基于CFD的斜板沉淀池水力特性模擬研究

王伊林 馬立山 王 強 楊國麗 樊書銘 陳恩漢

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

沉淀池是城市水處理系統(tǒng)的重要組成部分，在水處理系統(tǒng)和工業(yè)中廣泛應(yīng)用[1].現(xiàn)有沉淀池有不同種類型，其中，基于“淺池沉淀”理論設(shè)計并使用的斜板(管)沉淀池，在空間利用率和沉淀效率存在明顯的優(yōu)點，因此在水處理工藝中獲得了較普遍的應(yīng)用[2]，但理論中所建立的理想沉淀池，其核心是以平均流速來衡量沉淀效果，三維流場不均勻的影響沒有考慮其中.在設(shè)計上，斜板沉淀池主要依靠經(jīng)驗值，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的參數(shù)大多僅有參考范圍，所設(shè)計的沉淀池存在不確定性，因此沉淀池的水力特性和去除率的優(yōu)化一直是許多研究的主題[3].然而通過實驗手段解決問題存在局限性，隨著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展，利用Fluent模擬沉淀池逐漸興起，通過模擬可得到池體內(nèi)流體的流動狀態(tài)，還能夠在改變設(shè)計參數(shù)的情況下，觀察池體內(nèi)部顆粒分布，從而便于分析以及參數(shù)的優(yōu)化[4].本次研究主要模擬斜板沉淀池內(nèi)流場、流態(tài)等，對池體內(nèi)部流體提供可視化分析.

1 計算方法

1.1 Mixture模型

Mixture混合模型是一種經(jīng)過簡化的多相流模型，它可以用來模擬各相速度相同等不同情況的多相流，典型的應(yīng)用有沉降、旋風(fēng)分離器等[5].Mixture模型具有模型較為簡單，內(nèi)存要求小，計算結(jié)果可靠等優(yōu)點[6].

1.1.1 連續(xù)性方程

(1)

式中：vm——質(zhì)量平均速度：

(2)

ρm——混合密度：

(3)

αk——第k相的體積分?jǐn)?shù)；

1.1.2 動量方程

(4)

式中：n——相數(shù)；

F——體積力；

μm——混合黏性：

(5)

vdr,k——第二相k的飄移速度：

vdr,k=vk-vm

(6)

1.1.3 能量方程

(7)

式中：keff——有效熱傳導(dǎo)率：

keff=∑αk(kk+kt)

(8)

公式(8)中kt是湍流熱傳導(dǎo)率.公式(7)中等號右邊第一項表示由于傳導(dǎo)造成的能量傳遞.SE是所有體積熱源之和.

公式(7)中：

(9)

1.1.4 第二相的體積分?jǐn)?shù)方程

(10)

1.1.5 相對速度

在湍流條件下，相對速度方程為：

(11)

式中：σt——Prandt/Schmidt數(shù)，設(shè)為0.75；

ηt——湍流擴(kuò)散系數(shù)；

dp——第二相顆粒的直徑；

fdrag——曳力函數(shù)：

(12)

1.2 湍流模型

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.該模型是目前使用最普遍的湍流模型，其中湍動能k和耗散率ε方程[5]如下：

(13)

(14)

式中：Gk——平均速度梯度導(dǎo)致產(chǎn)生的湍動能；

Gb——浮力導(dǎo)致產(chǎn)生的湍動能；

YM——可壓縮湍流脈動膨脹影響總耗散率的程度；

μt為湍流黏性系數(shù)：

(15)

在Fluent中，作為默認(rèn)常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，k和ε的湍流普朗特數(shù)分別是σk=1.0，σε=1.3.

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

本次研究對中水站中所用斜板沉淀池進(jìn)行模擬，該沉淀池的設(shè)計參數(shù)如表1，前視圖如圖1中左圖.根據(jù)平面圖中紅線位置，可以得到如圖1中的右圖所示的左視剖面圖.在模擬計算時，由于沉淀池具有對稱性，且方便計算，對池體的四分之一進(jìn)行模擬.

