新型翼片式斜板沉淀池的數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

陶　赟　繆昊君　許金天　劉　琦（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

高新技術(shù)

新型翼片式斜板沉淀池的數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

陶赟繆昊君許金天劉琦
（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

本文介紹了一種新型的翼片式斜板沉淀池的工作狀態(tài)，使用固液兩相流方法通過Fluent模擬，并設(shè)置含沙量為變量，模擬了在含沙量80kg/m3和140kg/m3時(shí)沉淀池中泥沙濃度隨時(shí)間的變化，結(jié)果 表明含沙量較小時(shí)有更好的泥沙去除效率。并觀測(cè)了速度模擬結(jié)果，其表明泥沙在翼片間呈環(huán)流，泥水在斜板末端呈異向流分離。

翼片式斜板；Fluent模擬；橫向環(huán)流

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，70年代后主要是斜管、斜板及復(fù)合型沉淀池，但是去除效率低。2006年之后執(zhí)行的《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》1 級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)中的濁度（SS）由原來的30mg/L提高到10mg/L，其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高。因此，對(duì)傳統(tǒng)沉淀工藝的技術(shù)改良，提高沉淀效率迫在眉睫。為了研究顆粒物在斜板內(nèi)的沉降過程及沉淀池的沉淀效率，本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法加以驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 物理模型

本試驗(yàn)裝置由斜板和翼片構(gòu)成，其中斜板豎向排布，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括沉淀池長(zhǎng)a、沉淀池寬b、沉淀池高c、兩斜板之間間距d、上斜板與墻面距離e，斜板的長(zhǎng)度g、斜板的寬度h，斜板與X方向的傾角α、斜板與Y方向的傾角β。本試驗(yàn)裝置采用上層進(jìn)水，下層出水的方式，實(shí)體裝置底端還將增加一個(gè)排泥斗。

圖1　

圖2表示翼片式斜板的工作原理。廢水從兩斜板之間的間隙流入，經(jīng)過翼片作用后流入下一組斜板，翼片與斜板之間是主流區(qū)，從主流區(qū)進(jìn)入翼片口為渦流區(qū)，翼片內(nèi)為環(huán)流區(qū)。環(huán)流區(qū)流速緩慢，接近于層流狀態(tài)，有利于顆粒沉降，而且絮凝體顆粒在環(huán)流離心力的作用下也會(huì)邊沉降邊甩向翼片和斜板。另一方面，由于渦流區(qū)的存在，渦流中的絮凝顆粒旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，部分被前面翼片阻擋在環(huán)流區(qū)，其余被后面翼片擋入環(huán)流區(qū)沉降。

圖2

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

沉淀池的原理是利用固體顆粒的自然沉降達(dá)到去除效果，本試驗(yàn)采用液固兩相流模型。因兩相流的流動(dòng)現(xiàn)象復(fù)雜，影響因素多樣，主要通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)處理三方面研究?jī)上嗔鳌Ｕn題分別采用軟件Gambit和Fluent兩款軟件建立物理模型和分析模型。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)計(jì)模擬水量0.5L/min，斜板長(zhǎng)g=105cm，寬h=42cm，斜板與X方向的傾角α=30°，斜板與Y方向的傾角β=60°，兩斜板之間間距d=9.5cm，上斜板與墻面距離e=2.5cm。

顆粒粒徑小于0.05mm的占88.7%，小于0.01mm的占38.3%，小于0.0053mm的占14.3%，小于0.0015mm的占7.3%。由Table 1所示，中值粒徑D50=0.025mm。

模擬實(shí)驗(yàn)分為兩組，以含沙量為變量，分別為80kg/m3和140kg/m3，對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)分別為5.0%和8.3%。

圖3

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 濃度變化

進(jìn)出水口及斜板底邊濃度隨時(shí)間變化：

根據(jù)圖4，圖5數(shù)據(jù)表示，泥沙不會(huì)在斜板處淤積。底部的濃度數(shù)據(jù)變化顯示，砂體積分?jǐn)?shù)越大，沉降速率越快，但當(dāng)體積分?jǐn)?shù)5%時(shí)，沉降濃度與初始濃度比值1.26，而8.3%時(shí)比值只有1.125，有所下降。

2.2 速度分析

待沉淀池模型流態(tài)穩(wěn)定后：

圖4

圖5

根據(jù)圖6，圖7，得到5%砂體積分?jǐn)?shù)下的x與y方向泥沙速度矢量圖，其中可以看出泥沙顆粒在沿斜板流動(dòng)的過程中，Vx max=0.0384m/s，Vy max=0.10m/s。x方向上的最大流速產(chǎn)生于主流區(qū)（層流區(qū)），而y方向上則產(chǎn)生于湍流區(qū)。這表明清水流帶著泥沙大致沿斜板均勻向下流動(dòng)，同時(shí)在翼片間形成向下流動(dòng)的橫向環(huán)流，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到斜板末端時(shí)，清水流高速逆向折入下層斜板，泥沙滑落至泥沙通道做垂直向下運(yùn)動(dòng)，形成順時(shí)針垂向異重流。

圖8，圖9表示了砂體積分?jǐn)?shù)為8% 時(shí)x與y方向的泥沙流速。與5%的時(shí)候相比，泥沙因受重力影響，流速更快，Vx max=0.029m/s，Vy max=0.96m/s。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文通過分析沉淀工藝的基本理論，提出一種新的沉淀池池型，即在斜板沉淀池的基礎(chǔ)上加設(shè)翼片構(gòu)成新型翼片式斜板沉淀池。

（1）該池型充分利用了斜板的“淺層沉淀”特性，并運(yùn)用了渦流的特性，去除效率有所提高。利用 Fluent 商業(yè)軟件對(duì)新型翼片式斜板沉淀池進(jìn)行液固兩相流數(shù)值模擬，采用固液二相流模型，得到與數(shù)值模擬一致的結(jié)果。

（2）實(shí)驗(yàn)以含沙量為變量，比較了不同含砂量條件下的沉淀情況，直觀地分析斜板沉淀池內(nèi)的沉淀規(guī)律，相較于普通的斜板沉淀池，新型翼片式斜板沉淀池加快了顆粒物的沉降，縮短了沉降路徑。

（3）限于自己對(duì)二相流和湍流的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，混合液中顆粒受力復(fù)雜，模擬過程中部分參數(shù)設(shè)定有待進(jìn)一步研究。

圖6 x方向泥沙流速

圖7 y方向泥沙流速

圖8 x方向泥沙流速

圖9 y方向泥沙流速

[1]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]秦麗華.沉淀工藝的研究進(jìn)展[J].山西建筑，36（14）.

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