導流墻半徑對氧化溝流場影響的三維數(shù)值分析

趙賀芳

(安徽工業(yè)大學工商學院，安徽 馬鞍山 243000)

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導流墻半徑對氧化溝流場影響的三維數(shù)值分析

趙賀芳

(安徽工業(yè)大學工商學院，安徽 馬鞍山 243000)

導流墻是影響氧化溝內流場的一個重要因素。采用標準k-ε模型和多參考系(MRF)模型，對導流墻不同半徑時氧化溝內流速場進行三維數(shù)值模擬。結果表明：導流墻半徑為0.5 m時，氧化溝內流速最大，曝氣機對水流的推動力最大，溝底發(fā)生污泥沉積的可能性最小。

導流墻；氧化溝；多參考系模型；數(shù)值模擬

氧化溝內水力特性能否充分發(fā)揮直接影響整個污水處理系統(tǒng)的水處理效率[1-5]。隨著數(shù)值模擬技術的迅猛發(fā)展，已有很多學者將數(shù)值模擬技術應用到氧化溝流場分析中，例如：張羽、黃衛(wèi)東、勾全增等[6]建立污水-污泥兩相流模型，將表面曝氣機和潛水推流器結合，對比分析氧化溝中的流場；范蘢、徐農、王志強等[7]對帶有倒傘形表面曝氣機氧化溝內的流場進行數(shù)值模擬，并與實驗相對比，得出氧化溝中流速隨著曝氣機速度的增大而增加；陸豪、徐菲[8]對Carrousel氧化溝進行了三維數(shù)值分析，對比模擬了轉子在不同轉速及浸深下的流場。但這些學者并未對氧化溝內導流裝置進行結構優(yōu)化。本文使用三維數(shù)值模擬，以12 kW曝氣機為對象，模擬導流墻半徑大小對氧化溝內的水流影響。

1 數(shù)學模型

假設氧化溝內水體的雷諾數(shù)比較高且流動要素不隨時間的改變而改變，本文采用連續(xù)性方程、動量方程和k-ε[9-10]紊流方程進行求解。對于不可壓縮的三維流體，方程分別為：

(1)

(2)

(3)

湍動能耗散率ε方程：

(4)

方程(1)、(2)、(3)、(4)組成k-ε方程組，其中涉及的常數(shù)取值見表1。

表1 k-ε模型中的常數(shù)取值

2 MRF模型

圖1 MRF模型及相對參考系示意圖

3 物理模型

建立如圖2所示的物理模型。為簡化計算，不計氧化溝出、入流。

圖2 氧化溝平面示意圖

4 數(shù)值方法和邊界條件

采用描述流場的Fluent軟件進行計算。邊界條件設定采用標準的壁面函數(shù)進行模擬，即將氧化溝內所有墻體均作為固體墻壁，而自由液面看成一個剛性的蓋子。求解方程時采用Simplec算法,采用標準格式的壓力項,將二階上風離散格式應用于其它項。

在表面曝氣機采用扭轉角度為30°的機翼型葉片情況下，研究其附近彎道導流墻半徑不同時對氧化溝內流場的影響。彎道導流墻半徑分別為2.5m、2m、1m、0.5m、0五種工況，此時對應的葉片轉速分別為11.85r/min、11.75r/min、11.58r/min、11.55r/min、11.45r/min。

5 計算結果分析

對五種工況的流場均截取相同的九個水平斷面，對比分析其斷面平均流速，結果見圖3。其余條件相同時，五種工況對氧化溝斷面平均流速的影響規(guī)律相似。

圖3 r不同時各斷面流速

圖4 距池底3.5 m斷面的流速矢量正視圖

為了進一步分析氧化溝內的平均流速規(guī)律，以r=0.5 m的工況為例，取其距溝底3.5 m的水平斷面流速矢量正視圖進行分析，結果如圖4所示。

由圖3可以看出:曝氣機附近導流墻半徑r=0.5 m時，氧化溝內水流的平均流速最大，r=2.5 m和r=0時，溝內平均流速幾乎相同且低于r=0.5 m時的流速，其余工況溝內平均流速隨著半徑的增大而逐漸減小，距池底2.5 m至3.5 m這段區(qū)域的水流平均流速增幅較大。由圖2可知:此處的水流靠近曝氣機，在曝氣機的高速旋轉下導致這部分水流速度的增加比較明顯。從圖4可以看出：由于葉片的高速旋轉，導致靠近曝氣機中心處的流體在葉片的帶動下從下往上流動，而曝氣機周圍的流體均向下流動。

