擋板長度對輻流式沉淀池流場與污泥濃度場影響的數(shù)值模擬

魏文禮，李盼盼，洪云飛，劉玉玲

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

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擋板長度對輻流式沉淀池流場與污泥濃度場影響的數(shù)值模擬

魏文禮，李盼盼，洪云飛，劉玉玲

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

[摘要]【目的】 研究進(jìn)水口處垂直擋板長度對沉淀池內(nèi)速度場和污泥質(zhì)量濃度場分布的影響，為實(shí)際工程中沉淀池的優(yōu)化設(shè)計提供參考。【方法】 采用簡化的多相流混合(Mixture)模型，對輻流式沉淀池內(nèi)液固兩相流水力特性進(jìn)行二維數(shù)值模擬，選取RNG k-ε紊流模型封閉時均流方程，采用有限體積法對微分方程進(jìn)行離散，使用壓力隱式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法進(jìn)行速度與壓力耦合求解。然后設(shè)初始時刻沉淀池內(nèi)為清水，進(jìn)水為含一定質(zhì)量濃度污泥的污水，在此條件下模擬并分析不同擋板長度時2個模型沉淀池內(nèi)速度場和污泥質(zhì)量濃度場的變化規(guī)律。【結(jié)果】 沉淀池內(nèi)有1個大回流區(qū)和2個小回流區(qū)，長擋板模型的回流區(qū)比短檔板模型小；沉淀池內(nèi)污泥分布呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，且長擋板模型內(nèi)污泥到達(dá)出口的時間比短檔板模型長；長擋板模型的小流速區(qū)域比短檔板模型大，更有利于污泥的沉降?！窘Y(jié)論】 輻流式沉淀池進(jìn)口處設(shè)置長擋板有利于提高沉淀池的運(yùn)行效率。

[關(guān)鍵詞]沉淀池；擋板長度；數(shù)值模擬；速度場；污泥質(zhì)量濃度場

沉淀池是污水處理過程中的一種重要構(gòu)筑物，輻流式沉淀池由于其排泥性能好、出水水質(zhì)高、占地面積少而在現(xiàn)代污水處理廠里被廣泛采用。沉淀池的容量和處理能力受諸多因素的影響，如固體濃度、池子形狀、沉淀機(jī)理、進(jìn)出口設(shè)計、擋板的位置和承載率等。

近年來，國內(nèi)外研究者對沉淀池做了大量的研究，其中一部分采用計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)來模擬沉淀池的運(yùn)行情況。Krebs等[1-2]和Lyn等[3]人利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型和不同的污泥顆粒運(yùn)動方程[4-5]對平流式二沉池進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了池內(nèi)流速分布和污泥質(zhì)量濃度的分布情況。Tamayol等[6]研究發(fā)現(xiàn),擋板的最好位置是在回流區(qū)域，可用來破壞回流區(qū)，從而可以提高初沉池的運(yùn)行效率。Razmi等[7]用試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法研究了初沉池中擋板位置的影響。Liu等[8]用2D激光多普測速儀對一個矩形初沉池中的流場進(jìn)行測量，然后用研究結(jié)果優(yōu)化沉淀池的設(shè)計參數(shù)，表明擋板附近的流速梯度很大，且流速梯度隨著水流變均勻而漸漸減小。秦博[9]通過在輻流式沉淀池內(nèi)設(shè)置斜管，對輻流式斜管沉淀池處理生活污水的效率進(jìn)行試驗(yàn)研究，基本掌握了斜管沉淀池的構(gòu)造功能及沉淀原理，并通過改變運(yùn)行因素驗(yàn)證了斜管沉淀池的處理效率。劉玉玲等[10-11]采用兩相流混合模型和RNGk-ε紊流模型，對輻流式二次沉淀池液固兩相流的力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了速度場、紊動能和污泥質(zhì)量濃度等參量的空間分布規(guī)律。蔡金傍等[12]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，對平流式沉淀池進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同擋板位置、進(jìn)水流速以及沉淀池長高比對沉淀池內(nèi)流速場和濃度場的影響，并計算分析了平流式沉淀池的過流曲線。曾光明等[13]利用渦量-流函數(shù)法建立了二維沉淀池速度場模型的控制方程，并用有限差分法進(jìn)行求解，利用二維濃度遷移方程對沉淀池濃度場進(jìn)行計算。蔣成義等[14]采用多相流歐拉模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Boussinesq假設(shè)研究了二沉池中活性污泥和表面散熱引起的異重流。屈強(qiáng)等[15]利用改進(jìn)的RNGk-ε湍流模型和簡化的多相流Mixture模型，對輻流式二沉池內(nèi)的速度場和污泥質(zhì)量濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。金光等[16]利用計算流體動力學(xué)分析軟件建立可以實(shí)現(xiàn)混凝沉淀的新型輻流式沉淀池數(shù)值模型，并對其可行性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，表明在傳統(tǒng)輻流式沉淀池內(nèi)增設(shè)強(qiáng)化擾流和改變水流方向的反應(yīng)罩和導(dǎo)流板，可以使輻流式沉淀池內(nèi)部流場紊流強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。綜上，目前有關(guān)沉淀池的研究較多，但關(guān)于輻流式沉淀池進(jìn)口擋板長度對流場和污泥濃度場影響的研究很少。

