下推動器、曝氣轉(zhuǎn)盤同時運(yùn)行時增設(shè)彎道導(dǎo)流墻后,氧化溝內(nèi)的流場及流速分布更加均勻，整個氧化溝內(nèi)流速大于0.3 m/s的流體體積百分比由不增設(shè)彎道導(dǎo)流墻時的40.8%提高至47.6%，顯著提高了氧化溝內(nèi)的流速?！窘Y(jié)論】 水下推動器、曝氣轉(zhuǎn)盤同時運(yùn)行時，增設(shè)彎道導(dǎo)流墻能夠明顯改善氧化溝內(nèi)流場及流速的分布，可以提高溝內(nèi)整體流速，防止或減少溝內(nèi)污泥沉積。

氧化溝；彎道導(dǎo)流墻；水力特性；水下推動器；曝氣轉(zhuǎn)盤

氧化溝是改良的活性污泥法工藝中的一種，又稱環(huán)形曝氣池，在城市污水和工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。目前對氧化溝的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[1-3]，所得成果主要集中在工藝設(shè)計及設(shè)備改進(jìn)、水力特性試驗(yàn)與流態(tài)模擬研究、生物反應(yīng)動力學(xué)、污泥遷移及沉降速率的研究、氧化溝內(nèi)氣相分布的模擬等方面。鄧榮森等[4]通過在較寬的溝內(nèi)設(shè)置一道或多道導(dǎo)流墻來預(yù)防污泥沉積；趙星明等[5-7]分析了彎道橫向環(huán)流和水流流速在彎道的重新分布及對污泥沉積的影響，探討了偏置導(dǎo)流墻對減少溝內(nèi)污泥沉積的機(jī)理；曹瑞鈺等[8]提出了加裝前后導(dǎo)流板改變氧化溝流速分布的措施，并就目前氧化溝設(shè)計與建造中的問題提出了相關(guān)的建議；黨風(fēng)武等[9]分析了導(dǎo)流板在實(shí)際氧化溝中的應(yīng)用效果；陳志瀾等[10]對導(dǎo)流墻的偏置位置以及導(dǎo)流墻后接導(dǎo)流板的形狀進(jìn)行了研究；陳光等[11]采用多參考系模型，對有曝氣機(jī)及單側(cè)有無導(dǎo)流墻時的氧化溝內(nèi)流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬；李磊等[12]采用滑移壁面模型定義轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，并用Realizablek-ε模型模擬湍流變化，得到了氧化溝直道各斷面的流速分布及流場的沿程變化；宋懷輝等[13]模擬了彎道流場的三維特性以及斷面環(huán)流的形成和發(fā)展過程；唐瑜謙等[14]建立了水下推動器三維數(shù)學(xué)模型，用 MRF 模型定義其轉(zhuǎn)動，同時采用RNGk-ε模型對水下推動器作用下的氧化溝流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并用充足的實(shí)測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，表明該數(shù)學(xué)模型能較準(zhǔn)確有效地模擬氧化溝內(nèi)流速的分布及三維流場的沿程變化情況。在氧化溝中，水下推動器、曝氣轉(zhuǎn)盤和彎道導(dǎo)流墻均會影響溝內(nèi)的流場及流速，但目前有關(guān)研究尚不夠。為此，本研究采用數(shù)值模擬方法，對氧化溝內(nèi)水下推動器、曝氣轉(zhuǎn)盤同時運(yùn)行時增設(shè)彎道導(dǎo)流墻后溝內(nèi)的流場及流速進(jìn)行研究, 分析溝內(nèi)不同橫斷面的流線圖，比較分析了有無彎道導(dǎo)流墻時溝內(nèi)不同測線的流速分布，并統(tǒng)計有無導(dǎo)流墻時溝內(nèi)流速大于0.3 m/s的體積百分比，以期明確彎道導(dǎo)流墻對氧化溝內(nèi)流場及流速分布的影響，從而為氧化溝工藝的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

1.1 湍流模型的選擇

RNGk-ε模型相比其他k-ε模型可以更好地處理流線彎曲程度較大的流動，并考慮了平均流動中的旋流情況[15]，故本研究選擇RNGk-ε模型進(jìn)行湍流建模，其控制方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

式中：ρ為流體密度，t為時間，ui為沿i(i為笛氏坐標(biāo)x、y或z)方向的速度分量，xi為沿i方向的空間坐標(biāo)分量。

雷諾方程：

(2)

(3)

(4)

紊動動能耗散率ε方程：

(5)

