新型机械絮凝斜管沉淀池沉淀区数值模拟与优化

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  水 ，２０１０，３６（５）：１１４～１１７ ５李彦伟，尤学一，季民，等．基于 ＳＷＭＭ 模 型 的 雨 水 管 网 优 化 ．

  中 国 给 水 排 水 ，２０１０，２６（２３）：４０～４３ ６潘俊杰，李朝明，曾昭旺，等．极 端 降 雨 下 核 电 厂 雨 水 排 水 系 统 的

  设 计 和 校 核 ．中 国 给 水 排 水 ，２０１３，２９（１０）：３１～３４ ７ＲｏｓｓｍａｎＬＣｉｎｃｉｎｎａｔｉ，ＯＨ４５２６８：Ｕ．Ｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃ－

  验 。 ［１］ 随着 计 算 机 技 术 和 计 算 流 体 力 学 的 迅 速 发

  檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿

  （３）排放水体 处 于 洪 水 位 时，对 雨 水 管 渠 系 统 的 排水产生顶托，地面 容 易 出 现 积 水，因 此 在 注 重 暴 雨 重现期的同 时，不 能 忽 视 排 放 水 体 设 计 洪 水 位 的 合 理设定。

  沉淀过程中沉淀 效 率 受 诸 多 因 素 影 响，容 易 使 已 沉 降的污泥 被 带 起 向 出 口 迁 移，从 而 影 响 沉 淀 效 果。

  （１ 扬州大学环境科学与工程学院，扬州２２５００９；２ 扬州自来水有限责任公司，扬州２２５００９）

  摘要以扬州市第一水厂的新型机械絮凝斜管 沉 淀 池 为 原 型，采 用 标 准ｋ－ε 湍 流 模 型 和 Ｍｉｘ－ ｔｕｒｅ模 型 ，对 其 沉 淀 区 进 行 三 维 数 值 模 拟 ；同 时 分 析 了 改 变 进 水 颗 粒 密 度 、进 水 口 高 度 等 因 素 对 沉 淀 池沉淀区流态和沉淀效果的影响。模拟根据结果得出，当颗粒密度为１０５０ｋｇ／ｍ３ 时沉淀效果最好；增加 进水口高度对池内水流流态的影响不明显，当进水口高度为１．２ｍ 时，出水速度最低，处理效果也较 好；在沉淀区前增设配水槽，进水沿 池 宽 方 向 分 布 更 均 匀，提 高 了 水 流 稳 定 性，使 沉 淀 池 沉 淀 效 果 得

  ｔｉｏｎａｇｅｎｃｙＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲ，２０１０ ８周玉文来自赵洪宾．排 水 管 网 理 论 与 计 算．北 京：中 国 建 筑 工 业 出

  版 社 ，２０００ ９刘兴坡，刘遂庆，李树平，等．基 于 ＳＷＭＭ 的 排 水 管 网 系 统 模

  拟 分 析 技 术 ．给 水 排 水 ，２００７，３３（４）：１０５～１０８ １０赵冬泉，王浩正，陈吉宁，等．城 市 暴 雨 径 流 模 拟 的 参 数 不 确 定

  本文以扬州市第一水厂的新型机械絮凝斜管沉 淀池为原型，利用 Ｆｌｕｅｎｔ软件对 其 沉 淀 区 进 行 三 维 数值 模 拟，得 到 相 应 的 速 度 场 和 浓 度 场；同 时，通 过 改变沉淀池的运 行 参 数 及 结 构 参 数，探 究 不 同 因 素 对池内水流流态和沉淀效果的影响。 １ 数 学 模 型 建 立 及 边 界 条 件 确 定 １．１ 模 型 建 立

  果 。 为 分 析 进 水 颗 粒 密 度 对 出 水 水 质 的 影 响 ，通 过 改

  变进水颗 粒 密 度ρ 对 其 沉 淀 区 进 行 模 拟 研 究，选 取 颗粒密度为１０２５ｋｇ／ｍ３、１０５０ｋｇ／ｍ３、１０７５ｋｇ／ｍ３、 １１００ｋｇ／ｍ３。

  方案２：改变进水口高 度，可 以 在 不 改 变 沉 淀 池 进水流量及池体容积的情况下改变进水速度。设定

  展，ＣＦＤ 模拟 软 件 越 来 越 成 熟，通 过 数 值 模 拟 技 术 模拟沉 淀 池 内 水 流 流 态 也 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用［２，３］。国外在沉 淀 池 流 场 及 污 染 物 的 扩 散 、传 质、 沉淀及 优 化 设 计 工 作 方 面 也 已 经 开 展 了 许 多 工 作［４］。Ｉｍａｍ 等 在 前 人 的 研 究 基 础 上，总 结 出 了 一 种稳定情况下的矩形沉淀池速度场和体积分数场数 学模型来模拟矩形沉淀池中离散颗粒的沉降效果， 并且通过物理 试 验 验 证 了 该 模 型 的 准 确 性［５］，其 总 结出的 数 学 模 型 得 到 广 泛 应 用 。 ［６，７］ Ｍｃｃｏｒｑｕｏｄａｌｅ 和 Ｚｈｏｕ对沉淀池在不 同 水 力 负 荷 和 固 体 负 荷 条 件 下的 运 行 情 况 进 行 了 模 拟 分 析［８］；Ｋｒｅｂｓ、Ｇｏｕｌａ 等 也利用数值模拟的方法探讨了沉淀池的几何尺寸对 沉淀效果的影响 。 ［９，１０］