為此，本研究采用數(shù)值模擬的方法，分別建立進(jìn)水口處設(shè)一短擋板和一長擋板的二維模型，采用FLUENT軟件進(jìn)行固液兩相流數(shù)值模擬。然后通過分析輻流式沉淀池內(nèi)固液兩相流的速度場和污泥濃度場，對進(jìn)水口處不同垂直擋板長度對沉淀池運(yùn)行效率的影響進(jìn)行研究，以期為實(shí)際工程中沉淀池的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1數(shù)學(xué)模型

多相流模型可用來模擬沉淀池中的流場。Mixture模型[17]是一種簡化的多相流模型，其利用小空間尺度上的局部平衡來求解混合相的動量、連續(xù)性，以及第二相的體積分率、滑移速度和漂移速度?？紤]該模型具有模型簡單、計算量小且結(jié)果較為可靠等特點(diǎn)，這里采用Mixture模型。

Mixture模型連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

(3)

Mixture模型動量方程可以通過對所有相各自的動量方程求和來獲得。其形式如下：

(4)

(5)

vdr,k=vk-vm。

(6)

式中：p為壓強(qiáng)，μm為混合黏度，g為重力加速度，F(xiàn)為體積力，vdr,k為第二相k的飄移速度。

滑流速度被定義為第二相(p)的速度相對于主相(q)的速度，有：

vqp=vp-vq。

(7)

式中：vqp為滑移速度，vp為p相的速度，vq為q相的速度。

滑流速度和飄移速度的關(guān)系為：

(8)

式中：vdr,p為p相的飄移速度，vqk表示第k相的滑移速度。

從第二相p的連續(xù)方程，可以得到第二相p相的體積分?jǐn)?shù)方程為：

(9)

式中：αp表示p相的體積分?jǐn)?shù)，ρp表示p相的密度。

利用改進(jìn)的RNGk-ε紊流模型[18]，可以通過修正湍動黏度，在考慮平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況的基礎(chǔ)上，提高計算精度并可以正確處理近壁區(qū)域，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。其紊動能k和耗散率ε的運(yùn)輸方程分別為：

(10)

(11)

以上方程構(gòu)成了求解流場分布規(guī)律的封閉方程組，根據(jù)實(shí)際工況施加相應(yīng)的邊界條件后，就構(gòu)成該方程組的定解問題。

