不同安放角度對(duì)污水?dāng)嚢杵魉μ匦缘挠绊?/h1>
2021-05-24 06:00:30張海晟鄭源張智闞闞莫旭穎
排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 2021年5期
張海晟， 鄭源，2*， 張智， 闞闞， 莫旭穎
(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué)創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210098)
隨著中國(guó)發(fā)展腳步的加快，社會(huì)對(duì)水資源的需求也在不斷增大.伴隨這些發(fā)展的同時(shí)，人類對(duì)水資源的利用率在降低，水污染的情況也在不斷地發(fā)生，因此污水處理對(duì)水資源的高效利用是不可或缺的一項(xiàng)工藝.攪拌器是污水處理中重要的流動(dòng)混合器械.潛水?dāng)嚢杵髟谖鬯幚碇衅鸬疥P(guān)鍵的作用.
潛水?dāng)嚢杵骺梢苑譃?類，第1類是高速攪拌器，直徑小轉(zhuǎn)速高，通過(guò)高速攪拌加速攪拌池中不同介質(zhì)的混合.第2類是低速推流器，其特點(diǎn)為直徑大、轉(zhuǎn)速低，通過(guò)對(duì)大面積的流體介質(zhì)作用以促進(jìn)相應(yīng)環(huán)境下的流體循環(huán).目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)污水處理攪拌器開(kāi)展了大量的工作.施衛(wèi)東等[1]利用Fluent模擬了污水處理攪拌器在不同池形中所消耗的功率，并分析了池內(nèi)的速度場(chǎng)，對(duì)其性能做出了預(yù)測(cè).周大慶等[2]發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變推流器安裝位置，可以有效避免反混現(xiàn)象，并基于CFD對(duì)能量配置進(jìn)行計(jì)算，為推流器能量配置計(jì)算提供理論指導(dǎo).張曉寧[3]提出了一種評(píng)價(jià)潛水?dāng)嚢杵餍軆?yōu)劣的新方法——有效攪拌域法，通過(guò)模擬有擺動(dòng)及無(wú)擺動(dòng)的攪拌器的流場(chǎng)，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法.梁天將[4]基于CFD對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯牧鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬及優(yōu)化，通過(guò)改變槳葉數(shù)、槳葉直徑、攪拌器轉(zhuǎn)速以及槳葉到底部的距離來(lái)優(yōu)化攪拌器的流場(chǎng).徐順等[5]研究了攪拌器葉片間隙對(duì)軸功率、出口流量、軸推力、攪拌效果的影響.田飛等[6-7]利用攪拌機(jī)的軸向有效推進(jìn)距離與水體截面有效擾動(dòng)半徑，對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯墓β蔬M(jìn)行研究，在分析潛水?dāng)嚢杵鞴β蕮p失的基礎(chǔ)上，利用功率定義以及動(dòng)量守恒推導(dǎo)出潛水?dāng)嚢杵鞯男视?jì)算公式.NAKAI等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同工況下攪拌器對(duì)脫硫劑分散的影響.WICKLEIN等[9]采用多種湍流模型模擬氧化溝流場(chǎng)內(nèi)能量特性，分析不同湍流模型的優(yōu)缺點(diǎn).
文中基于Fluent軟件針對(duì)某款已生產(chǎn)使用的污水處理攪拌器進(jìn)行數(shù)值模擬.在不改變處理池整體結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)改變潛水?dāng)嚢杵鞯陌卜沤嵌葋?lái)對(duì)比分析每個(gè)角度下流場(chǎng)及水力特性，對(duì)比分析整體流速、不同斷面的流速以及每個(gè)角度下攪拌器擺放位置中心截面處的速度在各個(gè)方向上的速度分量，以此得出攪拌器最優(yōu)擺放角度.
