輻流式沉淀池?fù)醢宄叽鐚?duì)溫差異重流水力特性影響的三維模擬

魏文禮，白朝偉，劉玉玲

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

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輻流式沉淀池?fù)醢宄叽鐚?duì)溫差異重流水力特性影響的三維模擬

魏文禮，白朝偉，劉玉玲

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

在冬季或夏季，沉淀池內(nèi)進(jìn)水與池內(nèi)水的溫差將導(dǎo)致異重流現(xiàn)象，從而影響池內(nèi)流態(tài)及流速。本文選取Realizable k-ε湍流模型，通過(guò)設(shè)置池內(nèi)水與進(jìn)水的不同溫度，對(duì)進(jìn)口處兩種不同擋板形式的輻流式沉淀池冬季與夏季工況下異重流的演變規(guī)律進(jìn)行三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明：夏季低溫水進(jìn)入池內(nèi)產(chǎn)生下異重流，而冬季高溫水進(jìn)入池內(nèi)產(chǎn)生上異重流；夏季高流速水流在沉淀池底部，產(chǎn)生逆時(shí)針旋流，冬季高流速水流在沉淀池上部，產(chǎn)生較大的順時(shí)針旋流。長(zhǎng)擋板形式下的輻流式沉淀池對(duì)冬季產(chǎn)生的上異重流的影響更為明顯，使得池內(nèi)速度場(chǎng)更加均勻。

輻流式沉淀池；溫度；異重流；數(shù)值模擬

沉淀池是常規(guī)水處理系統(tǒng)中的重要組成部分，高效的處理效能與沉淀池的設(shè)計(jì)與運(yùn)行有著密切的關(guān)系。本文研究?jī)煞N不同形式的進(jìn)口擋板對(duì)冬夏季池內(nèi)異重流的影響。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)各種污水處理反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并取得了非常有價(jià)值的研究成果[1-3]。Long Fan[1]采用CFD軟件計(jì)算沉淀池中的速度場(chǎng)和固體的濃度分布，并發(fā)現(xiàn)在同一沉淀池中設(shè)置不同的擋板高度和位置對(duì)其固體濃度的分布有很大影響。Mahdi Shahrokhi[4-5]等對(duì)平流式初沉池中不同數(shù)量的擋板及擋板位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明適當(dāng)增加擋板數(shù)量以及合理設(shè)置擋板位置可以得到回流區(qū)域的最小體積。Tom Bajcar[6]等通過(guò)試驗(yàn)和模擬沉淀池內(nèi)懸浮液流動(dòng)模式和速度場(chǎng)，認(rèn)為進(jìn)口流量是沉淀池污泥懸浮高度的函數(shù)。RozaTarpagkou[7]利用具有雙向耦合計(jì)算的拉格朗日方法模擬初相和次相之間的動(dòng)量交換，通過(guò)追蹤計(jì)算粒子軌跡，發(fā)現(xiàn)能量互換會(huì)影響流體速度的變化。王欣[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在異重流的形成過(guò)程中，進(jìn)水污泥濃度對(duì)污水密度的影響遠(yuǎn)大于溫度對(duì)污水密度的影響。詹詠[9]通過(guò)研究指出，水流流型的穩(wěn)定性是防止沉淀池中出現(xiàn)異重流的有利措施，并據(jù)此對(duì)沉淀池進(jìn)行了合理改造，取得了較穩(wěn)定的水流流型。劉百倉(cāng)[10]提出密度弗勞德數(shù)Fr，并對(duì)其大小的影響因素和如何減輕異重流的產(chǎn)生進(jìn)行了研究。Wells S A[11]發(fā)現(xiàn)冬季池內(nèi)溫度是水池的徑向位置和池子深度的函數(shù)，且因受到的浮力大于重力，將會(huì)形成上異重流。

本文以中心進(jìn)水的輻流式沉淀池為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)分析后適當(dāng)簡(jiǎn)化，只考慮進(jìn)水口處垂直擋板不同長(zhǎng)度對(duì)沉淀池溫差異重流的影響，建立兩個(gè)模型：一個(gè)進(jìn)水口處設(shè)有一短擋板，另一個(gè)進(jìn)水口處設(shè)有一長(zhǎng)擋板，采用CFD中的FLUENT6.3軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬分析了擋板的尺寸和形式對(duì)兩種模型中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1控制方程