2建模和邊界條件

2.1沉淀池模型

以中心進(jìn)水的輻流式沉淀池為研究對象，其處理能力大約是150 000 m3/d，池子容積大約是2 960 m3。該沉淀池中心設(shè)環(huán)形進(jìn)水口進(jìn)水，四周是圓形圍堰，出口為設(shè)置在圍堰內(nèi)側(cè)附近的一個環(huán)形出水槽，沉淀池中經(jīng)沉淀過后的清水溢流到出水槽中排出。沉淀池底部污泥斗的坡度為12.5°，沉淀池進(jìn)水口圓環(huán)半徑r=3.75 m。

輻流式沉淀池內(nèi)的流動屬于三維運(yùn)動，考慮到輻流式沉淀池的幾何對稱性，為了降低網(wǎng)格數(shù)，減少計算時間，忽略環(huán)向流動，特簡化為僅有軸向和徑向的二維運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上建立2個二維模型：一個是進(jìn)水口后端設(shè)有一小段垂直擋板，高1.3 m；另一個是進(jìn)水口后端設(shè)有一長擋板，擋板走勢跟外墻相同，高約3 m，兩模型其他尺寸都一樣，其幾何尺寸如圖1所示。為敘述方便，下文將2種模型分別用a模型和b模型表示：a模型代表進(jìn)口處垂直擋板為短擋板的模型，b模型代表進(jìn)口處垂直擋板為長擋板的模型。

圖 1不同擋板長度的二維模型的計算區(qū)域和尺寸

Fig.1Computational region and size for two-dimensional model of different baffle lengths

2.2網(wǎng)格劃分

采用GAMBIT軟件建模，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對整體區(qū)域進(jìn)行劃分。由于進(jìn)水口和出水口都在沉淀池上部，為了提高計算精度，故對這部分網(wǎng)格在垂直方向進(jìn)行適度加密處理。2種模型網(wǎng)格劃分方法一致，劃分結(jié)果如圖2所示，網(wǎng)格總單元數(shù)為7 444個。

圖 2　二維計算區(qū)域的網(wǎng)格圖Fig.2　Computational mesh for two-dimensional region

2.3邊界條件及求解方法

本次試驗(yàn)?zāi)M了沉淀池中的固液兩相流，主相為水，密度為ρ=1 000.35 kg/m3，動力黏度μ動=0.001 005 Pa·s；次相為污泥，密度為ρ=1 051 kg/m3，時均黏度μ時=0.020 01 Pa·s，并且假設(shè)固體為均勻顆粒，顆粒直徑為d=0.001 m，進(jìn)水中污泥的質(zhì)量濃度C=35.734 kg/m3。

進(jìn)口邊界條件給定速度值，固液兩相的流速相同，v=0.085 m/s；出水口邊界條件采用壓力出流，相對壓強(qiáng)為0。池底和邊壁(包括擋板)為固體壁面，

使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定，頂面采用“剛蓋”假定。

假設(shè)初始時刻沉淀池中充滿清水，污泥質(zhì)量濃度為0，由于沉淀池中污泥質(zhì)量濃度隨計算時間的增加而變化，故全場采用非恒定流進(jìn)行計算。采用簡化的Mixture多相流模型模擬混合流場，用RNGk-ε模型封閉時均流方程，控制方程的離散采用有限體積法，速度與壓力耦合求解時使用壓力隱式算子分裂PISO算法，紊動能、耗散率、動能方程均采用二階迎風(fēng)(Second Order Upwind)離散格式。

本次試驗(yàn)是為了研究污泥在沉淀池中的遷移規(guī)律和質(zhì)量濃度場隨時間的變化，不依計算過程中進(jìn)出口流量相等為計算平衡的依據(jù)，取時間步長=0.005 s，計算總時間t=1 000 s，并且2種模型的各參數(shù)和邊界條件完全相同。