1 數(shù)值模擬
1.1 模型參數(shù)
在數(shù)值模擬中，對(duì)整個(gè)處理池進(jìn)行三維定常湍流計(jì)算.文中模擬的處理池未設(shè)置進(jìn)出口，長(zhǎng)16.3 m，寬7.2 m，高6.0 m，處理池的總體積為613.9 m3，池內(nèi)液體高5 m，攪拌器設(shè)置在圖1的下側(cè)流道中心位置，攪拌器中心距底部1.6 m，處理池另一側(cè)設(shè)有1塊導(dǎo)流墻，介質(zhì)為常溫常壓的水，攪拌器葉片直徑300 mm，葉輪直徑125 mm，高96 mm，額定轉(zhuǎn)速730 r/min.處理池結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 處理池三維模型
利用UG軟件建立處理池三維物理模型.為攪拌器建立一個(gè)直徑310 mm、高度105 mm的圓柱旋轉(zhuǎn)區(qū)域，所建立的圓柱旋轉(zhuǎn)曲面的底面與輪轂底面重合,結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.
圖2 轉(zhuǎn)輪體三維模型
1.2 網(wǎng)格及邊界條件
利用ICEM對(duì)處理池及轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對(duì)支撐、葉片以及輪轂這些較為復(fù)雜的過(guò)流部件表面進(jìn)行加密，以減少數(shù)值模擬計(jì)算的誤差.考慮到該攪拌器形狀的復(fù)雜性，采用了自適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格以及邊界層網(wǎng)格，并對(duì)近壁面等關(guān)鍵部位進(jìn)行了局部加密.文中所用處理池?zé)o進(jìn)出口，對(duì)每個(gè)工況的模型進(jìn)行了精細(xì)的網(wǎng)格劃分.通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究，在擺放角度為-15°時(shí)，網(wǎng)格數(shù)為110萬(wàn)，體平均流速為0.785 m/s，網(wǎng)格數(shù)為130萬(wàn)，體平均流速0.095 m/s，網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)，體平均流速為0.086 m/s，網(wǎng)格數(shù)為170萬(wàn)，體平均流速為0.103 m/s.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到150萬(wàn)后，網(wǎng)格數(shù)對(duì)體平均流速的影響較小，綜合考慮計(jì)算資源與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.
所有壁、墻、攪拌器支架、攪拌器葉片表面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件，水池表面采用對(duì)稱邊界條件，不考慮粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響.假定處理池中水流為恒定流，采用MRF方法，固定區(qū)域與旋轉(zhuǎn)區(qū)域之間的交界面設(shè)置為interface類型.
1.3 控制方程及湍流模型
經(jīng)綜合考慮，利用Fluent 18.0流體計(jì)算軟件，采用SIMPLEC算法.選用的控制方程有：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程以及三維標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程.
2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析
2.1 確定攪拌器安放角度
文中共計(jì)算5種工況，設(shè)定攪拌器原安放位置為0°，順時(shí)針、逆時(shí)針?lè)謩e旋轉(zhuǎn)15°，30°，共模擬分析這5個(gè)工況下的水力特性.
2.2 平均流速與功率分析
文中采用的處理池尺寸較大，針對(duì)攪拌器在池內(nèi)的平均流速以及功率特性也是評(píng)判該潛水?dāng)嚢杵魉μ匦缘囊豁?xiàng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).通過(guò)計(jì)算出整個(gè)處理池內(nèi)的平均流速以及每種工況下轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速值均相同.再根據(jù)功率的公式來(lái)計(jì)算功率.計(jì)算公式為
P=Mω.
表1為不同工況下流速、轉(zhuǎn)矩、功率表，結(jié)合圖3流速-功率折線圖，當(dāng)攪拌器處于原始位置以及逆時(shí)針轉(zhuǎn)15°(-15°)時(shí)，整個(gè)處理池內(nèi)的流速較大.
表1 各個(gè)工況下流速、轉(zhuǎn)矩、功率對(duì)比
圖3 流速-功率折線圖
2.3 中心橫斷面速度云圖分析
文中采用的處理池較大，從處理池底部水體以及處理池頂部水體的流態(tài)不易看出某個(gè)工況下攪拌器的工作狀態(tài).因此在處理池橫向的中間位置處建立1個(gè)橫斷面作為1個(gè)監(jiān)測(cè)面，該處是攪拌器的中心位置，觀察比較每個(gè)工況下中心位置的流速分布圖.利用CFD的后處理軟件POST在處理池中間位置建立1個(gè)橫斷面，如圖4所示.