描述水流的時(shí)均控制方程為[12]：

(1)

(2)

(3)

采用Realizable k-ε兩方程來(lái)封閉上述方程組，其形式為：

(4)

(5)

式中，ε為紊動(dòng)動(dòng)能耗散率,v為湍動(dòng)粘滯率，σk、σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，C1、C2為模型常數(shù)，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，E為主流的時(shí)均應(yīng)變率，這些參數(shù)的取值及其計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.2能量方程

將密度作為溫度的函數(shù)，引入能量方程計(jì)算溫度場(chǎng)，考慮溫差引起的水流密度的變化。能量方程的表達(dá)式為[12]：

(6)

式中，keff是有效熱傳導(dǎo)率，計(jì)算表達(dá)式為：

(7)

式中，kt是湍流熱傳導(dǎo)系數(shù)，根據(jù)所使用的湍流模型來(lái)定義。v為流體的速度矢量，T為溫度，SE是能量方程的源項(xiàng)，包括了所有的體積熱源，e為流體的能量，對(duì)于可壓縮相e的表達(dá)式為：

(8)

對(duì)于不可壓縮相e的表達(dá)式為：

(9)

式中，h代表液體的焓值。

以上方程組構(gòu)成了求解流場(chǎng)分布規(guī)律的封閉方程組，根據(jù)實(shí)際工況添加相應(yīng)的邊界條件后，構(gòu)成該方程組的定解問(wèn)題。

2　模型和材料

2.1沉淀池模型

本文以中心進(jìn)水的輻流式沉淀池為模擬對(duì)象，進(jìn)口處的垂直擋板用于把入流引向池底，四周是環(huán)形的圍堰。污泥斗設(shè)在池中央，池底向中心傾斜。它的處理能力大約是1.5×105m3/d，池子容積是2.96×103m3，為了研究進(jìn)口處擋板形式對(duì)沉淀池異重流的影響，本文經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立兩種模型：一種是進(jìn)水口處只有1.3 m的垂直短擋板；另一種是進(jìn)水口處有一長(zhǎng)擋板，擋板走勢(shì)跟外墻接近，高為3.05 m。沉淀池進(jìn)水口區(qū)域半徑r=3.75 m?？紤]到輻流式沉淀池模型的對(duì)稱性，為了減少計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)，取1/4區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖1所示。兩種模型只有進(jìn)口擋板尺寸不同，模型沿徑向的斷面尺寸如圖2所示。

圖1　90°圓弧段沉淀池區(qū)域圖Fig.1　Region of the sedimentation tank of 90° arc

圖2　沉淀池橫斷面尺寸圖Fig.2　Transverse section size of the sedimentation tank

2.2網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格由GAMBIT軟件生成，網(wǎng)格劃分采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

兩種計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分方法相同，網(wǎng)格總單元數(shù)為70 707個(gè)，計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3　沉淀池三維計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.3　Three-dimensional computational mesh of the sedimentation tank

2.3邊界條件和求解方法

計(jì)算初始時(shí)刻池內(nèi)充滿水，夏季池內(nèi)水溫為25 ℃，冬季池內(nèi)水溫為8 ℃。引入能量方程，進(jìn)行邊界條件設(shè)置：進(jìn)口定義為速度進(jìn)口，入流速度v=0.085 m/s，溫度為18 ℃；出口為壓力出口，出口壓力為大氣壓；速度與壓力的耦合方程組求解時(shí)使用了半隱式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法；沉淀池固體壁面(包括擋板)的邊界條件按“標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)”給定；自由水面采用“剛蓋假定”，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s。

3　結(jié)果分析與討論

3.1流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖4(a)～(d)顯示了冬、夏季500 s池內(nèi)45°截面水流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布。通過(guò)池內(nèi)流線的變化，反映出異重流及其進(jìn)口處擋板對(duì)池內(nèi)流態(tài)的影響。

