異向流斜管沉淀池水力特性研究

崔曉峰，于永海

(河海大學水利水電學院，南京 210098)

斜管沉淀池是根據(jù)Hazen在20世紀初提出的淺池理論設計出來的[1]，在沉淀池沉淀區(qū)放置斜管可減少沉淀池的占地面積或者增大其處理能力，提高了水力條件，使其表面負荷得到了有效的提高。按照水流和顆粒流動的相對方向，工程中常用的斜管沉淀池通常分為同向流、異向流和橫向流3種類型。目前大多是異向流斜管沉淀池。

斜管沉淀池來水方式有2種，一種是泵站提水方式，另一種是自流供水方式。對自流供水方式而言，由于沉淀池建在河床中，就要求沉淀池水頭損失盡可能的小，以降低來流水位要求、減小沉淀池壁墻高度，因此在沉淀池設計時有必要比較準確地確定水頭損失。斜管沉淀池的水頭損失計算中有些布置形式特殊，例如沉淀池進水廊道與配水區(qū)之間的穿孔墻，這種形式在現(xiàn)有的設計手冊上沒有類似的可供計算水頭損失的公式和系數(shù)，使設計者取值困難。設計時大多采用經(jīng)驗估值，誤差較大。因此考慮使用數(shù)值模擬的方法確定沉淀池的水頭損失大小。

目前已有一些有關沉淀池數(shù)值模擬的研究成果，何國建[2]等建立了模擬平流式沉淀池中懸浮物的沉降過程的模型，利用FLUENT軟件標準k-ε湍流模型，模擬沉淀池內(nèi)水流和懸浮物運動情況。曹月波[3]建立了以高雷諾數(shù)k-ε封閉模型為基礎的三維兩相流模型，驗證了三維數(shù)值模擬求解的可靠性。張宏媛[4]在豎流式沉淀池的基礎上加設斜板構成改良斜板式沉淀池，利用FLUENT商業(yè)軟件模擬確定了改良斜板沉淀池最優(yōu)化的結構參數(shù)?？梢奆LUENT軟件用于沉淀池模擬是可行的，本文也以FLUENT軟件作為數(shù)值模擬平臺，并與實際運行結果相對比來驗證數(shù)值模擬的可行性。

1 工程簡介

圖1是江蘇省某個異向流斜管沉淀池的工作原理圖，水流經(jīng)進水管道進入進水廊道后再流經(jīng)穿墻孔(詳細布置見圖2)進入配水區(qū)向上流動經(jīng)斜管沉淀后的清水流出沉淀池。該沉淀池是河道水環(huán)境整治工程的一部分，位于河道首部，常年引入渾濁的河水，排去泥沙后流入縣城河道，以改善縣城水景觀。該沉淀池設計總處理能力為8萬m3/d，分4個尺寸相同的處理池。沉淀池出水側水位是依據(jù)縣城河道水景觀要求確定的，加上沉淀池水頭損失，就可得到進水水源河道水位。若計算的水頭損失與實際值偏差過大，則定出的進水管中心線高程較高，使得進水河道運行水位偏高，會導致淹沒進水河道沿線一些已有的生活、工廠的排污口，對生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

圖1 異向流斜管沉淀池工作原理圖Fig.1 Principle diagram of the tube settler

圖2 沉淀池穿墻孔布置圖(單位：mm)Fig.2 Layout of the holes in the wall

2 數(shù)學模型及其邊界條件

2.1 沉淀池幾何尺寸及Gambit建模

斜管沉淀池數(shù)學模型尺寸與實際尺寸一致，并選擇該沉淀池穩(wěn)態(tài)運行后的常規(guī)工況作為模型建立計算的基本參數(shù)。

由于斜管區(qū)流速低，雷諾數(shù)小，水流于斜管區(qū)的流動大都是層流運動，水頭損失很小，而且斜管間距小，不利于網(wǎng)格的劃分。本文沒有對斜管區(qū)進行具體模擬[5]，設定斜管間間距為L=0.1 m，雖然不能體現(xiàn)真實斜管的沉淀效果，但是可以體現(xiàn)出對水流運動方向的作用。