圖4 中心橫斷面示意圖
利用POST后處理軟件，對(duì)比分析安裝角度為-15°,0°時(shí)中心橫斷面速度云圖如圖5所示.
圖5 中心橫斷面速度云圖
通過(guò)圖5可知，攪拌器在從左側(cè)的30°轉(zhuǎn)向最右側(cè)的30°的過(guò)程中，流速值呈現(xiàn)逐漸增大然后逐漸減小的趨勢(shì)，在攪拌器處于原始位置的情況下，此時(shí)的流速值達(dá)到最大值.
通過(guò)圖5中心橫斷面速度云圖，對(duì)比每個(gè)工況中心截面的速度云圖發(fā)現(xiàn)，流速值為0～0.5 m/s.當(dāng)攪拌器的安裝角度為0°和-15°時(shí)，中心橫斷面上的流速普遍較大，深藍(lán)色的區(qū)域較少，-15°的中心橫斷面的流態(tài)優(yōu)于0°，當(dāng)攪拌器的安裝角度為0°時(shí)，通過(guò)攪拌器攪拌過(guò)的水體向流向方向發(fā)展，射在處理池最左端墻壁后向另一流道開(kāi)始回流，經(jīng)過(guò)另一流道中的導(dǎo)流孔，流速下降.當(dāng)攪拌器為-15°的工況時(shí)，攪拌器安裝角度發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，水體并未像0°時(shí)向前射去而是沖撞到下側(cè)池壁以后水體向兩側(cè)擴(kuò)散開(kāi)，整個(gè)處理池內(nèi)的流速普遍較高，該工況流態(tài)最優(yōu).
2.4 中心橫斷面流速分析
當(dāng)攪拌器的安裝角度為-15°，0°時(shí)，整個(gè)處理池內(nèi)的流態(tài)較好.分析對(duì)比2種工況中心橫斷面的速度在坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)軸上的速度分量，圖6—8分別為中心橫斷面速度在x，y，z軸上的分量.
圖6 中心橫斷面x軸速度分量云圖
對(duì)比圖6發(fā)現(xiàn)，5個(gè)工況的中心截面速度在x軸的分量均存在大片藍(lán)色低速區(qū)域，驗(yàn)證經(jīng)過(guò)攪拌器的水體均呈現(xiàn)射流狀，速度在x軸的分量沒(méi)有明顯體現(xiàn).通過(guò)圖8可知，攪拌器的功率值在從最左側(cè)的角度到最右側(cè)的角度的功率值先下降再上升.結(jié)合以上數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流速較大的工況功率較小，流速較小的工況功率較大；原始位置和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°的工況較優(yōu)，處理池內(nèi)流速較大，攪拌器耗能較少.
從圖7中可以看出，第1種工況相比于其他4種工況在y軸速度分量云圖紅色高速區(qū)較少，在最后2種工況y軸的速度分量云圖明顯看出經(jīng)過(guò)攪拌器攪拌的水體與導(dǎo)流墻發(fā)生直接的碰撞，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)攪拌水體向前射流的作用，-15°以及0°的工況很好地實(shí)現(xiàn)攪拌以及向前射流的效果.
圖7 中心橫斷面y軸速度分量云圖
圖8 中心橫斷面z軸速度分量云圖
對(duì)比圖8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌器安裝角度為-15°時(shí)，云圖中藍(lán)色低速區(qū)域最少，其次為當(dāng)安裝角度為0°時(shí)存在較少的藍(lán)色區(qū)域，其他3種工況均存在部分藍(lán)色低速區(qū)域.
綜上所述，當(dāng)攪拌器安裝角度為-15°時(shí)，整個(gè)處理池內(nèi)的流態(tài)較優(yōu).