一般情況下，氧化溝溝底的斷面平均流速大于0.1 m/s、溝內平均流速大于0.25 m/s時才能保證溝內的活性污泥始終懸浮。由圖3可見：在五種工況下，只有溝底局部區(qū)域流速較小，可能會導致污泥的沉積，影響污水的處理效率。因此，本文分別選取五種工況距溝底0.1 m處的速度矢量圖、湍流動能等值線圖(以下簡稱等值線圖)及速度云圖進行對比分析,從而得出可能發(fā)生污泥沉積的區(qū)域，選出最優(yōu)的工況，為氧化溝的優(yōu)化設計提供一定理論基礎。

r=2.5 m時速度矢量圖、等值線圖及速度云圖見圖5、圖6、圖7。

圖5 速度矢量圖

圖6 k等值線圖

圖7 速度云圖

r=2 m時速度矢量圖、等值線圖、速度云圖見圖8、圖9、圖10。

圖8 速度矢量圖

圖9 k等值線圖

圖10 速度云圖

r=1 m時速度矢量圖、等值線圖、速度云圖見圖11、圖12、圖13。

圖11 速度矢量圖

圖12 k等值線圖

圖13 速度云圖

r=0.5 m時速度矢量圖、k等值線圖、速度云圖見圖14、圖15、圖16。

圖14 速度矢量圖

圖15 k等值線圖

圖16 速度云圖

r=0時速度矢量圖、等值線圖、速度云圖見圖17、圖18、圖19。

圖17 速度矢量圖

圖18 k等值線圖

圖19 速度云圖

由速度矢量圖圖5、圖8、圖11、圖14、圖17可知：曝氣機附近導流墻半徑r=0.5 m時對應的流速較大，其余工況距池底0.1 m截面上的流速隨著導流墻半徑的減小而依次增大。

為確保溝內活性污泥的均勻混合、并保持懸浮狀態(tài)，采用k等值線圖對五種工況的流場進行分析。由k等值線圖圖6、圖9、圖12、圖15、圖18可知：距離曝氣機越遠，k的等值線越稀疏。當r=0.5 m時，氧化溝中k的分布面積最廣，其余工況隨著導流墻半徑的減小k的分布面積依次增大。說明r=0.5 m時曝氣機對溝內水體的混合程度最好，其余工況隨著導流墻半徑的減小混合程度也逐步增大。

由速度云圖圖7、圖10、圖13、圖16、圖19可知：曝氣機附近導流墻半徑r=0.5 m時距溝底0.1 m截面上由深藍色表示的低速區(qū)域面積最小，其余工況隨著導流墻半徑的減小低速區(qū)域面積逐步縮小。這說明r=0.5 m時氧化溝溝底活性污泥沉積的可能性最低，其余工況溝底發(fā)生污泥沉積的可能性逐步降低。由此可知：在模擬的五種工況下，曝氣機附近導流墻半徑r=0.5 m時，氧化溝內污水處理效率最好，為最優(yōu)工況。

為了進一步討論五種工況下溝底產生污泥沉積的可能性，本文對五種工況的流場均選取氧化溝中心位置距池底0.1 m處，導流墻兩側(圖2a中Y軸的正、負方向)的水流速度進行對比分析，如圖20所示。圖20a為Y軸正方向的斷面平均流速，圖20b為Y軸負方向斷面平均流速。

圖20 氧化溝中心位置距池底0.1 m處，導流墻兩側的流速

由圖20可知：靠近曝氣機的導流墻半徑r=0.5 m時溝內導流墻兩側的流速均最大。其余工況溝內導流墻兩側的流速隨著r的增大而減小，溝內發(fā)生污泥沉積的可能性大小順序是：r=2.5 m、r=2 m、r=1 m、r=0、r=0.5 m。

本文模擬的氧化溝中，靠近曝氣機的導流墻半徑r=0.5 m時，曝氣機對溝內水體的推動力最大，溝底發(fā)生污泥沉積的可能性最小，其余工況隨著導流墻半徑的增大，曝氣機對水體的推動力逐漸減小，溝底發(fā)生污泥沉積的可能性依次增大。

綜合對比圖14、圖15、圖16、圖20可知：靠近曝氣機的導流墻半徑r=0.5 m時，氧化溝內水體的流速分布最均勻，對水體的混合程度最好，得出的流場也最符合工程實際。

6 結論

本文選取扭轉角度為30°機翼型葉片的表面曝氣機，對曝氣機附近的導流墻半徑變化時的流場進行三維數(shù)值模擬，結果表明：導流墻半徑為0.5 m時，氧化溝內水體的流速最大，此時曝氣機對氧化溝內水體的推動力最大，污泥沉積的可能性最小。

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3-D numerical analysis on influence of guide wall radius on flow in oxidation ditch

ZHAO He-fang

(Industrial&CommercialCollege,AnhuiUniversityofTechnology,Maanshan243000,China)

Guide wall is an important factor affecting the oxidation ditch flow field. This paper adopts standard model ofk-εand MRF to deal with flows in oxidation ditch with different radius of guide walls through three-dimensional numerical simulation. The results show that the flow velocity in oxidation ditches and the aerator’s impetus reach the maximum. Meanwhile, the chance of sludge deposit comes to the minimum when the radius of guide wall is 0.5m.

guide wall; oxidation ditch; MRF model; numerical simulation

2015-01-20

趙賀芳(1985-)，女，安徽宿州人，碩士，助教。

1674-7046(2015)02-0059-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.013

TV31

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