流量變化對機(jī)械絮凝池絮凝效果的流場模擬分析

范文飆 曹磊　楊旭

摘 要：文章對機(jī)械絮凝池內(nèi)進(jìn)水流量分別為1.5m3/h和3.0m3/h情況下的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同水力學(xué)條件下絮凝池的流體變化及流場分布情況。針對不同流量下流速、湍動能的變化規(guī)律導(dǎo)致絮凝反應(yīng)過程中質(zhì)量變化和能量交換的相應(yīng)變化，探索進(jìn)水流量的合理變化范圍以及相應(yīng)的最佳攪拌強(qiáng)度，進(jìn)而優(yōu)化此區(qū)域的流態(tài)來改變流速及湍動能，進(jìn)而改善絮體顆粒間的碰撞和凝聚作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械絮凝；流場；擋板；fluent模擬

絮凝池的形狀、容積及流量變化是導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)生改變的直接原因[1，2]，這些參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，會降低絮體顆粒的碰撞幾率，阻礙絮體的形成，甚至導(dǎo)致絮體的破碎[3，4]。針對絮凝反應(yīng)池中不同流量的變化規(guī)律以及對絮凝反應(yīng)過程的影響，通過CFD工具Fluent軟件進(jìn)行三維流場的模擬計(jì)算，對復(fù)雜的絮凝反應(yīng)過程進(jìn)行量化描述和科學(xué)闡述，為絮凝工藝優(yōu)化提供簡單、高效的研究方法。

1 流場模擬方案方法

1.1 機(jī)械絮凝池模型

機(jī)械絮凝池裝置設(shè)計(jì)為三級，每級反應(yīng)池的尺寸為：長×寬×高=500mm×500mm×750mm，設(shè)計(jì)有效水深為600mm。絮凝池設(shè)有一個進(jìn)水口一個出水口，由前端底部進(jìn)水，后端頂部出水。平面尺寸如圖1所示。

根據(jù)《給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，絮凝階段，平均G值一般在20～70s-1，根據(jù)絮凝反應(yīng)的特點(diǎn)，從第一級至第三級逐級遞減。因此，機(jī)械絮凝池的三級攪拌槳的轉(zhuǎn)速分別為：第一級攪拌槳：n1=27rpm，G1=69s-1；第二級攪拌槳：n2=18pm，G2=43s-1；第三級攪拌槳：n3=12rpm，G3=22s-1。

1.2 模擬方案

通過改變絮凝池的進(jìn)水流量，相應(yīng)地改變水力停留時間，流量增大停留時間縮短，反之亦然。分別取流量為1.5m3/h和3.0m3/h對不同進(jìn)水流量的機(jī)械絮凝池完成數(shù)值模擬。

1.3 模擬條件

本研究利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 12.0進(jìn)行模擬計(jì)算，反應(yīng)池進(jìn)水口采用均勻水流速度條件，出水口設(shè)為自由出流。對于攪拌槳葉與池壁之間的相互作用，采用多重參考系法（MRF），槳葉及其附近區(qū)域的流體域定義為運(yùn)動區(qū)域隨槳葉一起轉(zhuǎn)動，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系， 其他區(qū)域定義為靜止坐標(biāo)系，壁面、攪拌軸和攪拌槳設(shè)置為固體壁面，界面采用無滑移固壁條件。

2 模擬結(jié)果與分析

針對流量分別為1.5m3/h、3.0m3/h時絮凝池中豎直平面的速度場變化圖分析如下：

圖2和圖3所示的絮凝池速度場變化圖，流量分別為1.5m3/h和3.0m3/h。圖2和圖3的速度場云圖分布區(qū)間基本一致。從圖中可知：當(dāng)水流量發(fā)生變化時，絮凝池中整體的流速分布狀態(tài)變化不大，攪拌槳附近的流場變化情況受流量波動的影響很小，在絮凝池中只增加了局部區(qū)域的水平方向流速。

表1為進(jìn)水流量分別為1.5m3/h和3.0m3/h時的湍動能k及湍動耗散率ε的變化規(guī)律。從表中可以看出，當(dāng)進(jìn)水流量增加時，絮凝池進(jìn)水口的湍動能k及湍動耗散率ε隨之增大，遠(yuǎn)離進(jìn)水口處的區(qū)域湍動能k及湍動耗散率ε的變化不大。這表明，在絮凝反應(yīng)過程中攪拌槳的攪拌作用是提供湍動能的主要動因，同時，水力停留時間不能太短，以確保絮凝效果。

表1 不同進(jìn)水流量對絮凝池內(nèi)平均湍動能、湍動的影響

隨著絮凝池進(jìn)水流量的增加，在絮凝池進(jìn)水口處湍動能及湍動耗散率有增加趨勢，在絮凝池的第一級內(nèi)平均湍動能及湍動耗散率略有增加，在絮凝池的第二、三級反應(yīng)池內(nèi)平均湍動能及湍動耗散率未發(fā)生明顯變化。由此可見，絮凝時間和機(jī)械槳的攪拌作用是影響絮凝效果的關(guān)鍵。如果機(jī)械絮凝池內(nèi)流量太大，停留時間過短，攪拌槳水流的攪拌作用不充分，絮體形態(tài)不完整，絮凝效果差。因此適當(dāng)降低進(jìn)水流量，相應(yīng)延長水力停留時間，有助于絮凝效果的提高，絮凝反應(yīng)更充分。

3 結(jié)束語

絮凝池中平均瑞動能、耗散率受進(jìn)水流量的變化影響較小，適當(dāng)降低進(jìn)水量，相應(yīng)延長水力停留時間，使攪拌槳的攪拌作用更充分，有助于絮凝池內(nèi)湍動能和湍動耗散率的提高，絮體顆粒的碰撞幾率增大，絮凝效果提高。

參考文獻(xiàn)

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