2.5 中心橫斷面速度流線圖分析
圖9為該工況在中心橫斷面的速度流線圖.從圖中可以看出，在中心橫斷面流線圖中，當(dāng)角度為-15°時(shí)，整個(gè)處理池的高速流線較多，相反角度為0°時(shí)，流線顏色較深，低速流線較多.結(jié)合流線圖2種工況中的水體在處理池中回流較好，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔，水體很好地向前射去，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流墻向另一流道射去.處理池中的水體經(jīng)過(guò)攪拌器加速后，向前射去，由于與墻體發(fā)生碰撞向另一流道射去，2種工況在該流道均產(chǎn)生一個(gè)旋渦，對(duì)比流線，當(dāng)角度為-15°時(shí)，該旋渦的流速較高，當(dāng)水體在此形成旋渦時(shí)，還在高速流動(dòng)，不會(huì)受到流速低而形成不向前射去的現(xiàn)象，相反當(dāng)角度為0°時(shí)該旋渦流速較低，在此會(huì)滯留一部分水體.經(jīng)過(guò)流線圖的對(duì)比，當(dāng)攪拌器角度為-15°時(shí)，此時(shí)攪拌器所表現(xiàn)的水力性能最優(yōu).
圖9 中心橫斷面速度流線圖
3 結(jié) 論
1) 通過(guò)改變攪拌器在處理池內(nèi)的安裝角度可以有效改善處理池內(nèi)的整體流態(tài)以及循環(huán)流動(dòng)，優(yōu)化攪拌器的攪拌效果.
2) 當(dāng)攪拌器安裝角度為-15°時(shí)，該工況通過(guò)數(shù)值模擬得到的整個(gè)處理池內(nèi)流速為0.086 m/s，功率為0.918 kW.通過(guò)流速的分析對(duì)比，該工況下的流態(tài)最優(yōu)，攪拌效果最好.
3) 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)流速及功率是衡量攪拌器水力特性的一項(xiàng)重要指標(biāo).模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速、池子等均不改變，只改變攪拌器安裝角度時(shí)，計(jì)算所得功率較大，相應(yīng)流速較低，得出該工況攪拌效果較差.
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張海晟， 鄭源，2*， 張智， 闞闞， 莫旭穎
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隨著中國(guó)發(fā)展腳步的加快，社會(huì)對(duì)水資源的需求也在不斷增大.伴隨這些發(fā)展的同時(shí)，人類對(duì)水資源的利用率在降低，水污染的情況也在不斷地發(fā)生，因此污水處理對(duì)水資源的高效利用是不可或缺的一項(xiàng)工藝.攪拌器是污水處理中重要的流動(dòng)混合器械.潛水?dāng)嚢杵髟谖鬯幚碇衅鸬疥P(guān)鍵的作用.
潛水?dāng)嚢杵骺梢苑譃?類，第1類是高速攪拌器，直徑小轉(zhuǎn)速高，通過(guò)高速攪拌加速攪拌池中不同介質(zhì)的混合.第2類是低速推流器，其特點(diǎn)為直徑大、轉(zhuǎn)速低，通過(guò)對(duì)大面積的流體介質(zhì)作用以促進(jìn)相應(yīng)環(huán)境下的流體循環(huán).目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)污水處理攪拌器開(kāi)展了大量的工作.施衛(wèi)東等[1]利用Fluent模擬了污水處理攪拌器在不同池形中所消耗的功率，并分析了池內(nèi)的速度場(chǎng)，對(duì)其性能做出了預(yù)測(cè).周大慶等[2]發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變推流器安裝位置，可以有效避免反混現(xiàn)象，并基于CFD對(duì)能量配置進(jìn)行計(jì)算，為推流器能量配置計(jì)算提供理論指導(dǎo).張曉寧[3]提出了一種評(píng)價(jià)潛水?dāng)嚢杵餍軆?yōu)劣的新方法——有效攪拌域法，通過(guò)模擬有擺動(dòng)及無(wú)擺動(dòng)的攪拌器的流場(chǎng)，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法.梁天將[4]基于CFD對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯牧鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬及優(yōu)化，通過(guò)改變槳葉數(shù)、槳葉直徑、攪拌器轉(zhuǎn)速以及槳葉到底部的距離來(lái)優(yōu)化攪拌器的流場(chǎng).徐順等[5]研究了攪拌器葉片間隙對(duì)軸功率、出口流量、軸推力、攪拌效果的影響.田飛等[6-7]利用攪拌機(jī)的軸向有效推進(jìn)距離與水體截面有效擾動(dòng)半徑，對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯墓β蔬M(jìn)行研究，在分析潛水?dāng)嚢杵鞴β蕮p失的基礎(chǔ)上，利用功率定義以及動(dòng)量守恒推導(dǎo)出潛水?dāng)嚢杵鞯男视?jì)算公式.NAKAI等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同工況下攪拌器對(duì)脫硫劑分散的影響.WICKLEIN等[9]采用多種湍流模型模擬氧化溝流場(chǎng)內(nèi)能量特性，分析不同湍流模型的優(yōu)缺點(diǎn).