3結(jié)果與分析

3.1流線分布

沉淀池中的流線隨時間的分布如圖3所示。

圖3表明，隨著時間的推移，在模擬時間為300 s左右時，顯示在擋板附近有1個小回流區(qū)，隨著模擬時間增加，回流區(qū)向后部推移；模擬時間為500 s時，在池子中部形成1個大回流區(qū)；模擬時間等于700 s時，沉淀池底部開始產(chǎn)生1個小回流區(qū)，到 1 000 s左右，池子底部形成2個小回流區(qū)，貼近池子底板，再往后2個模型的流線圖均基本同1 000 s時一樣，池中一直保持3個回流區(qū)不變。之前的文獻(xiàn)[10，15]提到沉淀池中是2個回流區(qū)，這可能是沉淀池體型不同所致，也可能是文獻(xiàn)[10，15]中模擬計算時間不夠的緣故?；亓鲄^(qū)基本上都是死區(qū)，回流區(qū)的存在降低了沉淀池的有效利用容積，是影響沉淀池去除率的一個重要因素。

流線的疏密代表了流速的大小，擋板附近和池子中部回流區(qū)流線較密，說明該處流速較大。水面附近和池子后區(qū)流線稀疏，說明該處流速較低，這有利于固體顆粒沉降到池底。

比較a、b 2個模型，流線的變化規(guī)律基本一致，回流區(qū)的位置和個數(shù)也相近，說明擋板的長短并不能減少回流區(qū)的個數(shù)。但是每個時刻模型b中的回流區(qū)面積比a模型小很多，比如模擬時間為300和500 s時，a中的回流區(qū)面積接近b回流區(qū)面積的2倍；模擬時間等于700 s時，a中的回流區(qū)面積約占整個池子面積的3/4，而此時b的回流區(qū)只占池子面積的1/2左右。回流區(qū)面積減少，有效流動區(qū)域增大，就會相應(yīng)提高沉淀池的運(yùn)行效率。因此，進(jìn)口處長擋板與短擋板相比，其可以大大減小回流區(qū)面積，提高沉淀池運(yùn)行效率。但如何減少回流區(qū)的個數(shù)，今后還要進(jìn)行更多的研究。

3.2污泥質(zhì)量濃度的分布

污泥在沉淀池中的遷移和質(zhì)量濃度分布如圖4所示。

圖 4　2個模型不同時刻污泥質(zhì)量濃度的分布Fig.4　Sediment mass concentration distribution of the two models at different times

圖4顯示，模擬開始時污泥從擋板下沿向池內(nèi)擴(kuò)散，到模擬時間為300 s時，池內(nèi)存在著清晰的泥水分界面，在此界面以上，污泥質(zhì)量濃度為0，為清水區(qū)，此時整個沉淀池污泥質(zhì)量質(zhì)量濃度很小，不超過137 g/L；隨時間增長，污泥開始在池底沉淀下來，形成成層沉淀區(qū)，在模擬時間為500 s時，成層沉淀區(qū)的污泥質(zhì)量濃度為274～343 g/L；到模擬時間為700 s時，可清晰看到池底的污泥壓縮層，壓縮層的污泥質(zhì)量濃度大于480 g/L，此時污泥在沉淀池內(nèi)的分布規(guī)律為：上面是清水區(qū)，泥水分界面以下是污泥質(zhì)量濃度逐漸升高的絮凝區(qū)，接下來是污泥質(zhì)量濃度基本一致的成層沉淀區(qū)，池底有一層較薄的污泥壓縮區(qū)。隨著模擬時間增加，壓縮區(qū)厚度越來越大，該區(qū)域污泥的質(zhì)量濃度也逐漸增大。污水區(qū)中絮凝區(qū)的范圍最大，且不斷向清水區(qū)擴(kuò)展。成層沉淀區(qū)和壓縮區(qū)之間也存在明顯的壓縮界面，最后壓縮區(qū)的高度大于成層沉淀區(qū)的高度。污泥區(qū)逐漸擴(kuò)大，清水區(qū)逐漸縮小，到最后污泥擴(kuò)散到出口處，充滿整個沉淀池，此時出流中開始夾帶污泥，如果不及時對池中污泥進(jìn)行清理，沉淀池的處理能力就會逐漸喪失。

