斜板沉淀池前配水渠的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

姚娟娟，宋莉莉，劉 存

(重慶大學(xué) 環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400045)

1 研究背景

配水渠(或稱過渡段)是連接絮凝池和沉淀池的中間構(gòu)筑物，其作用在于保證配水的均勻性和提高沉淀效果[1-2]。而沉淀效果的好壞將直接影響最終出水的水質(zhì)、后續(xù)水處理工藝的運(yùn)行負(fù)荷以及制水成本的高低[3]。為了提高配水的均勻度，學(xué)者們通常采用傳統(tǒng)的純理論計(jì)算方法，對(duì)配水渠的流態(tài)進(jìn)行控制優(yōu)化[4-5]。但是理論計(jì)算只能對(duì)流場(chǎng)的主要特征進(jìn)行求解，缺乏對(duì)流場(chǎng)局部特征的量化表達(dá)[6]。近年來，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)逐漸被應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。對(duì)于不同的水處理單元，CFD的研究與應(yīng)用深度不同，絮凝、沉淀、消毒過程以及活性污泥反應(yīng)器的相關(guān)研究與日俱增，但是關(guān)于配水渠的研究相對(duì)較少[7-10]。采用CFD軟件對(duì)配水渠進(jìn)行數(shù)值模擬，可獲得流場(chǎng)內(nèi)的流速分布及其隨時(shí)間的變化情況，對(duì)優(yōu)化配水渠的設(shè)計(jì)和提高沉淀的效果有著重要意義。賀衛(wèi)寧等[11]對(duì)微渦流絮凝池和平流沉淀池之間的配水渠進(jìn)行了三維單相流模擬，通過在進(jìn)、出口之間安裝弧形導(dǎo)流板來改善配水渠內(nèi)的流速分布，使得沉淀池的進(jìn)水均勻度明顯提升。

目前仍缺乏對(duì)其他絮凝沉淀池型之間配水渠及其結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究。由于網(wǎng)格絮凝/斜板(管)沉淀工藝被廣泛地應(yīng)用在中小型規(guī)模的給水處理廠中[12-14]。所以本研究選取網(wǎng)格絮凝池與斜板沉淀池中間的配水渠為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD軟件對(duì)其進(jìn)行三維單向流穩(wěn)態(tài)模擬，以獲取出流均勻度最佳的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方案。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型

絮凝池-配水渠-沉淀池系統(tǒng)的布置形式如圖1所示。由于配水渠內(nèi)部的流動(dòng)屬于三維運(yùn)動(dòng)，因此需建立三維模型反映其流態(tài)分布，配水渠三維幾何模型示意見圖2?？紤]到網(wǎng)格絮凝池出水口和沉淀池進(jìn)水孔口的布置均具有對(duì)稱性，本研究取鏡面對(duì)稱簡(jiǎn)化后的配水渠作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化后的幾何尺寸見表1。

圖1 絮凝池-配水渠-沉淀池系統(tǒng)布置形式

2.2 湍流模型和控制方程

基于配水渠回流明顯，流線彎折曲率較大的特點(diǎn)，湍流模型選擇Realizablek-ε模型。該模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上增加了1個(gè)湍流黏性公式，且耗散率輸運(yùn)方程從精確的方程中推導(dǎo)得到，可以實(shí)現(xiàn)使流體在較小流域空間中符合湍流的發(fā)展情況?？刂品匠虨檫B續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程以及湍動(dòng)能耗散率方程[15-17]，現(xiàn)列出湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程如下：

ρε-YM+Sκ

(1)

(2)

表1 配水渠簡(jiǎn)化幾何模型尺寸

2.3 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界條件：采用流速進(jìn)口(velocity-inlet)，進(jìn)口流速v根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013-2018)設(shè)置為0.1 m/s。進(jìn)口湍流選擇intensity and hydraulic diameter，其中湍流強(qiáng)度I設(shè)置為5%，水力直徑D設(shè)置為0.8 m。

(2)出口邊界條件：由于配水渠出口處流態(tài)發(fā)展完全，屬于自由出流(outflow)。

(3)壁面邊界條件：選擇剛體無滑移(no slip)的邊界條件，不考慮摩擦力的影響。

(4)配水渠液面基于剛蓋假設(shè)原理，不考慮液面的豎向流速，設(shè)置為symmetry類型。

(5)模型求解選擇穩(wěn)態(tài)(steady)控制方式，求解算法采用較為成熟穩(wěn)定的Simple算法。

2.4 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試

使用ICEM CFD軟件對(duì)配水渠進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，見圖3。網(wǎng)格數(shù)量依據(jù)最大全局尺寸的不同劃分為4個(gè)梯度來對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行測(cè)試，具體參數(shù)見表2。提取直線x=0.7 m,z=1.1 m上均勻分布的15個(gè)點(diǎn)的流速值和直線x=0.8 m,y=1.6 m上均勻分布的15個(gè)點(diǎn)的湍動(dòng)能值，分別繪制不同網(wǎng)格數(shù)量下其隨坐標(biāo)的變化曲線，結(jié)果見圖4。