文中基于Fluent軟件針對(duì)某款已生產(chǎn)使用的污水處理攪拌器進(jìn)行數(shù)值模擬.在不改變處理池整體結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)改變潛水?dāng)嚢杵鞯陌卜沤嵌葋?lái)對(duì)比分析每個(gè)角度下流場(chǎng)及水力特性，對(duì)比分析整體流速、不同斷面的流速以及每個(gè)角度下攪拌器擺放位置中心截面處的速度在各個(gè)方向上的速度分量，以此得出攪拌器最優(yōu)擺放角度.
1 數(shù)值模擬
1.1 模型參數(shù)
在數(shù)值模擬中，對(duì)整個(gè)處理池進(jìn)行三維定常湍流計(jì)算.文中模擬的處理池未設(shè)置進(jìn)出口，長(zhǎng)16.3 m，寬7.2 m，高6.0 m，處理池的總體積為613.9 m3，池內(nèi)液體高5 m，攪拌器設(shè)置在圖1的下側(cè)流道中心位置，攪拌器中心距底部1.6 m，處理池另一側(cè)設(shè)有1塊導(dǎo)流墻，介質(zhì)為常溫常壓的水，攪拌器葉片直徑300 mm，葉輪直徑125 mm，高96 mm，額定轉(zhuǎn)速730 r/min.處理池結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 處理池三維模型
利用UG軟件建立處理池三維物理模型.為攪拌器建立一個(gè)直徑310 mm、高度105 mm的圓柱旋轉(zhuǎn)區(qū)域，所建立的圓柱旋轉(zhuǎn)曲面的底面與輪轂底面重合,結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.
圖2 轉(zhuǎn)輪體三維模型
1.2 網(wǎng)格及邊界條件
利用ICEM對(duì)處理池及轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對(duì)支撐、葉片以及輪轂這些較為復(fù)雜的過(guò)流部件表面進(jìn)行加密，以減少數(shù)值模擬計(jì)算的誤差.考慮到該攪拌器形狀的復(fù)雜性，采用了自適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格以及邊界層網(wǎng)格，并對(duì)近壁面等關(guān)鍵部位進(jìn)行了局部加密.文中所用處理池?zé)o進(jìn)出口，對(duì)每個(gè)工況的模型進(jìn)行了精細(xì)的網(wǎng)格劃分.通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究，在擺放角度為-15°時(shí)，網(wǎng)格數(shù)為110萬(wàn)，體平均流速為0.785 m/s，網(wǎng)格數(shù)為130萬(wàn)，體平均流速0.095 m/s，網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)，體平均流速為0.086 m/s，網(wǎng)格數(shù)為170萬(wàn)，體平均流速為0.103 m/s.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到150萬(wàn)后，網(wǎng)格數(shù)對(duì)體平均流速的影響較小，綜合考慮計(jì)算資源與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.