從污泥質(zhì)量濃度分布圖(圖4)可以看出，2種模型的污泥壓縮區(qū)都集中在左下角的污泥斗中，從污泥斗往外，污泥質(zhì)量濃度逐漸減小。這非常符合實(shí)際情況，證明了數(shù)值模擬的正確性?，F(xiàn)實(shí)中的沉淀池在污泥斗處設(shè)有污泥出口，污泥堆積到一定程度時，用專門的設(shè)備將污泥斗中的污泥排出，才可使沉淀池能夠循環(huán)運(yùn)行。

比較a、b 2個模型，其污泥的運(yùn)移規(guī)律相同，但質(zhì)量濃度分布存在差異。a模型中污泥擴(kuò)散明顯較b快很多：模擬時間為700 s時，a模型中污泥已經(jīng)擴(kuò)散到出口處，污泥開始從出口流出，沉淀池處理能力喪失，而b模型中污泥在模擬時間為1 000 s時污泥還未到達(dá)出口，出流仍然是清水，沉淀池依然運(yùn)行正常。由此可見，進(jìn)口處長擋板能明顯提高沉淀池的污泥處理能力，延長沉淀池運(yùn)行周期，提高去除率，降低能耗。

3.3流速分布

流速云圖能清晰地顯示出流速場的分布情況，模擬時間為300和500 s時的流速場分布如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，a、b兩模型流速場的差異也很明顯。不同的顏色深度代表了不同的流速大?。簭陌咨珴u變到黑色，流速逐漸增大，顏色深度變化越快的地方，表示流速梯度越大，沉淀池內(nèi)流速的分布范圍為0.016～0.250 m/s。從圖5可以看出，沉淀池內(nèi)流速場的分布規(guī)律為：大流速區(qū)域分布在沉淀池前部，進(jìn)口附近流速最大，在擋板的束縛下，高速水流流向沉淀池下部，然后從擋板下沿開始向池中擴(kuò)散。云圖中顏色深度由黑色逐漸向白色轉(zhuǎn)變，表示流速逐漸減小。沉淀池中后部分基本為白色，表明流場較均勻，該區(qū)域流速大小為0.016 m/s左右，小于0.03 m/s，這樣的流速有利于固體顆粒的沉降。

圖 52個模型不同時刻的流速云圖

Fig.5Velocity magnitude contour of the two models at different times

從圖5還可以看出，b模型長擋板的束流效果比a模型短擋板好：模擬時間為300 s和500 s時，b模型的流速小于0.03 m/s區(qū)域明顯大于a模型，說明b模型小流速區(qū)域比a模型大，這更有利于污泥的沉降。另外從圖5左邊2幅圖可以看到，a模型中流速為0.03～0.063 m/s的區(qū)域處于沉淀池頂部，這樣的流場會將小顆粒污泥卷揚(yáng)到沉淀池上部，最后隨上部水流從出口流出，使沉淀效果降低。500 s時，b模型左下角污泥斗處顏色變成白色，表明此處流速降到0.016 m/s左右，這有利于污泥在污泥斗中的沉淀。其他時刻2個模型的流場圖對比效果與以上結(jié)果雷同，不再贅述。

4結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬方法，模擬了輻流式沉淀池內(nèi)流場的變化和污泥的運(yùn)移規(guī)律，通過對不同模擬時間的計算分析，可以清楚看到流場中回流區(qū)的產(chǎn)生、變化，最后在流場內(nèi)形成大小不等的3個回流區(qū)；模擬演示了沉淀池內(nèi)污泥的遷移過程，污泥在沉淀池內(nèi)的分布表現(xiàn)出分層現(xiàn)象：從上往下，污泥濃度遞增，最底層出現(xiàn)污泥壓縮區(qū)。這些直觀的顯示在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很難達(dá)到，體現(xiàn)了數(shù)值模擬的優(yōu)勢。

