基于實驗和模擬方法對隔板絮凝池流場的研究

蘇生會 伍悅濱 賴參森

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051； 2.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

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基于實驗和模擬方法對隔板絮凝池流場的研究

蘇生會1伍悅濱2賴參森1

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051； 2.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

運用粒子圖像測速技術和數(shù)值模擬方法，對往復式隔板絮凝池的流場進行了研究，通過分析實驗結果和數(shù)值模擬結果，從流場的水力特性角度解釋了往復式隔板絮凝池無效能量消耗大、絮凝效率低的根本原因。

往復式隔板絮凝池，PIV實驗，數(shù)值模擬，能量耗散

絮凝是給水處理過程中十分重要的環(huán)節(jié)，通過機械或水力作用，促使水中已脫穩(wěn)的膠體顆粒碰撞聚集，形成大而密實的絮體，進而在之后的處理單元中沉淀去除，達到凈化水質的目的[1]。往復式隔板絮凝池就是通過水流在其廊道中往復流動促使膠體顆粒不斷碰撞聚集的一種給水絮凝工藝，其結構簡單，施工、管理方便，在水量變化較小時能夠可靠保證處理效果，因此廣泛應用于大、中型水廠。其缺點是水力條件不理想，無效能量消耗過多，進而導致池容積大，絮凝時間長[2]。本文運用PIV實驗和計算流體力學(CFD)技術對往復式隔板絮凝池的流場進行了研究分析，探究造成其絮凝效率低下的原因，進而為實際工程應用和新工藝設計提供參考。

1 實驗及結果分析

1.1 實驗臺介紹

1)往復式隔板絮凝池實驗臺。往復式隔板絮凝池實驗臺的設計是以某實際工程的池體尺寸為依據(jù)，根據(jù)弗勞德相似準則，以1∶10的比例進行設計安裝，同時考慮到實際工程中的往復式隔板絮凝池廊道較多，而對其進行流場的實驗研究只需要保證絮凝階段的完整即可，因此實驗臺相比實際工程設計進行了適當簡化，每個絮凝階段只設置兩個廊道。實驗臺具體結構尺寸為長1.50 m，寬0.81 m，高0.28 m，分為四個絮凝階段，每階段廊道寬度分別為6 cm，8 cm，10 cm和13 cm，其具體結構尺寸如圖1所示。

往復式隔板絮凝池的運行采用水循環(huán)系統(tǒng)，其流程為水泵將低位水箱中的水提升流入高位水箱，在重力作用下，水從高位水箱中流出進入往復式隔板絮凝池的廊道中往復流動，達到溢流水位后溢流入平流沉淀池，最后流回低位水箱。實驗操作平臺的流程如圖2所示。

2)粒子圖像測速系統(tǒng)。粒子圖像測速技術(Particle Image Velocimetry，簡稱PIV)是通過探測流場中示蹤粒子的運動情況，進而得到整個流場的運動規(guī)律[3]，其不需要測量設備與流場直接接觸就可以對流場進行測量的技術，特別適合廊道狹窄，渦旋運動復雜的流場測量，而往復式隔板絮凝池正是屬于這種類型[4]。因此，本文采用粒子圖像測速系統(tǒng)對往復式隔板絮凝池的流場進行實驗研究。

1.2 實驗方案

往復式隔板絮凝池工藝的原理就是依靠廊道的轉彎使得水流擾動，從而促進膠體顆粒的碰撞聚集，因此本實驗將針對廊道轉彎處的流場進行測量。實驗裝置的擺放如圖3所示，將CCD相機架設在往復式隔板絮凝池廊道轉彎處正上方，激光發(fā)射頭與模型和CCD相機成90°擺放。

通過閥門和流量計控制整個測量過程在1.7 L/s的流量下進行，測量斷面選取模型垂直方向的中心位置，即水深h=0.13 m處。

1.3 實驗結果分析

如圖4和圖5所示為廊道轉彎處流場的PIV實驗結果，對比速度矢量圖和速度云圖可以看到，在廊道轉彎處，水流方向發(fā)生了180°的急劇變化，在慣性和離心力的作用下，水流在轉彎后會主要集中在廊道外側通過，實際上相當于減小了過水斷面面積，從而使得轉彎后廊道外側流速顯著增大、水流擾動劇烈，而內側由于偏離了水流主流方向而流速很低，在水流主流帶動下進行低流速的渦旋運動，形成了“回流區(qū)”?！盎亓鲄^(qū)”消耗了水流能量，但在其中的絮體顆粒會由于流速過低而很快沉降，難以跟隨水流進入后續(xù)的沉淀處理單元，從而造成了能量的無效消耗。

2 數(shù)值模擬及結果分析

對往復式隔板絮凝池的PIV實驗只能夠得到流場的速度數(shù)據(jù)，無法得到流場在能量上的數(shù)據(jù)，而數(shù)值模擬方法恰好解決了這一問題[5]，因此，本文使用ANSYS系列軟件對往復式隔板絮凝池流場進行了CFD模擬。