在Gambit界面完成三維建模后，對模型進行網(wǎng)格劃分，沉淀池模型采用結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分(如圖3)。在FLUENT計算完后還要進行網(wǎng)格獨立性檢驗，當計算結果不再隨網(wǎng)格密度變化而變化時，則證明網(wǎng)格獨立。最終網(wǎng)格數(shù)為1 015 116個。

圖3 沉淀池計算網(wǎng)格劃分(單位：mm)Fig.3 Mesh generation of the tube settler

2.2 計算方法與邊界條件

本文選用標準k-ε湍流模型，采用二階迎風格式；選用壓強速度耦合算法中的SIMPLEC算法；判斷收斂的基本參數(shù)：連續(xù)性、速度各分量、k、ε的殘差都設為0.000 1。

當懸浮顆粒濃度很低時，固體對液體的影響很小，而且本文著重研究沉淀池的水頭損失，因此固體顆?？梢院雎訹6]。在對沉淀池流場進行分析時可采用單相流模型，節(jié)省了計算時間。

邊界條件的確定：①入口邊界：選擇速度入口(velocity-inlet)，假定流速均勻分布。單池處理為2萬m3/d，進水管直徑為500 mm，因此入口速度給定1.18 m/s。同時，將管道長度延長至管徑的20倍，這樣就可以在迭代過程中使得流速分布符合實際管道流速分布。②出口邊界：采用自由出流outflow。③固體壁面邊界條件：規(guī)定無滑移邊界條件。④自由面邊界：在計算水流時，自由水面采用剛蓋假定。

3 求解結果

3.1 流態(tài)與流速分布

斜管沉淀池的水頭損失大小與水流流動的狀態(tài)有密切的關系。流體經(jīng)局部阻礙時，如流體通過進口管道流入進水廊道，流體經(jīng)過穿墻孔進入配水區(qū)，由于局部邊界急劇改變導致水流流態(tài)改變、流速分布改變并產(chǎn)生旋渦區(qū)從而造成水頭損失。因此分析沉淀池內(nèi)的水流流態(tài)與流速很重要。

該模型的坐標原點(0,0,0)處于進水廊道的內(nèi)部幾何中心，為分析流場的流態(tài)，在分別沿x=0 m，y=-1.55 m，z=4.4 m進行剖切，得到三個剖面。圖4、圖5、圖6分別為3個剖切面上的速度矢量圖。

圖4 進口截面速度矢量圖Fig.4 The velocity vector of inlet cross section

圖5 y方向截面速度矢量圖Fig.5 The velocity vector of the cross section with y direction

圖6 z方向截面速度矢量圖Fig.6 The velocity vector of the cross section with z direction

從圖4進口截面的速度矢量圖中可以看出，進水管的管道出口流速很大，進入進水廊道后碰撞廊道內(nèi)流速較低的流體，產(chǎn)生碰撞損失。另外，進水管的淹沒深度不深，管道出口處形成一股射流，這股射流進入進水廊道時，由于湍流脈動，射流與靜止流體相摻混，周圍流體被射流流體夾帶，造成卷吸現(xiàn)象，形成了一個大漩渦。旋渦的產(chǎn)生使進水廊道內(nèi)水流流態(tài)不夠順暢，增加了水流的能量損失。

水流進入配水區(qū)，如果湍動劇烈，那么泥沙在池內(nèi)運移的距離大，不利于泥沙的沉降。因此在進水廊道與配水區(qū)間設置穿孔墻后，可以對水流流態(tài)進行調(diào)整，使流速分布更加均勻，更有利于泥沙的沉降。如圖5、圖6所示，在整個沉淀池內(nèi)，入口處速度值達到1.18 m/s，穿墻孔處流速大約0.3 m/s，經(jīng)過穿孔墻后，配水區(qū)內(nèi)的流速值整體降至約0.04 m/s，比較利于沉降。