另外，本研究通過在進(jìn)水口處設(shè)置不同長度的擋板，模擬并分析進(jìn)水口處擋板不同長度對流場的影響。從模擬結(jié)果可以看出：進(jìn)水口處設(shè)置長擋板可以明顯減小流場內(nèi)的回流面積，增大有效流動區(qū)域，提高沉淀池的污泥處理能力，延長沉淀池運(yùn)行周期，提高去除率，改善出流水質(zhì)，這一結(jié)論可以為沉淀池的設(shè)計和運(yùn)行提供參考。為了進(jìn)一步減小沉淀池內(nèi)的回流區(qū)個數(shù)和回流區(qū)大小，今后還需結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)行更多的相關(guān)研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Krebs P，Armbruster M，Rodi W.Laboratory experi-ments of buoyancy-influenced flow in clarifiers [J].Journal of Hydraulic Research，1998，36(5)：831-851.

[2]Krebs P，Stamou A I，Garcia-Heras J L.Influence of inlet and outlet configuration on the flow in secondary clarifiers [J].Water Science and Technology，1996，34(5/6)：1-9.

[3]Lyn D A，Stamou A I，Rodi W.Density currents and shear-induced flocculation in sedimentation tanks [J].Journal of Hydraulic Engineering，1992，118(6)：849-867.

[4]Takacs I，Patry G G，Nolasco D.A dynamic model of the clarification-thickening process [J].Water Research，1991，25(10)：1263-1271.

[5]Zhou S，McCorquodale J A.Modeling of rectangular settling ta-nks [J].Journal of Hydraulic Engineering，1992，118(10)：1391-1405.

[6]Tamayol A，F(xiàn)iroozabadi B，Ahmadi G.Effects of inlet position and baffle configuration on hydraulic performance of primary settling tanks [J].Journal of Hydraulic Engineering，2008，134(7)：1004-1009.

[7]Razmi A，F(xiàn)iroozabadi B，Ahmadi G.Experimental and numerical approach to enlargement of performance of primary settling tanks [J].Journal of Applied Fluid Mechanics，2009，2(1)：1-12.

[8]Liu B，Ma J，Luo J，et al.Two-dimensional LDV measurement，modeling，and optimal design of rectangular primary settling tanks [J].Journal of Environmental Engineering,2010，136(5)：501-507.

[9]秦博.輻流式斜管沉淀池處理生活污水的實(shí)驗(yàn)研究 [J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37(4)：82-85.

Qin B.Research on domestic wastewater treatment with radial flow inclined tube settling tank [J].Environmental Science and Management，2012，37(4)：82-85.

[10]劉玉玲，張沛，魏文禮.輻流式沉淀池液固兩相流力學(xué)特性二維數(shù)值模擬 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2013，46(4)：410-412.

Liu Y L，Zhang P，Wei W L.Two-dimensional numerical simulation of properties of liquid-solid two-phase flow in a circular secondary clarifier [J].Engineering Journal of Wuhan University，2013，46(4)：410-412.

[11]劉玉玲，張沛，魏文禮，等.輻流式沉淀池液固兩相流力學(xué)特性三維數(shù)值模擬 [J].水資源與水工程學(xué)報，2013，24(4)：25-27.

Liu Y L，Zhang P，Wei W L，et al.Numerical simulation of mechanical property of solid-liquid two-phase turbulent flow in a secondary sedimen-tation tank of radial flow [J].Journal of Water Resources & Water Engineering，2013，24(4)：25-27.

[12]蔡金傍，朱亮，段祥寶.平流式流沉池數(shù)值模擬分析 [J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(1)：27-31.

Cai J B，Zhu L，Duan X B.Numerical simulation for rectangular settling tanks [J].Journal of Hohai Unversity(Natural Science)，2004，32(1)：27-31.

[13]曾光明，葛衛(wèi)華，秦肖生，等.污水廠二維沉淀池水流和懸浮物運(yùn)動數(shù)值模擬 [J].中國環(huán)境科學(xué)，2002，22(4)：338-341.