所有壁、墻、攪拌器支架、攪拌器葉片表面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件，水池表面采用對(duì)稱邊界條件，不考慮粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響.假定處理池中水流為恒定流，采用MRF方法，固定區(qū)域與旋轉(zhuǎn)區(qū)域之間的交界面設(shè)置為interface類型.
1.3 控制方程及湍流模型
經(jīng)綜合考慮，利用Fluent 18.0流體計(jì)算軟件，采用SIMPLEC算法.選用的控制方程有：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程以及三維標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程.
2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析
2.1 確定攪拌器安放角度
文中共計(jì)算5種工況，設(shè)定攪拌器原安放位置為0°，順時(shí)針、逆時(shí)針?lè)謩e旋轉(zhuǎn)15°，30°，共模擬分析這5個(gè)工況下的水力特性.
2.2 平均流速與功率分析
文中采用的處理池尺寸較大，針對(duì)攪拌器在池內(nèi)的平均流速以及功率特性也是評(píng)判該潛水?dāng)嚢杵魉μ匦缘囊豁?xiàng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).通過(guò)計(jì)算出整個(gè)處理池內(nèi)的平均流速以及每種工況下轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速值均相同.再根據(jù)功率的公式來(lái)計(jì)算功率.計(jì)算公式為
P=Mω.
表1為不同工況下流速、轉(zhuǎn)矩、功率表，結(jié)合圖3流速-功率折線圖，當(dāng)攪拌器處于原始位置以及逆時(shí)針轉(zhuǎn)15°(-15°)時(shí)，整個(gè)處理池內(nèi)的流速較大.
表1 各個(gè)工況下流速、轉(zhuǎn)矩、功率對(duì)比
圖3 流速-功率折線圖
2.3 中心橫斷面速度云圖分析
文中采用的處理池較大，從處理池底部水體以及處理池頂部水體的流態(tài)不易看出某個(gè)工況下攪拌器的工作狀態(tài).因此在處理池橫向的中間位置處建立1個(gè)橫斷面作為1個(gè)監(jiān)測(cè)面，該處是攪拌器的中心位置，觀察比較每個(gè)工況下中心位置的流速分布圖.利用CFD的后處理軟件POST在處理池中間位置建立1個(gè)橫斷面，如圖4所示.
圖4 中心橫斷面示意圖
利用POST后處理軟件，對(duì)比分析安裝角度為-15°,0°時(shí)中心橫斷面速度云圖如圖5所示.
圖5 中心橫斷面速度云圖
通過(guò)圖5可知，攪拌器在從左側(cè)的30°轉(zhuǎn)向最右側(cè)的30°的過(guò)程中，流速值呈現(xiàn)逐漸增大然后逐漸減小的趨勢(shì)，在攪拌器處于原始位置的情況下，此時(shí)的流速值達(dá)到最大值.
通過(guò)圖5中心橫斷面速度云圖，對(duì)比每個(gè)工況中心截面的速度云圖發(fā)現(xiàn)，流速值為0～0.5 m/s.當(dāng)攪拌器的安裝角度為0°和-15°時(shí)，中心橫斷面上的流速普遍較大，深藍(lán)色的區(qū)域較少，-15°的中心橫斷面的流態(tài)優(yōu)于0°，當(dāng)攪拌器的安裝角度為0°時(shí)，通過(guò)攪拌器攪拌過(guò)的水體向流向方向發(fā)展，射在處理池最左端墻壁后向另一流道開(kāi)始回流，經(jīng)過(guò)另一流道中的導(dǎo)流孔，流速下降.當(dāng)攪拌器為-15°的工況時(shí)，攪拌器安裝角度發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，水體并未像0°時(shí)向前射去而是沖撞到下側(cè)池壁以后水體向兩側(cè)擴(kuò)散開(kāi)，整個(gè)處理池內(nèi)的流速普遍較高，該工況流態(tài)最優(yōu).
2.4 中心橫斷面流速分析
當(dāng)攪拌器的安裝角度為-15°，0°時(shí)，整個(gè)處理池內(nèi)的流態(tài)較好.分析對(duì)比2種工況中心橫斷面的速度在坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)軸上的速度分量，圖6—8分別為中心橫斷面速度在x，y，z軸上的分量.
