旋流式沉沙池的數(shù)值模擬計(jì)算

易玉林

(湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院， 長沙　410007)

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旋流式沉沙池的數(shù)值模擬計(jì)算

易玉林

(湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院， 長沙410007)

摘要：沉沙池是用來去除水中所含沙顆粒達(dá)到水質(zhì)凈化的裝置。旋流式沉沙池是一種新型的沉沙池，為探究這種沉沙池水流及沙顆粒在其中的運(yùn)動(dòng)狀況，采用Fluent軟件模擬分析，計(jì)算得出水流在池中的流速分布特性，揭示了旋流沉沙池中水流及沙顆粒的流場分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬可作為沉沙池運(yùn)動(dòng)場分析的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：旋流式沉沙池；水質(zhì)凈化；數(shù)值模擬；流場分布

生活中水質(zhì)的好壞影響到人民的健康問題，在工業(yè)用水中產(chǎn)生的含沙廢水污染會(huì)造成環(huán)境中的水生態(tài)破壞，在農(nóng)業(yè)用水中含沙水會(huì)使農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，使農(nóng)作物產(chǎn)量下降[1-3]。從最初的自來水廠用沉淀池作為水質(zhì)凈化的初步流程，再到工業(yè)上引入有機(jī)械動(dòng)力裝置的沉砂池來處理污水，進(jìn)而到現(xiàn)代農(nóng)田灌溉時(shí)為除去水中所含沙粒在水渠上建造沉沙池沉降沙粒，沉沙池在水質(zhì)凈化過程中發(fā)揮著重要的作用[4-6]。隨著近年來計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的不斷發(fā)展，泥沙科學(xué)在基礎(chǔ)理論方面及實(shí)踐應(yīng)用中取得了不斷進(jìn)步。農(nóng)田灌溉過程中，灌溉水所含沙粒的來源有兩方面：一是渠道中的水流對(duì)水渠的沖刷使水渠表面的細(xì)砂混入水中；二是引水源本身就含有泥沙。平流式沉沙池是農(nóng)業(yè)灌溉輸水除去沙粒的一種方式。平流式沉沙池是利用過流斷面大，流速小，水流挾沙能力低的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)沙粒的沉降。當(dāng)水流流速慢，水中含沙粒徑大時(shí)，這類沉沙池的沙粒沉降效率高，同時(shí)水流流速慢也影響到水流的流量，降低了灌溉效率[7-10]。通過前人研究分析對(duì)比，旋流沉沙池因水流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的作用，其沉沙效率高于平流式沉沙池。本研究的意義在于研究渠系旋流式沉沙池處理含沙水的流場問題，旋流式沉沙池沉降沙粒除了靠沙粒的自重外還有離心運(yùn)動(dòng)的作用，通過模擬試驗(yàn)得出水流在池中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及沙顆粒的沉降規(guī)律。

由于沉沙池中固液兩相流的內(nèi)部流場比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的流體力學(xué)理論計(jì)算方式難已解決池中液體及固體的流動(dòng)狀態(tài)。Fluent軟件是由美國開發(fā)的一款模擬計(jì)算流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算軟件，可模擬出固液兩相混合流動(dòng)。為探究沙粒在旋流沉沙中的運(yùn)動(dòng)情況，本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)旋流式沉沙池進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1旋流式沉沙池原理

液體在一個(gè)圓形池中，在外力攪動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，池中央會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋渦。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力作用，液體中比重大的物質(zhì)會(huì)聚集在池中央，這也是旋流式沉沙池沉沙效率高于平流式沉沙池的原因。依靠機(jī)械攪動(dòng)的旋流沉沙池固然提高了沉沙效率但也需消耗大量動(dòng)能，因此本研究在結(jié)合相關(guān)旋流沉沙池研究的基礎(chǔ)上，提出了一種無動(dòng)力裝置的旋流沉沙池。無動(dòng)力裝置沉沙池的旋轉(zhuǎn)原理是利用水流自身的動(dòng)能，水流沿池壁切線方向流進(jìn)，并沿切線方向流出時(shí)，水流會(huì)在池中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(1)

Tc =H/ω

(2)