以上方程組構(gòu)成了求解流場分布規(guī)律的封閉方程組，根據(jù)實(shí)際工況施加相應(yīng)的邊界條件后，構(gòu)成該方程組的定解問題。

1.2 模擬自由水面的VOF法

VOF法的基本思想[16-17]是：定義體積率函數(shù)F=F(x,y,z,t)，表示計算區(qū)域內(nèi)流體體積與計算區(qū)域體積的相對比例。對于某一個計算單元，當(dāng)F(x,y,z,t)=1，則表示該單元被液體充滿；當(dāng)F(x,y,z,t)=0，則表示其是一個空單元；若F(x,y,z,t)∈(0,1)，則表示該單元部分充滿液體。顯然，自由表面只存在于第3種單元中，F(xiàn)的梯度可以用來確定自由邊界的法線方向。計算各單元的F數(shù)值及梯度之后，就可以確定各單元中自由表面的近似位置。在每個單元中，水和氣的體積分?jǐn)?shù)之和為1。如果aw表示水的體積分?jǐn)?shù)，則氣體的體積分?jǐn)?shù)aa可表示為：

aa=1-aw。

(6)

只要流場中各處水和氣的體積分?jǐn)?shù)都已知，所有其他水和氣共有的未知量和特征參數(shù)都可用體積分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值來表示。所以在任何給定單元中，這些變量和特征參數(shù)要么代表純水或氣，要么代表兩者的混合。換言之，在一個單元中，水的體積分?jǐn)?shù)會有3種情況，即aw=0,1或(0,1)，分別與充滿氣、充滿水和包含水氣界面3種情況相對應(yīng)。

水氣交界面可通過求解下面的方程確定：

(7)

式中：t為時間，ui和xi分別為沿i方向的速度分量和空間坐標(biāo)分量(i=1,2,3)。

引入VOF后,ρ和μ的具體表達(dá)式是通過體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均值給出。也就是說，ρ和μ是體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，而不是一個常數(shù)，其表達(dá)形式如下：

ρ=awρw+(1-aw)ρa(bǔ)。

(8)

μ=awμw+(1-aw)μa。

(9)

式中：aw為水的體積分?jǐn)?shù)，ρw和ρa(bǔ)分別表示水和氣的密度，μw和μa分別為水和氣的分子黏性系數(shù)。通過對水的體積分?jǐn)?shù)aw的迭代求解，ρ和μ值即可以由式(8)和(9)求出。

2 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

2.1 計算區(qū)域

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閮蓽系姥趸瘻希瑔螠蠈?.5 m，高 7.5 m，有效水深4.24 m，直道長26 m，右側(cè)導(dǎo)流墻半徑為4.75 m，氧化溝中間擋板長26 m。氧化溝的推流轉(zhuǎn)輪由8個葉片組成，每個葉片長1.132 m，高 0.5 m，轉(zhuǎn)輪中心距中心擋板的距離為2.6 m，轉(zhuǎn)輪底層距離水面1.0 m，轉(zhuǎn)輪逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為 29.01 r/min；曝氣轉(zhuǎn)刷為轉(zhuǎn)盤式曝氣轉(zhuǎn)刷，盤片半徑為 1.5 m，盤片數(shù)為19片，盤片間隔為0.5 m，曝氣轉(zhuǎn)盤安裝在氧化溝直道的中間，中心軸高度為 4.74 m，轉(zhuǎn)速為23.89 r/min。兩溝道氧化溝模型尺寸如圖1所示，計算區(qū)域如圖2-(a)、(b)所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

初始計算網(wǎng)格由GAMBIT軟件生成。本研究采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對氧化溝計算區(qū)域如圖2-(a)、(b)的2種工況進(jìn)行模擬。轉(zhuǎn)盤、葉片與整個計算區(qū)域相比厚度很小，為保證劃分網(wǎng)格時的網(wǎng)格質(zhì)量，將轉(zhuǎn)盤和葉片簡化為無厚度的盤片，網(wǎng)格總單元數(shù)為268 875個。2種工況下的網(wǎng)格劃分方法及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基本相同，圖3(a)為增設(shè)彎道導(dǎo)流墻時氧化溝的計算區(qū)域平面網(wǎng)格圖，圖3(b)為三維網(wǎng)格圖。