表1 幾何模型設(shè)計參數(shù)

圖1 幾何模型剖面圖

2.2 網(wǎng)格劃分

Fluent中所劃分的網(wǎng)格有四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格兩種形式.本次研究中采用自適應(yīng)網(wǎng)格，即四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格聯(lián)合使用.單個網(wǎng)格大小為0.1m，網(wǎng)格數(shù)量為383966.模型的網(wǎng)格劃分如圖2：

圖2 網(wǎng)格示意圖

在劃分網(wǎng)格時，由于斜板區(qū)域是影響沉淀池沉淀效果的重點部分，因此對斜板區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，尤其在斜板底部和斜板頂部網(wǎng)格更為密集，如圖2所示.

2.3 邊界條件設(shè)置

(1)進(jìn)口處采用速度入口(Velocity inlet)；

(2)出口處采用自由出流(Outflow)；

(3)將池壁、斜板等設(shè)置為固壁無滑移條件(No slip)；

(4)對稱邊界采用Symmetry；

(5)流場求解采用瞬態(tài)控制和PISO算法；

(6)動量、湍動能和耗散率設(shè)置為二階迎風(fēng)格式(Second order upwind).

模擬計算中設(shè)置顆粒相密度是1100 kg/m3，粒徑為80 μm，動力粘度為0.02001 Pa·s.由于本次模擬的斜板沉淀池的池體屬于對稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計算，將其簡化為1/4再計算.

在模擬計算時，軟件中體現(xiàn)的是顆粒相的體積分?jǐn)?shù)，為得到懸浮物濃度，還需進(jìn)行以下計算[7]：

c=ρ固×η

(16)

式中：c—懸浮物濃度，kg/m3；

ρ固—固體顆粒的密度，kg/m3；

η—水中顆粒的體積分?jǐn)?shù).

實際沉淀池內(nèi)進(jìn)口懸浮物濃度為160 mg/L，由上式可得顆粒相的進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)為0.000145.

3 結(jié)果分析

3.1 流場分析

此次模擬計算后，可以得到如圖4和圖6所示的沉淀池內(nèi)速度矢量圖.圖4中水流進(jìn)入沉淀池后，在向下和向斜板區(qū)域流速較大，但隨著流體的不斷運動，流速逐漸減小，直至為零.圖4還可以看出污水進(jìn)入沉淀池后，首先沖擊池底，撞擊后的流體向出水方向或斜向方向擴(kuò)散，并帶動周圍流體流動，最終在污泥斗上方形成較大的漩渦.流體在填滿配水區(qū)后途徑斜板區(qū)，圖4可以看到流體流經(jīng)斜板區(qū)時均勻流過，斜板間并無肉眼可見的漩渦.水流流過斜板后，由于重力會向下流動，在碰到斜板壁后被迫改變方向，由此會在斜板上方形成漩渦.而從圖中也可以看到在斜板上方水面及出水處流線較為均勻，說明流態(tài)穩(wěn)定.

圖3 Z=0.8剖面位置圖 圖4 Z=0.8截面速度矢量圖

圖6可以看出水流在中心斜板區(qū)域仍存在些許流速，邊緣斜板處已無流速，水面及水面下方也有部分流體的流速未減為零.圖6還可以看到水流依然會在斜板下配水區(qū)形成大漩渦，在向上流動過程中，在斜板間出現(xiàn)部分小漩渦，這些渦流可能導(dǎo)致沉淀池的有效容積減小，沉淀效果變差.而在向上運動的過程中，水流流出斜板后，由于重力還有一部分再次流入斜板間，由此形成大渦流.在斜板上方和圖4相同，形成大漩渦，在出流時穩(wěn)定出流.