圖6 中心橫斷面x軸速度分量云圖
對(duì)比圖6發(fā)現(xiàn)，5個(gè)工況的中心截面速度在x軸的分量均存在大片藍(lán)色低速區(qū)域，驗(yàn)證經(jīng)過(guò)攪拌器的水體均呈現(xiàn)射流狀，速度在x軸的分量沒(méi)有明顯體現(xiàn).通過(guò)圖8可知，攪拌器的功率值在從最左側(cè)的角度到最右側(cè)的角度的功率值先下降再上升.結(jié)合以上數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流速較大的工況功率較小，流速較小的工況功率較大；原始位置和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°的工況較優(yōu)，處理池內(nèi)流速較大，攪拌器耗能較少.
從圖7中可以看出，第1種工況相比于其他4種工況在y軸速度分量云圖紅色高速區(qū)較少，在最后2種工況y軸的速度分量云圖明顯看出經(jīng)過(guò)攪拌器攪拌的水體與導(dǎo)流墻發(fā)生直接的碰撞，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)攪拌水體向前射流的作用，-15°以及0°的工況很好地實(shí)現(xiàn)攪拌以及向前射流的效果.
圖7 中心橫斷面y軸速度分量云圖
圖8 中心橫斷面z軸速度分量云圖
對(duì)比圖8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌器安裝角度為-15°時(shí)，云圖中藍(lán)色低速區(qū)域最少，其次為當(dāng)安裝角度為0°時(shí)存在較少的藍(lán)色區(qū)域，其他3種工況均存在部分藍(lán)色低速區(qū)域.
綜上所述，當(dāng)攪拌器安裝角度為-15°時(shí)，整個(gè)處理池內(nèi)的流態(tài)較優(yōu).
2.5 中心橫斷面速度流線圖分析
圖9為該工況在中心橫斷面的速度流線圖.從圖中可以看出，在中心橫斷面流線圖中，當(dāng)角度為-15°時(shí)，整個(gè)處理池的高速流線較多，相反角度為0°時(shí)，流線顏色較深，低速流線較多.結(jié)合流線圖2種工況中的水體在處理池中回流較好，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔，水體很好地向前射去，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流墻向另一流道射去.處理池中的水體經(jīng)過(guò)攪拌器加速后，向前射去，由于與墻體發(fā)生碰撞向另一流道射去，2種工況在該流道均產(chǎn)生一個(gè)旋渦，對(duì)比流線，當(dāng)角度為-15°時(shí)，該旋渦的流速較高，當(dāng)水體在此形成旋渦時(shí)，還在高速流動(dòng)，不會(huì)受到流速低而形成不向前射去的現(xiàn)象，相反當(dāng)角度為0°時(shí)該旋渦流速較低，在此會(huì)滯留一部分水體.經(jīng)過(guò)流線圖的對(duì)比，當(dāng)攪拌器角度為-15°時(shí)，此時(shí)攪拌器所表現(xiàn)的水力性能最優(yōu).
圖9 中心橫斷面速度流線圖
3 結(jié) 論
1) 通過(guò)改變攪拌器在處理池內(nèi)的安裝角度可以有效改善處理池內(nèi)的整體流態(tài)以及循環(huán)流動(dòng)，優(yōu)化攪拌器的攪拌效果.
2) 當(dāng)攪拌器安裝角度為-15°時(shí)，該工況通過(guò)數(shù)值模擬得到的整個(gè)處理池內(nèi)流速為0.086 m/s，功率為0.918 kW.通過(guò)流速的分析對(duì)比，該工況下的流態(tài)最優(yōu)，攪拌效果最好.
3) 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)流速及功率是衡量攪拌器水力特性的一項(xiàng)重要指標(biāo).模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速、池子等均不改變，只改變攪拌器安裝角度時(shí)，計(jì)算所得功率較大，相應(yīng)流速較低，得出該工況攪拌效果較差.
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