2.3 邊界條件

曝氣轉(zhuǎn)盤、推流轉(zhuǎn)輪與氧化溝的相對運(yùn)動采用多參考系模型，定義曝氣轉(zhuǎn)盤區(qū)域的轉(zhuǎn)速為23.89 r/min，推流轉(zhuǎn)輪區(qū)域的轉(zhuǎn)速為29.01 r/min，轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)輪均與各自區(qū)域內(nèi)流體在轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)輪半徑范圍內(nèi)建立獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)參考系，相對速度為0，此外的其他流體區(qū)域設(shè)為靜止坐標(biāo)系。導(dǎo)流墻、擋板、廊道壁面及底面設(shè)為墻，頂面設(shè)為壓力出口，相對壓強(qiáng)為0。采用RNGk-ε紊流模型，對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式離散，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法，固體壁面上的邊界條件采用壁面函數(shù)給定，自由水面采用VOF法確定。定義初始條件：液面高度為4.24 m，氧化溝內(nèi)初始流速為0 m/s。計算采用時間步長為0.005 s，計算總時間為300 s，此時殘差曲線均降至10-5以下，認(rèn)為計算收斂。

3 結(jié)果與分析

3.1 流場結(jié)構(gòu)

圖4顯示了水下推動器、曝氣轉(zhuǎn)盤同時運(yùn)行時有無導(dǎo)流墻工況下，距離溝底z=3.270 m和z=3.775 m時水面上的流線圖。

由圖4-(a)、(c)可以看出，不增設(shè)彎道導(dǎo)流墻時，在彎道出口處出現(xiàn)較大的低速區(qū)，形成漩渦，容易造成這一區(qū)域的污泥沉積。這是因?yàn)閺澋赖拇嬖?，使氧化溝?nèi)流態(tài)趨于復(fù)雜，流速分布不均勻，彎道的凹壁使水流方向改變，水流的慣性對凹壁產(chǎn)生沖擊，凹壁對水流施加反力，迫使水流沿墻轉(zhuǎn)向，水流產(chǎn)生的動量變化造成水流速度的重新分布，從而在彎道出口處形成較大的回流區(qū)。由圖4-(b)、(d)可以看出，增設(shè)彎道導(dǎo)流墻后，減少了回水的產(chǎn)生，使回流區(qū)長度明顯減小，流場分布變得更加均勻。這是因?yàn)樵黾訉?dǎo)流墻后，能夠使彎道處溝的寬度變窄，水流的紊流狀態(tài)加劇，削弱了橫向環(huán)流的作用。

3.2 斷面流速分布

為了能夠更加直觀地觀察和分析氧化溝內(nèi)部沿垂向的流速分布，如圖5所示布設(shè)1～5及2′、3′、4′共8個測點(diǎn)，提取其流速來驗(yàn)證增設(shè)彎道導(dǎo)流墻對氧化溝內(nèi)流速的改善作用。表1為測點(diǎn)1～5及2′、3′、4′坐標(biāo)。

本研究在轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速一定時，對比增設(shè)彎道導(dǎo)流墻與不增設(shè)彎道導(dǎo)流墻2種工況下氧化溝內(nèi)流速的變化，提取這2種工況下測點(diǎn)1～5及2′、3′、4′沿垂向的流速分布，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，增設(shè)彎道導(dǎo)流墻后，氧化溝彎道內(nèi)側(cè)的水流流速略有減小，但彎道外側(cè)的水流流速明顯增大，這是因?yàn)樵O(shè)置彎道導(dǎo)流墻能夠使彎道處溝的寬度變窄，水流的紊流狀態(tài)加劇，削弱了橫向環(huán)流的作用，減少了回水的產(chǎn)生，有利于減少固體在隔墻背后的沉淀，這說明導(dǎo)流墻的存在能夠顯著提高氧化溝彎道處的整體流速。由圖6中測點(diǎn)1和2的流速分布圖可知，液流在彎道處存在離心力作用，表現(xiàn)出外側(cè)流速大、內(nèi)側(cè)流速小的特點(diǎn)，而增設(shè)導(dǎo)流墻后，在彎道出口處外側(cè)高速液流流速有所減小，出口內(nèi)側(cè)低速液流流速增大，使得彎道出口處內(nèi)外側(cè)的流速相差不是很大。在水下推動器與曝氣轉(zhuǎn)盤同時作用下，這種流態(tài)不但可以減少能耗,而且減緩了彎道出口內(nèi)側(cè)流速極低的現(xiàn)象, 能有效地防止氧化溝彎道處的污泥沉積。