表2 配水渠模型網(wǎng)格參數(shù)表

圖2 配水渠三維幾何模型示意圖 圖3 配水渠幾何模型的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量下流速及湍動(dòng)能隨坐標(biāo)的變化曲線

由圖4可知，網(wǎng)格數(shù)量為789 709個(gè)時(shí)，各監(jiān)測(cè)位置上的流速值和湍動(dòng)能值的波動(dòng)逐漸變小，模擬流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，已基本滿足使用要求。為達(dá)到更為精確的效果，在現(xiàn)有的計(jì)算性能條件下，選取網(wǎng)格數(shù)量為1 093 280個(gè)(即最大全局尺寸為40 mm)的方案，進(jìn)行后續(xù)的求解和分析研究。

2.5 配水渠出水均勻度評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用流速變異系數(shù)CV值來表征配水渠的出水均勻度[18]，CV值越小，流速分布則越均勻，其計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

3 模型驗(yàn)證

以配水渠前端網(wǎng)格絮凝池豎井為5個(gè)并排布置時(shí)的情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所用裝置。所用的配水渠原型尺寸為b=1 400 mm，B=3 900 mm，L=2 250 mm，H=3 370 mm，h=420 mm，根據(jù)Fr相等得到模型長(zhǎng)度比尺為10，進(jìn)口流速為0.031 62 m/s。采取脈沖示蹤法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，在配水渠入口處瞬間投入3.42 g飽和KCI溶液作為示蹤劑，并在配水渠出口斷面測(cè)量電導(dǎo)率。將測(cè)得的電導(dǎo)率換算成相應(yīng)的示蹤劑濃度后，繪出水力停留時(shí)間曲線圖，如圖5所示。

圖5 示蹤劑濃度-水力停留時(shí)間曲線圖

由圖5可知，通過脈沖示蹤實(shí)驗(yàn)與CFD模擬兩種方式，得到的配水渠出口處示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律具有的高度一致性，濃度峰值均在62 s左右，并且于180 s左右時(shí)歸零。另外，由公式(5)可得脈沖實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的平均停留時(shí)間分別為82.35和79.49 s，誤差為3.6%。由此可知，CFD模擬與實(shí)際測(cè)量的水力條件吻合較好，模型可以真實(shí)可靠地反映配水渠內(nèi)部的實(shí)際水力情況。

(5)

4 配水渠的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 配水渠進(jìn)口寬度對(duì)出水均勻度的影響

配水渠的進(jìn)口寬度b通常與網(wǎng)格絮凝池單個(gè)豎井的邊長(zhǎng)相等，以此來保證網(wǎng)格絮凝池末段豎井的出流流速在規(guī)范范圍內(nèi)，避免流速增大而導(dǎo)致絮體破碎。本研究在配水渠寬度B=3 900 mm條件下，選取b=1 200、1 400、1 600、2 000 mm 4種進(jìn)口寬度，探究在不同進(jìn)口寬度下，配水渠出流均勻度最優(yōu)時(shí)對(duì)應(yīng)的配水渠長(zhǎng)度L(L為網(wǎng)格絮凝池至斜板沉淀池方向?qū)?yīng)的長(zhǎng)度)。其中進(jìn)口寬度b=1 400 mm時(shí)的模擬結(jié)果見圖6、7。

圖6 B=3 900 mm、b=1 400 mm時(shí)不同配水渠長(zhǎng)度L的進(jìn)口主流擴(kuò)散過程對(duì)比

圖7 B=3 900 mm、b=1 400 mm時(shí)不同配水渠長(zhǎng)度L的配水渠流速分布多切面云圖

由圖6可以看出，配水渠進(jìn)口的主流沿配水渠長(zhǎng)度方向發(fā)展為一道高速流水舌。當(dāng)b=1 400 mm時(shí)，主流水舌隨著L的增加始終都與出口端面相貼合，并在底部形成明顯的回流曲線。當(dāng)b為1 600 mm或2 000 mm時(shí)(由于篇幅所限，文中省略配水渠流速分布圖)，水舌隨著L的增加，逐漸脫離出口端面，同樣在配水渠底部發(fā)生彎曲回流。