Zeng G M，Ge W H，Qin X S，et al.Numerical modeling on the movement of water and SS in two-dimensional sedimentation tanks of sewage factory [J].China Environmental Science，2002，22(4)：338-341.

[14]蔣成義，吳春篤，黃衛(wèi)東，等.輻流式二沉池中異重流的計算流體力學(xué)模型研究 [J].水科學(xué)進(jìn)展，2007，18(6)：846-852.

Jiang C Y，Wu C D，Huang W D，et al.Computational fluid dynamic model for density currents in activated sludge secondary clarifier [J].Advances in Water Science，2007，18(6)：846-852.

[15]屈強(qiáng)，馬魯銘，王紅武.輻流式二沉池固液兩相流數(shù)值模擬 [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，34(9)：1212-1216.

Qu Q，Ma L M，Wang H W.Solid-liquid two-phase flow simulation in a circular secondary clarifier [J].Journal of Tongji Unversity(Natural Science Edition)，2006，34(9)：1212-1216.

[16]金光，張保生，張菊，等.實(shí)現(xiàn)輻流式沉淀池混凝沉淀的數(shù)值模擬研究 [J].人民黃河，2011，33(5)：41-45.

Jin G，Zhang B S，Zhang J，et al.Realization of radial flow sedimentation tank coagulation precipitation numerical simulation research [J].Yellow River，2011，33(5)：41-45.

[17]戴會超，槐文信，吳玉林，等.水利水電工程水流精細(xì)模擬理論與應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社，2008.

Dai H C，Huai W X，Wu Y L，et al.Theories and applications of flow refined simulation for hydraulic and hydropower engineering [M].Beijing：Science and Technology Press，2008.

[18]魏文禮，戴會超.紊流模型理論及工程應(yīng)用 [M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

Wei W L，Dai H C.Turbulence model theory and engineering applications [M].Xi’an：Shaanxi Science and Technology Press，2006.

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.032

[收稿日期]2014-11-03

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(51578452)；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目(2016GY-180)；陜西省科學(xué)研究計劃項目(2014K15-03-05)

[作者簡介]魏文禮(1965-)，男，陜西大荔人，教授，博士，主要從事環(huán)境水力學(xué)、水污染控制理論與技術(shù)研究。 E-mail：wei_wenli@126.com

[中圖分類號]X703

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)07-0228-07

Influence of baffle length on flow and sludge concentration fields in a radial sedimentation tank

WEI Wenli,LI Panpan,HONG Yunfei,LIU Yuling

(StateKeyLaboratoryofEco-HydraulicEngineeringinShaanxi,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

Abstract：【Objective】 The influence of inlet vertical baffle on distribution of flow field and sludge mass concentration field was studied in a sedimentation tank to provide reference for optimization design of actual sedimentation tanks.【Method】 The simplified Mixture multiphase model was used to study the hydraulic characteristics of solid-liquid two-phase flow in a radial sedimentation tank by 2D numerical simulation.The RNG k-ε turbulent model was used to close the time-averaged flow equations.The finite volume method was used to discretize the differential equations,and the coupling velocity and pressure equations were solved with the pressure-implicit method of splitting operators (PISO) algorithm.At the initial time,the sedimentation tank was filled with stationary clear water and sewage ran through inlet.The variation of flow field and sludge mass concentration field in different times was then studied.【Result】 There were three recirculation zones in the sedimentation tank,a big one and two small ones.The model with a longer feed flow baffle caused a smaller recirculation zone.The distribution of sludge showed stratified phenomenon in the sedimentation tank.Sludge took a longer time to arrive at export in the model with a longer feed flow baffle.The region of fluid particles with a smaller velocity was bigger in the model with a longer feed flow baffle,which was beneficial to sludge sedimentation.【Conclusion】 The sedimentation tank with a longer feed flow baffle can produce better running efficiency.

Key words：sedimentation tank;baffle length;numerical simulation;flow field;sludge mass concentration field

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