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    輻流式沉淀池過水孔洞形狀對沉淀效果的影響研究

    2019-01-12 03:14:28劉宏偉
    建筑與裝飾 2018年21期
    關(guān)鍵詞:池體正三角形流式

    劉宏偉

    合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限公司 安徽 合肥 230009

    前言

    輻流式沉淀池是水處理系統(tǒng)中重要的處理構(gòu)筑物,廣泛應(yīng)用于大中型水廠,其工作性能直接決定著出水水質(zhì)的好壞。近年來,越來越多的學(xué)者通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的方法研究輻流式沉淀池內(nèi)部的流場水力特性,進(jìn)而通過對輻流式沉淀池內(nèi)部構(gòu)造的合理設(shè)計(jì)來優(yōu)化沉淀池的水力條件[1-2]。這些研究主要涉及了輻流式沉淀池進(jìn)水擋板位置、進(jìn)水擋板淹沒水深、浮渣擋板、集水槽布置形式和位置等對輻流式沉淀池沉淀效果的影響,而對過水孔洞的研究則沒有涉及,在實(shí)際工程運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)輻流式沉淀池沉淀效果與其配水井過水孔洞的形狀關(guān)系較大,我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊中均未對輻流式沉淀池過水孔洞形狀提出明確的規(guī)定,因此本研究以輻流式沉淀池為研究對象,通過改變過水孔洞形狀,利用數(shù)值模擬的方法對其內(nèi)部流場流態(tài)進(jìn)行分析研究,以優(yōu)化沉淀池的水力條件。

    1 模型的建立

    以安徽省蕪湖市某水廠中輻流式沉淀池為原型,進(jìn)水采用中心管淹沒式潛孔進(jìn)水,單池處理能力為1225m3/h,沉淀時(shí)間為1.5h,池體直徑為28m,有效水深為3m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及要求,結(jié)合工程實(shí)際中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置,本研究中配水井過水孔洞的形狀分別設(shè)計(jì)為正三角形、長方形、正方形、正六邊形、圓形。輻流式沉淀池的池體屬于對稱結(jié)構(gòu),為節(jié)省計(jì)算機(jī)處理量,將其簡化為一半進(jìn)行模擬計(jì)算,由于本研究只考慮輻流式沉淀池內(nèi)部的水流運(yùn)動(dòng),因此未考慮污泥斗部分,模型中未建立。

    圖1 輻流式沉淀池的數(shù)值模擬模型

    模型結(jié)構(gòu)如圖1所示:

    2 邊界條件及模擬分析方法

    2.1 邊界條件

    根據(jù)輻流式沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)水中心管流速大于0.4m/s,模擬時(shí),輻流式沉淀池水流進(jìn)口條件為速度進(jìn)口,速度大小為0.433m/s;出口邊界條件為自由出口;水面為自由界面,沒有剪切和滑移速度,池底和邊壁為固體壁面,壁面上流速為0,使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

    2.2 模擬方法

    輻流式沉淀池內(nèi)部流場主要為紊流形態(tài),選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行模擬。該模型基于湍動(dòng)能k方程引入一個(gè)湍動(dòng)耗散率,是由k方程、ε方程和Kolmogorov-Prandtl表達(dá)式共同構(gòu)成的一種完整的湍流模型,在工程實(shí)際應(yīng)用中較為成熟,可以充分反映輻流式沉淀池內(nèi)部的紊流特性。

    2.3 數(shù)值求解方法

    模擬中運(yùn)用有限體積法進(jìn)行離散方程;速度場和壓力場采用PISO算法進(jìn)行計(jì)算。假定初始時(shí)刻沉淀池內(nèi)懸浮物濃度為零,采用出水?dāng)嗝娴膽腋∥矬w積分?jǐn)?shù)作為判斷沉淀池沉淀效果依據(jù)。

    3 模擬結(jié)果與分析

    3.1 過水孔洞形狀對沉淀池內(nèi)速度流場的影響

    ①當(dāng)過水孔洞的形狀不同時(shí),沉淀池內(nèi)污水流速并沒有較大差別。②當(dāng)過水孔洞形狀為正方形、正六邊形、圓形時(shí),流體在沉淀池內(nèi)的停留時(shí)間較長,懸浮顆粒沉淀時(shí)間較長,池體容積利用率相對較高;過水孔洞形狀為正三角形、長方形時(shí),流體在池體內(nèi)停留時(shí)間較短,池體內(nèi)部回流區(qū)較大,池體容積利用率較低。

    3.2 過水孔洞形狀對出水效果的影響

    表1 不同過水孔洞形狀懸浮物去除率結(jié)果

    ①當(dāng)過水孔洞形狀分別為正三角形、長方形、正方形、正六邊形、圓形時(shí),沉淀池內(nèi)懸浮物去除率會逐漸增大;②從表1中可以得出,孔洞形狀由正三角形到圓形,孔洞的水力半徑是逐漸增大的,造成池體內(nèi)液體湍流強(qiáng)度的減小,從而越有利于懸浮物的沉淀,使得沉淀池的沉淀效果越好,這與3.1章節(jié)分析結(jié)果相吻合。

    4 結(jié)束語

    通過對過水孔洞的五種形狀不同輻流式沉淀池的數(shù)值模擬,分析其流場以及懸浮物的去除率可知:當(dāng)過水孔洞形狀為正方形、正六邊形、圓形時(shí),池體容積利用率較大,懸浮物去除率較高;過水孔洞形狀為正三角形、長方形時(shí),池體容積利用率較小,懸浮物去除率較低。該研究從計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的角度分析了不同過水孔洞形狀的輻流式沉淀池內(nèi)部流態(tài),為研究輻流式沉池內(nèi)部的流場流態(tài)特性提供了一種可行、有效的方法,所得到的結(jié)論對于輻流式沉淀的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義和工程實(shí)用價(jià)值。

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