同時(shí)，設(shè)引水流量為Q (m3/s)， 沉沙池的處理水量為V=1/4πd2H。沉沙池體積一定，當(dāng)水流量發(fā)生變化時(shí)，沙粒及水流在沉沙池中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相應(yīng)改變。一般情況下，農(nóng)業(yè)灌溉用沉沙池占地面積為0.5~1 m2。本研究對(duì)半徑為0.5 m的沉沙池進(jìn)行仿真模擬分析。數(shù)值模擬仿真研究具有簡易、迅速、便捷的特點(diǎn)，通過數(shù)值仿真試驗(yàn)可指導(dǎo)后續(xù)的模擬試驗(yàn)研究，對(duì)流體類的計(jì)算分析具有重要的作用。

1.1旋流式沉沙池的仿真模擬

首先用Gambit軟件繪制出沉沙池模型圖，模型尺寸為池底半徑為0.5 m，池深0.8 m，圓柱形狀。水流沿池壁上部邊緣切線方向流進(jìn)和流出。將建好的三維圖劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是流體計(jì)算的一個(gè)方程，因此網(wǎng)格的精確度影響到水力計(jì)算結(jié)果。本次模擬計(jì)算網(wǎng)格的劃分參照文獻(xiàn)[7]，圖1 是Gambit軟件生成的沉沙池模型網(wǎng)格圖，共劃分21 106個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)以歐拉運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1　模型網(wǎng)格劃分圖

1.2模型的計(jì)算方式

歐拉運(yùn)動(dòng)方程公式：

(3)

(4)

式(3)是根據(jù)水體X方向的連續(xù)性偏微分方程，式(4)是流體質(zhì)點(diǎn)的各個(gè)方向的加速度方程。

本次模擬計(jì)算劃分好網(wǎng)格，選定計(jì)算方程，以固液兩相流的方式進(jìn)行求解計(jì)算。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的固體粒徑假定為連續(xù)相介質(zhì)，當(dāng)水流速度為1 m/s，含沙率為10 g/L，運(yùn)用Fluent軟件迭代計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)，停止迭代，顯示計(jì)算結(jié)果圖。

2結(jié)果與分析

2.1水流在沉沙池中的流動(dòng)分析

Fluent計(jì)算過程中殘差是每一個(gè)計(jì)算單元和每一個(gè)計(jì)算面的通量之和，當(dāng)收斂后，理論上當(dāng)單元體內(nèi)沒有源相時(shí)，各個(gè)面流入的通量也就是對(duì)物理量的輸運(yùn)之和應(yīng)該為0，最大殘差或者RSM殘差反映流場與所要模擬流場的差距，殘差越小越好。將計(jì)算模型迭代次數(shù)設(shè)置為1 000次，經(jīng)450次迭代計(jì)算后，結(jié)果收斂，其殘差曲線見圖2。

圖2　經(jīng)450次迭代計(jì)算后殘差曲線

通過Fluent軟件分析出水流在池中的流態(tài)圖，可以看出水流在沿池壁切線方向進(jìn)入沉沙池可以形成一個(gè)旋渦。根據(jù)計(jì)算流場中的三維圖，模擬了池中上、中、下3個(gè)層面的水流速度(圖3、4、5)。圖中速度以顏色表示，紅色代表水流速度快，藍(lán)色表示水流速度慢。流速分布圖左邊數(shù)值即為水流速度(單位m/s)。

從圖3、4、5三個(gè)不同層面的流速分布圖可知，水流在進(jìn)入沉沙池后均在入池口處的流速較大，然后開始沿沉沙池做圓周運(yùn)動(dòng)。渦流的形成是由于水流沿切線方向進(jìn)入水池時(shí)撞擊池壁，受到池壁的阻擋作用和水流前進(jìn)的水壓力使流體形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。水流在池中形成旋渦后，流速變慢，當(dāng)流體是恒定常流時(shí)，水流的流速與流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。圖3中水流進(jìn)池口附近流線密集，表示水流在該處有明顯的流動(dòng)跡線。出水口處流線稀疏，水流從入池口流出流態(tài)明顯，流至出水口后水流大部分從出池口流出，因而水流流過出口流動(dòng)跡線減少。通過上中下3個(gè)層面的流速分布圖，可得出整個(gè)池中水體的流動(dòng)呈旋流狀態(tài)，上層面水流動(dòng)旋流速度大于中層面水流的旋流速度，大于下層面的水流旋流速度，可以推斷出水流在池中不同深度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是自上而下流速逐漸減小，池中水的深度較大時(shí)池底旋流運(yùn)動(dòng)減弱。這和水流在明渠均勻流的流動(dòng)狀態(tài)相同，上表層流速快，底層流速慢。