從圖7知，越靠近進(jìn)口位置，水舌流態(tài)愈明顯，配水渠底部的水舌回流強(qiáng)度越高；越接近配水渠鏡面位置，水舌流型越模糊，且水舌在出口近壁面的延伸路程越短。在4組模擬工況中(省略其他3個(gè)進(jìn)口寬度工況的配水渠流速分布)，水舌向下彎折，水舌的上方區(qū)域和下方區(qū)域形成顯著的慢速流區(qū)，在上方慢速流區(qū)中，對(duì)應(yīng)進(jìn)口的出口近壁面處，其流速為出口端面流速最小的區(qū)域。

b=1 400 mm、L=1 000 mm時(shí)的配水渠出口斷面的流速分布云圖如圖8所示，提取各個(gè)孔口出口的斷面流速來評(píng)測(cè)其結(jié)構(gòu)的合理性，并繪制流速CV值隨配水渠長(zhǎng)度L的變化曲線，見圖9。

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著L的增加，流速分布越來越均勻，但L增大到一定值后均勻度有所下降。具體表現(xiàn)為：對(duì)于b為1 200 mm的研究組，在L為2 000 mm的模擬工況中，流速CV值最小，出口流速分布均勻度最高，所對(duì)應(yīng)的L最佳范圍在1 750～2 250 mm；對(duì)于b為1 400 mm的研究組，其流速CV值在L為2 000和2 250 mm的工況中最小，L的最佳范圍同上；同理可知，對(duì)于b為1 600和2 000 mm的研究組，L的最佳范圍分別為2 000～2 500 mm和2 500～3 000 mm。另外，對(duì)于不同的進(jìn)口寬度b，配水渠在最佳渠長(zhǎng)下的流速CV值分別為2.68%，3.12%和4.35%，呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，這表明后端沉淀池的來流布水均勻度越來越低。所以，當(dāng)b增加時(shí)，L應(yīng)該適當(dāng)增加以便達(dá)到最優(yōu)的出流效果。

4.2 配水渠寬度對(duì)出水均勻度的影響

在給水廠網(wǎng)格絮凝池的設(shè)計(jì)中，一般有5、7、9個(gè)豎井并排布置的形式[19]。配水渠寬度B的變化，對(duì)應(yīng)著網(wǎng)格絮凝池的3種布置形式。本研究選擇b為1 400 mm，B分別為3 900、5 300和6 700 mm，模擬B變化對(duì)出水均勻度的影響并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，探究L的最佳范圍。其中B為5 300和6 700 mm時(shí)，數(shù)值模擬的配水渠流速分布云圖分別見圖10和11(B為3 900 mm時(shí)的流速分布云圖見圖7)。

圖8 配水渠出口斷面流速分布云圖(b=1 400 mm，L=1 000 mm) 圖9 不同進(jìn)口寬度孔口出口流速CV值隨配水渠長(zhǎng)度L變化曲線

圖10 B=5 300 mm、b=1 400 mm時(shí)不同配水渠長(zhǎng)度L的配水渠流速分布多切面云圖

圖11 B=6 700 mm、b=1 400 mm時(shí)不同配水渠長(zhǎng)度L的配水渠流速分布多切面云圖

由圖10和11可以看出，不同渠寬下的模擬流場(chǎng)的主要特征同圖7。在渠寬方向上，流速剖切面越靠近配水渠對(duì)稱面位置，流域流速越小，且隨著B的增大，這一新的慢速流區(qū)范圍也顯著擴(kuò)大，導(dǎo)致遠(yuǎn)離進(jìn)口的出水孔口相對(duì)其他出口流量偏小。

取各個(gè)出口的斷面流速并繪制流速CV值隨配水渠長(zhǎng)度L的變化曲線，見圖12。

圖12 不同水渠寬度孔口出口流速CV值隨配水渠長(zhǎng)度L變化曲線

由圖12可知，B為3 900 mm時(shí)，其流速CV值在L為2 000和2 250 mm的模擬工況中最小，出口流速分布均勻度最高，所對(duì)應(yīng)的L最佳范圍為1 750～2 250 mm；同理可知，對(duì)于B為5 300和6 700 mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的L最佳范圍分別為2 000～2 500 mm和2 500～3 000 mm。隨著B的增加，出口斷面的流速CV值整體增大，最小流速CV值從3.12%上升到4.74%和5.07%，這表明B越大，其最佳出流條件下出口流速的分布均勻度越低，對(duì)應(yīng)的最佳渠長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)增大。另外，當(dāng)B從3 900 mm增加到5 300 mm時(shí)，即對(duì)應(yīng)著網(wǎng)格絮凝池從5個(gè)豎井變化到7個(gè)豎井并排布置時(shí)，其出水均勻度降低了52%，而當(dāng)B從5 300 mm增加到6 700 mm時(shí)，即從7個(gè)豎井變?yōu)?個(gè)豎井并排布置時(shí)，出水均勻度僅僅降低7%，這表明在后期，B的增加對(duì)出水均勻度的影響程度有限。