從速度矢量圖中可以看出，水流過穿墻孔并以較大速度進入配水區(qū)中，流體的加速減速過程中，流體質點碰撞、速度分布變化等都要造成能量損失。同時，盡管配水區(qū)內(nèi)流體流速很低，但由速度矢量圖可以看到存在多個流速幾乎為零的渦流區(qū)，主要存在于穿墻孔出口、沉淀池池體中部，所有的漩渦都要消耗能量，造成水頭損失，而且對沉淀效果也會造成不利影響。

3.2 水頭損失的計算

在FLUENT中存在總壓、靜壓和壓力3個概念[7,8]，分別用p0、ps、p′s來表示，單位都是帕(Pa)。三者之間關系按下式定義(對不可壓流動)：

p0=ps+ρ|v|2

(1)

ps=p′s+ρ0gz

(2)

式中：z為壓力測點處幾何高程值；v為流動速度。

可以看FLUENT表示的靜壓已經(jīng)算上了位置水頭，實際為測壓管水位。圖7為沉淀池的總壓云圖。從總壓分布圖上 看在沉淀區(qū)域內(nèi)壓強分布較為均勻。但在進水廊道內(nèi)壓強分布為兩邊高中間低，是由于流速分布不均造成的。

圖7 沉淀池的總壓云圖Fig.7 Distribution of total pressure in the tube settler

在實際測量過程中，分別測得進水廊道水面水位以及清水區(qū)水面水位，將兩個水位相減并加上計算的進水管道淹沒出流水頭損失得到進水管出口斷面至清水區(qū)水面之間的水頭損失即沉淀池的水頭損失。通過模擬得到的進出口總壓采用伯努利方程可計算出斜管沉淀池的水頭損失為0.089 m，與實測大小0.08 m接近。并且依據(jù)數(shù)值模擬得到流速分布和壓強分布，得出進水管口末端淹沒出流的水頭損失較大，其次是水流從進水廊道通過穿墻孔進入配水區(qū)造成的水頭損失。為了驗證模型的有效性，將流量改為設計流量的一半模擬得到水頭損失為0.021 2 m，同樣與實際測量結果0.02 m接近。

4 結 語

本文以建在河床中的異向流斜管沉淀池為研究對象，對其三維水流流場進行數(shù)值模擬，得到了水流的流態(tài)和流速、壓強分布，計算得到了沉淀池的水頭損失，計算值與實測值比較吻合，采用數(shù)值模擬方法確定異向流斜管沉淀池的水頭損失是可行的。分析了影響池內(nèi)水頭損失的因素，可知一般情況下進水管淹沒出流水頭損失在整個沉淀池水頭損失的占比是比較大的，因此減小進水管出口流速可以較為顯著地減小沉淀池的水頭損失，對優(yōu)化該型沉淀池的水力設計提供了有益的參考。

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[1] 高廷耀, 顧國維. 水污染控制工程(第二版)下冊[M]. 北京:高等教育出版社, 2001.

[2] 何國建, 汪德爟. 矩形沉淀池內(nèi)懸浮物沉降模擬[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2005,45(12):1 617-1 620.

[3] 王曉玲, 曹月波, 張明星. 輻流式沉淀池固液兩相流三維數(shù)值模擬[J]. 工程力學, 2009,26(6):243-249.

[4] 張宏媛. 改良斜板沉淀池液固兩相流模擬及分離性能實驗研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2011.

[5] 方小桃. 給水處理廠中高密度沉淀池沉淀區(qū)流態(tài)模擬及設計優(yōu)化研究[D]. 重慶：重慶交通大學, 2010.

[6] 張 翔. 雙向流斜板沉淀池理論分析及數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2011.

[7] 王福軍. 計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2004.

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