3.3 氧化溝內(nèi)流速

為防止污泥在氧化溝中淤積，氧化溝活性污泥法污水處理工程技術(shù)規(guī)范[18]要求氧化溝中液流平均流速要大于0.3 m/s。本研究將水下推動器與曝氣轉(zhuǎn)盤同時運(yùn)行時，增設(shè)導(dǎo)流墻與不增設(shè)導(dǎo)流墻2種工況下，整個流體區(qū)域中流速大于0.3 m/s的流體體積與整個區(qū)域流體體積的百分比作為統(tǒng)計分析的一個參變量，得到2種工況下流速大于0.3 m/s的流體體積百分比如圖7所示。

由圖7可以看出，水下推動器與曝氣轉(zhuǎn)盤同時作用下，與不增設(shè)彎道導(dǎo)流墻相比，增設(shè)彎道導(dǎo)流墻對氧化溝內(nèi)流速分布及流場流態(tài)有較大影響，整個溝內(nèi)流速大于0.3 m/s 的流體體積百分比由不增設(shè)彎道導(dǎo)流墻時的40.8%提高至47.6%。因此，導(dǎo)流墻的存在不僅能夠提高局部水流流速，而且能夠顯著提高整個氧化溝內(nèi)的流體流速，有利于降低能耗，減少氧化溝內(nèi)的污泥沉積。

4 結(jié) 論

本研究采用氣-液兩相流模型對氧化溝內(nèi)水下推動器與曝氣轉(zhuǎn)盤同時作用下，增設(shè)彎道導(dǎo)流墻對溝內(nèi)流場及流速的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了有無彎道導(dǎo)流墻這2種工況下氧化溝內(nèi)不同斷面的流場結(jié)構(gòu)及流速分布，結(jié)論如下。

1)增設(shè)彎道導(dǎo)流墻，使彎道出口處回流區(qū)長度明顯減小，流場分布變得更加均勻。同時，導(dǎo)流墻的存在使氧化溝上下層水流流速分布更加均勻，促進(jìn)了溝內(nèi)的水流混合，并使整個溝內(nèi)流速大于0.3 m/s 的流體體積百分比由不增設(shè)彎道導(dǎo)流墻時的40.8%提高至47.6%，顯著提高了氧化溝內(nèi)的流速。

2)彎道導(dǎo)流墻的設(shè)置使得彎道出口處外側(cè)高速液流流速有所減小,內(nèi)側(cè)出口處低速液流流速有所增加,彎道出口處內(nèi)外側(cè)的流速相差不是很大,這種流態(tài)不但可以減少能耗,而且能有效防止彎道處的污泥沉積。

3)數(shù)值模擬是研究氧化溝水力特性的有效方法，模擬結(jié)果對實(shí)際工程中減少氧化溝內(nèi)的污泥沉積、提高氧化溝的污水處理效率具有一定的指導(dǎo)意義。

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Numerical simulation of the influence of bend guide wall on hydraulic characteristics of oxidation ditch

WEI Wen-li，HONG Yun-fei,LIU Yu-ling,CAI Ya-xi

(InstituteofHydraulicEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an，Shaanxi710048,China)

【Objective】 The flow field and velocity distribution after adding guide wall in two channel oxidation ditch with submersible propellers and disk aerator running simultaneously were investigated to improve the flow mixture ability and reduce energy consumption.【Method】 Guide wall was added in the test model on the right side and the gas-liquid two-phase flow equation was solved by numerical simulation.The RNG model was used and the VOF (Volume of fluid) method was applied to track the flow surface.Velocity and pressure coupling equation was solved by the SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)algorithm to simulate the flow field and velocity distribution of the oxidation ditch.【Result】 Adding guiding wall in the two channel oxidation ditch with submersible propellers and disk aerator running simultaneously made the flow field and velocity distribution more uniform.The velocity greater than 0.3 m/s after adding guiding wall in the whole oxidation ditch increased from 40.8% to 47.6%.【Conclusion】 The guide wall not only improved the distribution of flow field and velocity but also improved the velocity of the whole oxidation ditch and reduced the sludge deposit in oxidation ditch with submersible propellers and disk aerator running simultaneously.

oxidation ditch;bend guide wall;hydraulic characteristics;submersible propellers;disk aerator

2014-01-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178391)；陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(106-221223)；中央財政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)資金特色重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(106-00X101)

魏文禮(1965-)，男，陜西大荔人，教授，博士，主要從事環(huán)境水力學(xué)、水污染控制理論與技術(shù)研究。 E-mail:wei_wenli@126.com

時間:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.025

TV131.4

A

1671-9387(2015)07-0228-07

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