圖5 Z=0剖面位置圖圖6 Z=0剖面速度矢量圖

圖8可以看到污水進(jìn)入沉淀池后，隨著水流的流動，流速逐漸減小，最終減為零，而在水面及出水部分重新?lián)碛休^小的流速.還可以看到水流向各個方向擴(kuò)散，斜板下方配水區(qū)形成漩渦，而在斜板上方，水流形成漩渦后，逐漸往溢流堰方向流動，最終穩(wěn)定出流.

圖7 X=-3.6剖面位置圖 圖8 X=-3.6剖面速度矢量圖

圖9 沉淀池壓強云圖

圖9為沉淀池整體的壓強云圖，從圖中可以看到進(jìn)水管中，由于水流的流動使得管中心出現(xiàn)較大的壓強值，而進(jìn)水管上方斜板處則出現(xiàn)較小范圍的負(fù)壓區(qū)，水流向下流動后還在污泥斗與配水區(qū)之間形成一小部分高壓區(qū)域.在流體域的右上部分，由速度矢量圖可以看到水流流經(jīng)斜板區(qū)后，速度暫未減為零，由于速度的存在，此處也出現(xiàn)了小區(qū)域高壓.

3.2 湍流分析

湍動能是湍流強度的度量，主要由流場中的切應(yīng)力做功產(chǎn)生，湍動能的大小可以一定程度反映水流的切應(yīng)力大小，也能表示水流的混合能力，而湍動能的值越小，表示斷面各處水流速度分布越均勻，從而說明沉淀區(qū)流態(tài)越穩(wěn)定.從圖10進(jìn)口截面處的湍動能云圖中可以看到湍流主要集中在進(jìn)水處以及進(jìn)水管下方.而圖11則是沿沉淀池的長度方向的縱剖圖，這時可以看到湍動能較進(jìn)水位置減小，且均勻，可以看出隨著流體的運動，沉淀池內(nèi)水流的脈動能力逐漸減小，流體裹挾顆粒的能力在減小，顆粒逐漸沉降.

圖10 進(jìn)水截面湍動能云圖圖11 中間截面湍動能云圖

圖13為斜板間湍動能的動態(tài)變化特征，斜板間湍動能由下至上逐漸減小，水流的混合能力減小，脈動能量減小，有助于顆粒與水流分離，便于其分離.

圖12 湍動能位置圖圖13 湍動能變化

圖14 湍動能耗散率變化

湍動能耗散率是湍動能在流體粘滯力的作用下的耗散速率，可以反映流場的能耗.圖14是和圖13同一位置的湍動能耗散率的動態(tài)變化特征，從圖14中可以看到湍動能耗散率在斜板間由下至上也在逐漸減小，斜板間的流場有效能耗減小，顆粒相能更好的與水流分離.

4 結(jié) 論

本次研究以中水站內(nèi)斜板沉淀池為研究對象進(jìn)行模擬，以CFD理論為基礎(chǔ)，利用北京超級云計算中心的Fluent建立幾何模型，后劃分網(wǎng)格，共得到383966個網(wǎng)格，再采用Mixture混合模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、PISO算法和瞬態(tài)控制等計算參數(shù)進(jìn)行計算，得到斜板沉淀池內(nèi)部速度矢量圖以及湍動能云圖、曲線圖等，可以看到污水在進(jìn)入沉淀池后，在斜板下方配水區(qū)以及斜板上方區(qū)域形成漩渦，而在斜板之間區(qū)域也存在較小漩渦，但水流經(jīng)過擴(kuò)散，其漩渦逐漸減小直至消失，以穩(wěn)定出流.在流動的過程中流速在逐漸減小.整個沉淀池部分進(jìn)水管以及右上方斜角處流速較大，使得壓強較大外，其余位置壓強均處于正常狀態(tài).湍動能云圖以及曲線圖則表示了在經(jīng)過斜板后，水流的湍動能和湍動能耗散率逐漸減小，水流的湍流狀況逐漸減少，混合能力減弱，顆粒相和水逐漸分離，流速逐漸為零，流態(tài)逐漸穩(wěn)定.