圖3　沉沙池上層水面的流速分布(m/s)

圖4　沉沙池中層水面的流速分布(m/s)

圖5　沉沙池下層水面的流速分布(m/s)

2.2沙粒在沉沙池中的運(yùn)動(dòng)分析

本次數(shù)值模擬采用粒徑規(guī)格為0.1 mm的沙顆粒，水體中含沙濃度在10 mg/L狀態(tài)下的情景進(jìn)行分析。圖6中的曲線表示沙粒在池中的運(yùn)動(dòng)軌跡，該沙粒的運(yùn)動(dòng)軌跡同樣可形成近似的旋渦狀。沙粒的運(yùn)動(dòng)同樣受兩個(gè)因素的影響：一是水流在沉沙池中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)沙粒產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)，由于沙顆粒的比重較大向旋渦中心處運(yùn)動(dòng)；二是沙顆粒因自身重力作用有一個(gè)下沉速度。通過沙顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以發(fā)現(xiàn)其在水中運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于水流的速度，當(dāng)沙顆粒不斷運(yùn)動(dòng)至旋渦中央，其運(yùn)動(dòng)速度變小。池邊緣沙粒運(yùn)動(dòng)速度快，但沙顆粒在邊緣處的運(yùn)動(dòng)跡線稀疏，靠近旋渦中心處運(yùn)動(dòng)跡線較密，運(yùn)動(dòng)速度較低。

圖6　沙粒在沉沙池中的運(yùn)動(dòng)軌跡

3結(jié)論

本文對(duì)旋流式沉沙池中水與沙顆粒進(jìn)行了理論分析，通過Fluent軟件模擬水流及沙顆粒在池中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軟件分析結(jié)果表明，水流可在無外界動(dòng)力的狀態(tài)下產(chǎn)生旋流運(yùn)動(dòng)，并且水流在池中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呈穩(wěn)定的旋渦狀。水流在流動(dòng)過程中本身具有動(dòng)能，本研究是利用水流自身動(dòng)能在圓形沉沙池中因池壁阻擋反力作用在池中做旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，由于旋流產(chǎn)生的離心運(yùn)動(dòng)達(dá)到水沙分離，是一種較好的除沙方式。水流在池中的旋流運(yùn)動(dòng)自池面上向池底逐漸減弱，水流速度的減小可使沙顆粒不被水流帶走，因而利于沙顆粒的沉降。沙顆粒在池中運(yùn)動(dòng)軌跡可知其是向旋渦中心運(yùn)動(dòng)，表明水流旋渦對(duì)沙顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響。本試驗(yàn)?zāi)M的沉沙池是根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉中常規(guī)的沉沙池大小與含沙量進(jìn)行分析，對(duì)于其它種類的沉沙池可參照本模擬結(jié)果使用Fluent軟件進(jìn)一步分析。

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作者更正啟示

2015年第4期第25頁論文《有機(jī)高分子絮凝劑對(duì)污泥脫水性能的改善研究》作者韓曉剛對(duì)本文作者信息進(jìn)行更正如下：“劉群(4 杭州市余杭區(qū)環(huán)境保護(hù)局，杭州311100)”應(yīng)為“張群(4 杭州市余杭區(qū)環(huán)境保護(hù)局，杭州311100)”。特此更正。

Study on calculation and simulation of cyclonic settling basin

Yi Yulin

(Hunan Hydro&Power Design Institute, Changsha 410007, China)

Abstract:Settling basin can remove sand particles and purify the water. Swirl settling basin is a new type, in order to explore the water flow and motion of sands in this basin, we used Fluent software to simulate and calculate the water and sand flow velocity distribution. The result of numerical simulation could be a basis for analysis of swirl settling basin's flow field pattern.

Keywords:cyclone desilting basin; water purification; numerical simulation; distribution of flow field

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：易玉林，女，1982年生，工程師，研究方向：水利水電工程設(shè)計(jì)。E-mail:yiyulin8217 @163.com

收稿日期：2015-06-27；2015-12-28修回