如圖4(a)、(b)，在夏季由于入流溫度小于池內(nèi)水溫，導(dǎo)致入流密度大于池內(nèi)水密度，從而使進(jìn)水順著池壁一直向下流動(dòng)，到達(dá)污泥斗后沿著池底向池子的中后方流動(dòng)，再向上方流動(dòng)進(jìn)入出水槽，自池底附近至水面區(qū)域形成逆時(shí)針旋流。短擋板模型在出口位置附近有一個(gè)小漩渦，而長(zhǎng)擋板模型在出口附近流線平順，無(wú)漩渦產(chǎn)生。在圖4(c)、(d)中，冬季入流在進(jìn)口處形成一個(gè)小漩渦，水流順著擋板向下流動(dòng)，到達(dá)擋板底端后徑直向上流動(dòng)，然后順著池子表面流入出水槽，整個(gè)池內(nèi)形成自池子表面至池底的順時(shí)針旋流。從流線圖可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水到達(dá)擋板末端后徑直向上，并向出口處流動(dòng)，這樣會(huì)使一部分入流沒(méi)有經(jīng)過(guò)沉淀就直接從出口流出，因此，短擋板模型與長(zhǎng)擋板模型相比，其入流更易較快的流向出口。

圖4　冬夏季流線分布圖Fig.4　Streamlines distribution in summer and winter

3.2斷面溫度分布分析

圖5(a)～(d)顯示了冬、夏季500 s池內(nèi)45°截面的溫度分布。由于本文假定冬季池內(nèi)水溫為8℃，夏季池內(nèi)水溫為25℃，入流溫度為18℃，從圖5(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，夏季池內(nèi)水溫度明顯高于入流溫度。入流順著擋板和池壁一直向下流動(dòng)，在到達(dá)污泥斗中后慢慢的沿著池底向后方推移(沒(méi)有向池子的上部擴(kuò)散，一直在池子的底部流動(dòng))，這說(shuō)明夏季入流形成了明顯的下異重流?？傮w來(lái)講，長(zhǎng)短擋板在夏季對(duì)溫度場(chǎng)的影響甚微，但在長(zhǎng)擋板模型中，有更多的低溫水流向污泥斗，這說(shuō)明長(zhǎng)擋板能將更多的入流導(dǎo)入污泥斗中。從圖5(c)、(d)可以看出，冬季進(jìn)水溫度明顯高于池內(nèi)水溫，進(jìn)口入流沿著擋板行至擋板底端后迅速上浮，高溫水一直浮于表面，并向出口方向流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中與低溫水進(jìn)行熱量交換。溫度差產(chǎn)生的密度差使得高溫水受到的浮力大于重力作用，形成明顯的溫度梯度層，這說(shuō)明冬季入流形成了明顯的上異重流。長(zhǎng)擋板能將入流導(dǎo)入池子底部，從而使入流與池水混摻得更充分，入流在池中的擴(kuò)散更明顯，而短擋板模型的入流一直浮在池子表面，從而有一部分入流直接從出水槽流出。

圖5　冬夏季溫度分布圖Fig.5　Temperature distribution in summer and winter

3.3斷面流速分布分析

圖6(a)～(d)顯示了冬、夏季500 s池內(nèi)45°截面的流速分布。如圖6(a)、(b)，夏季進(jìn)水順著池壁向下流動(dòng)，到達(dá)污泥斗后向后推移擴(kuò)散，高流速水流一直在池子底部流動(dòng)。相較于長(zhǎng)擋板模型，短擋板模型污泥斗中高流速區(qū)域面積較大，這并不利于污泥的沉淀，所以長(zhǎng)擋板模型結(jié)構(gòu)更加合理。在圖6(c)、(d)中，冬季入流行至擋板底端后迅速上浮，池子表面流速明顯大于中下方流速，高速水流浮在池子表面。短擋板模型入流僅在池子表面流動(dòng)，池子中下部流速很小，一部分進(jìn)水直接流出。長(zhǎng)擋板對(duì)整個(gè)沉淀池內(nèi)速度場(chǎng)的影響大于短擋板，可使池內(nèi)的流速分布更加均勻。