2.1 建立模型

使用ANSYS ICEM CFD軟件建立往復式隔板絮凝池的物理模型，為方便與實驗結果進行對比驗證，幾何模型尺寸與實驗模型一致，網格采用結構化六面體進行劃分，建立往復式隔板絮凝池模擬計算的網格模型。

2.2 初始條件設定

初始條件的設定如表1所示。

表1 初始條件設定表

2.3 模型驗證

選取與實驗測量斷面相同的某一特征位置數(shù)據(jù)進行對比，驗證模擬計算的準確性，進而根據(jù)數(shù)值模擬的計算結果，分析往復式隔板絮凝池流場的能量消耗情況。

如圖6所示為數(shù)值模擬和PIV實驗的數(shù)據(jù)對比情況，從圖6中可以看到，往復式隔板絮凝池流場的數(shù)值模擬計算結果與PIV實驗能夠很好的吻合，從而驗證了數(shù)值模擬計算的準確度，為進一步利用數(shù)值模擬方法分析往復式隔板絮凝池流場特性提供了有力支撐和可靠依據(jù)。

2.4 模擬結果分析

數(shù)值模擬計算得到的往復式隔板絮凝池流場的湍動能k和湍動耗散率ε能夠表征流場在能量耗散上的分布情況，如圖7所示為往復式隔板絮凝池流場的湍動能及湍動耗散率分布，從圖7中可以看到，水流在往復式隔板絮凝池中流動的能量消耗主要就位于廊道轉彎后的一段區(qū)域內，而在之后水流逐漸趨于穩(wěn)定，產生的能量消耗很小。而對于絮凝過程來說，流場能量耗散過大或過小都不利于絮體的形成，過大容易造成已形成的絮體在強烈的水力作用下破碎，過小則由于水流擾動不夠而難以促進膠體顆粒的碰撞聚集。因此，由圖7可以看到往復式隔板絮凝池在廊道轉彎后的前半段廊道能量消耗過大，易造成絮體的破碎，而在廊道后半段流場的能量消耗又過小，不足以提供膠體顆粒碰撞聚集的動力。

3 結語

1)利用粒子圖像測速技術對往復式隔板絮凝池廊道轉彎處流場進行了測量，準確地獲得了絮凝池廊道頭部的水流結構特征。由PIV實驗結果分析可知，往復式隔板絮凝池的結構使得水流方向在轉彎處發(fā)生了180°的急劇變化，雖然這種結構促進了水流的擾動，能夠在一定程度上促進膠體顆粒的碰撞聚集，但也會由于過于劇烈的水力作用使得已形成的大的絮體破碎，尤其是對于絮凝后期已形成了大的絮凝顆粒。同時，廊道轉彎處所形成的“回流區(qū)”也會消耗很多能量，而這些能量消耗中有很大一部分的能量并沒有對絮凝產生作用，這就是往復式隔板絮凝池水力條件差，無效能量消耗大的根本原因。

2)CFD計算結果與PIV實驗數(shù)據(jù)吻合程度高，驗證了數(shù)值模擬方法的可行性。進而利用數(shù)值模擬方法研究了往復式隔板絮凝池能量耗散的分布情況，結果顯示廊道前段能量消耗過大，而后段能量消耗又過小，從而從能量角度上解釋了往復式隔板絮凝池絮凝效率低下的原因，對未來的工程設計和新工藝研發(fā)具有重要的參考價值。

[1] 葉 峰，張林生.水處理絮凝反應動力學優(yōu)化模型[J].凈水技術,2002,21(4):20-23.

[2] 嚴煦世,范瑾初.給水工程[M].第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 吳龍華，唐洪武，嚴忠民，等.DPIV技術在絮凝池流場特性研究中的應用[J].河海大學學報，2003，31(1)：38-41.

[4] 余昌全.基于FLUENT與PIV技術的折板絮凝流場特性分析[D].蘭州：蘭州交通大學學位論文,2012：20-24.

[5] 張海龍.機械攪拌混合工藝湍流數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學學位論文,2010：10-16.

On baffled flocculation tank’s flow field based on experiment and simulation method

Su Shenghui1Wu Yuebin2Lai Cansen1

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignInstitute,Tianjin300051,China;2.CollegeofMunicipalEnvironmentalEngineeringCollege,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

The paper adopts the particle image velocimetry technique and numeric simulation method to research the flow field of baffled flocculation tank, by analyzing the experimental results and numerical simulation results, interprets the reasons for the large energetic consumption and low flocculation efficiency of the tank from the hydraulic features of the flow field.

baffled flocculation tank, PIV test, numeric simulation, energy consumption

1009-6825(2016)20-0123-02

2016-05-08

蘇生會(1989- )，男，助理工程師

TU991.2

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