4.3 雙段配水渠及其擋墻位置的優(yōu)化

雙段配水渠的出現(xiàn)往往是為了防止短流現(xiàn)象的發(fā)生，優(yōu)化布水效果。選擇L為2 000 mm，b為1 200、1 400、1 600、2 000 mm的配水渠進(jìn)行研究，模擬共分為3組，擋墻距進(jìn)口的距離分別為800(l1)、1 000(l2)和1 200 mm(l3)。b為1 400 mm時(shí)模擬的配水渠流速分布云圖見圖13。

圖13 擋墻距進(jìn)口不同距離時(shí)配水渠流速分布切面云圖(L=2 000 mm，b=1 400 mm)

由圖13可以看出，進(jìn)口的集中來流形成主流水舌，在首段配水渠擴(kuò)散程度較低；主流翻越擋墻時(shí)，在擋墻上方區(qū)域的擴(kuò)散程度加大；在第2段配水渠內(nèi)主流進(jìn)一步擴(kuò)散，貼著出口端面一側(cè)向下流動(dòng)，此時(shí)其流速分布已經(jīng)較為均勻。

提取各個(gè)出口斷面的流速，計(jì)算其流速CV值，并與單段配水渠(無擋墻)進(jìn)行比較分析，其結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同進(jìn)口寬度下?lián)鯄噙M(jìn)口的距離對(duì)出流均勻度的影響

分析圖14可以發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)b為2 000 mm時(shí)，擋墻的加設(shè)對(duì)均勻出流貢獻(xiàn)了57%的提升率；而當(dāng)b為1 200 mm時(shí)，擋墻對(duì)均勻出流的效果僅僅提升了9%；而當(dāng)b為1 400 mm，擋墻位置在距離進(jìn)口1 000和1 200 mm時(shí)，出流均勻度反而降低了。表明在相同的L下，b較長(zhǎng)時(shí)(1 600和2 000 mm工況)，雙段配水渠對(duì)均勻出水的貢獻(xiàn)效果才更為明顯。(2)在確定設(shè)置雙段配水渠的情況下，雙段配水渠擋墻一般不應(yīng)安置于配水渠中間，而應(yīng)安置于距離進(jìn)口800 mm的位置，以減小低效率配水渠(首段配水渠)的流域空間，增加第2段配水渠容積，從而提高主流擴(kuò)散程度，此種條件下的流速CV值最小，出水流態(tài)最為均勻。

5 結(jié) 論

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，針對(duì)網(wǎng)格絮凝池與斜板沉淀池之間的配水渠進(jìn)行了三維單向流穩(wěn)態(tài)模擬，以流速變異系數(shù)CV值為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)配水渠進(jìn)口寬度b、配水渠寬度B、配水渠長(zhǎng)度L進(jìn)行了水力優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論：

(1)為達(dá)到最優(yōu)的均勻出流效果，研究了b(等于網(wǎng)格絮凝池豎井邊長(zhǎng))變化時(shí)L的最佳取值范圍。優(yōu)化結(jié)果顯示，當(dāng)b在1 200～1 600 mm范圍之內(nèi)時(shí)，L的最佳取值范圍在1 750～2 250 mm之內(nèi)，此時(shí)出水均勻度最優(yōu)；當(dāng)b較窄時(shí)，L的最優(yōu)取值可適當(dāng)縮短；當(dāng)b大于1 600 mm時(shí)，L的最優(yōu)取值應(yīng)適當(dāng)增加，但不應(yīng)大于3 000 mm。

(2)針對(duì)網(wǎng)格絮凝池的3種常規(guī)布置形式，對(duì)B與L的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格絮凝池為7個(gè)或9個(gè)豎井并排布置時(shí)(對(duì)應(yīng)B為5 300或者6 700 mm)，L的最佳取值范圍在2 250～2 750 mm內(nèi)，相對(duì)于5個(gè)豎井并排布置的工況增加了500 mm。

(3)通過改變b，對(duì)雙段配水渠及其擋墻位置進(jìn)行了優(yōu)化研究。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，b較大時(shí)(2 000 mm左右)，設(shè)計(jì)雙段配水渠對(duì)出流均勻度的提升效果顯著，提高率可達(dá)為57%；b較窄時(shí)(1 200～1 600 mm)，雙段配水渠對(duì)出流均勻度的提升效果較低，僅為9%；若設(shè)計(jì)雙段配水渠，其擋墻位置應(yīng)靠近進(jìn)口一側(cè)布置而不宜位于池體中間。