圖6　冬夏季速度分布云圖Fig.6　Velocity contour in summer and winter

3.4測(cè)線流速分析

溫度對(duì)沉淀池內(nèi)流速沿水深方向的分布有著重要影響。為了能夠更加直觀的觀察和分析沉淀池內(nèi)水流流速分布受溫度差的影響，取計(jì)算時(shí)間為500 s，在45°截面距入口處2 m、5 m、8 m、11 m處共設(shè)置4條豎線，測(cè)定其流速沿水深方向的分布，測(cè)線分布如圖7所示。

圖7　沉淀池流速測(cè)線布設(shè)圖Fig.7　Diagram of measuring lines for velocity distribution in sedimentation tank

圖8為四條測(cè)線的冬、夏季流速比較圖。由圖可知，夏季沉淀池底部流速較大，冬季沉淀池表面流速較大，這說(shuō)明夏季高速水流在池子的底部形成下異重流，冬季高速水流在沉淀池的上部形成上異重流。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)線1、2比測(cè)線3、4的流速差異大，這是由于入流剛沖入池內(nèi)時(shí)受重力作用流速較大，流入池子中后方時(shí)流速減小，污泥慢慢開(kāi)始沉降所致。測(cè)線3、4由于在池子的中后方，則流速差異較前部的兩條線小，稍趨穩(wěn)定，這也有利于出流。

圖8　四條測(cè)線的冬、夏季流速比較圖Fig.8　Compare the velocity of the four measuring lines in summer and winter

4　結(jié)　論

本文借助CFD軟件fluent6.3，選取Realizable k-ε湍流模型，并加入能量方程，研究進(jìn)口處不同擋板形式下輻流式沉淀池內(nèi)的流場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：冬夏季沉淀池內(nèi)的溫度差異導(dǎo)致的池內(nèi)水流密度差異，均會(huì)使沉淀池內(nèi)水體產(chǎn)生異重流現(xiàn)象。夏季池內(nèi)水溫較高，入流進(jìn)入池內(nèi)易產(chǎn)生下異重流現(xiàn)象，而冬季池內(nèi)水溫較低，易產(chǎn)生上異重流現(xiàn)象。

流場(chǎng)的分析結(jié)果表明，溫差導(dǎo)致的異重流現(xiàn)象，使得夏季沉淀池內(nèi)形成明顯的逆時(shí)針旋流，冬季池內(nèi)形成較大的順時(shí)針旋流。對(duì)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的模擬同時(shí)說(shuō)明，冬季流速較高的高溫水流浮于池子表面并向出口處流動(dòng)，而夏季則是從池子底部向后推移。

考慮進(jìn)口處垂直擋板長(zhǎng)度不同這一因素對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及其速度場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)擋板模型對(duì)冬季產(chǎn)生的上異重流影響更明顯，使池內(nèi)速度場(chǎng)更加均勻，因此，長(zhǎng)擋板模型是更加合理的沉淀池結(jié)構(gòu)，有利于提高沉淀池效率。

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(責(zé)任編輯周蓓)

3D simulation for the influence of a feed baffle on the density current behaviors caused by temperature in a radial sedimentation tank

WEI Wenli，BAI Zhaowei，LIU Yuling

(State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

In summer or winter,temperature differences between the inflow water and the water in a pool will cause density flow phenomenon,whereby affecting flow pattern and flow speed in a Radial Sedimentation Tank.The Realizable k-ε model is used to carry out 3D numerical simulation of density current evolution regulation under the operational conditions by setting different temperatures between the inflow water and the water in the tank with two different forms of feed baffles near the inlet in summer or winter.The results show that:low-temperature inflow water can produce gravity flow in bottom region in summer while high-temperature inflow water produces the gravity flow in top region in winter; the higher velocity water is in bottom region of sedimentation pond,and counterclockwise vortex is obviously formed in summer，while higher velocity water is in top region of sedimentation pond ,clockwise vortex is obviously formed in winter.The impact of the longer baffle on the density currents in winter is more obvious,and make velocity field more uniform in the tank.

radial sedimentation tank; temperature; density current; numerical simulation

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.003

2015-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578452，51178391)；陜西省科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014K15-03-05)；中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)資金特色重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(106-00X101)

魏文禮，男，教授，博士，研究方向?yàn)榄h(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

TV131.4

A

1006-4710(2016)01-0012-06