  １．２ 控 制 方 程 和 求 解 器 设 置 本模型 采 用 Ｍｉｘｔｕｒｅ液 固 两 相 流 模 型，因 该 模

  型简单，运算所 需 内 存 小 且 结 果 较 为 可 靠 而 得 到 较

  量守恒定律、动 量 守 恒 定 律。 整 个 流 场 的 控 制 方 程

  界条件，湍流动能Ｉ 及水力直径ＤＨ 的计算方式如式 （１）～ 式 （３）所 示 。

  ＲｅＤＨ ———雷诺数； γ ———水的运动粘度，ｍ２／ｓ； ｖ ———流速，ｍ／ｓ；

  湍流模型采用的是标准ｋ－ε 两方程模型；分离 算法采用压力速度 耦 合 算 法 中 的 ＳＩＭＰＬＥ 算 法；湍

  １．３ 边 界 条 件 确 定 （１）进口边界：采用 速 度 进 口 （Ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ）边

  进水密度 为 １０５０ｋｇ／ｍ３，选 取 不 同 的 进 水 口 高 度 （见表１）进 行 模 拟 计 算，研 究 沉 淀 区 内 速 度 场 和 浓

  ０．４ ０．８ １．２ １．６ ０．０７ ０．０３６０．０２４ ０．０１８

  粒 均 已 被 去 除 ，不 再 重 新 悬 浮 进 入 水 中 。 然 而 ，实 际

  些实际 情 况 下 很 难 达 到 要 求 或 不 可 能 进 行 的 试

  扬 州 市 ２０１２ 年 度 产 学 研 合 作 专 项 （２０１２０３８－１６）。

  方 案 １：混 凝 效 果 的 好 坏 直 接 影 响 絮 体 颗 粒 密 度 和大小，进 而 影 响 新 型 机 械 絮 凝 斜 管 沉 淀 池 沉 淀 效

  （４）如果采用传 统 的 推 理 公 式 法，要 注 意 该 方 法 对实际排水性能的模拟有明显偏差。在地表汇水时 间短、管线总长度不 太 长 的 情 况 下，各 个 子 汇 水 区 的 洪峰在暴雨 峰 值 后 迅 速 出 现，采 用 推 理 公 式 法 时 管 道 折 减 系 数 取 值 建 议 取 为 １；推 理 公 式 法 中 地 表 汇 流 时间的取值 可 以 参 考 规 范 建 议 的 取 值 范 围，并 取 较 小值。

  建立该模型的最大的目的是考察新型机械絮凝斜 管沉淀池沉淀区 的 水 流 流 态 和 沉 淀 效 果，因 此 忽 略 混凝 反 应 过 程。 另 外，由 于 Ｆｌｕｅｎｔ软 件 的 局 限 性， 不能模拟刮泥机 对 水 流 及 污 泥 的 扰 动，故 省 略 刮 泥

  １ＧＢ５００１４－２００６ （２０１４年版）室外排水设计规范 ２ＨｓｕＭＨ，ＣｈｅｎＳＨ，ＣｈａｎｇＴＪ．Ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｕｒ－

  ｂａｎｄｒａｉｎａｇｅｂａｓｉｎｗｉｔｈｓｔｏｒｍｓｅｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｌｏ－ ｇｙ，２０００，２３４（１～２）：２１～３７ ３赵冬泉，佟庆远，王浩正，等．ＳＷＭＭ 模型在城市雨水排除系统 分 析 中 的 应 用 ．给 水 排 水 ，２００９，３５（５）：１９８～２０１ ４陈利群．ＳＷＭＭ 在 城 镇 排 水 规 划 设 计 中 适 用 性 研 究．给 水 排

  因新型机械絮凝斜管沉淀池结构对称，故只对单 侧沉淀区进行模拟，单池进 水 流 量 为 ０．２８９ ｍ３／ｓ。模 型尺寸与新型机 械 絮 凝 斜 管 沉 淀 池 原 型 一 致，沉 淀 区长（Ｌ）８．５５ ｍ，高 （Ｈ ）８．８５ ｍ，有 效 水 深８ｍ，宽 １４．７ｍ，α＝６０°；进水口高 ０．４ ｍ，宽 ５ ｍ，分 布 在 沉 淀区两侧。新型机械絮凝斜管沉淀池计算区域平面 如图１所示。

  方案３：机 械 絮 凝 斜 管 沉 淀 池 的 进 水 口 分 布 在 沉 淀 区 两 侧 ，导 致 进 水 沿 池 宽 方 向 分 布 不 均 ，池 内 流

  节点可认为 垂 向 流 速 为 ０，其 他 所 有 变 量 的 法 向 梯 度为０ 。 ［１４，１５］ 因 此，认 为 此 边 界 是 关 于 流 体 的 对 称

  面（Ｓｙｍｍｅｔｒｙ）。 （４）固 体 壁 面 边 界 条 件：除 上 述 已 定 义 的 边 界

  外，池 底、边 壁 和 斜 板 均 为 固 体 壁 面 （Ｗａｌｌ），所 有 通 量 值 均 为 ０。

  机 的 模 拟 ，但 设 计 了 排 泥 过 程 ，即 模 拟 刮 泥 机 不 工 作 时沉淀区的流态变化 。 ［１１］

  模型网格划分采用 ｇａｍｂｉｔ软件，整个计算区域 的立体网格采用 结 构 网 格，网 格 的 大 小 决 定 了 计 算 的精度，由于模型按照沉淀池实体尺寸进行模 拟，尺 寸较 大，因 此 节 点 间 隔 采 用 ０．１５ ｍ，这 样 的 间 距 对 现有的计算机硬件条件在计算精度和计算速度上能 够达到平衡。模型的网格划分如图２所示。

  区 、自 然 沉 降 区 、污 泥 浓 缩 区 、斜 管 分 离 区 、清 水 区 组

  因此，有必要对 新 型 机 械 絮 凝 斜 管 沉 淀 池 的 沉 淀 区

  成 ，在 理 想 的 工 作 状 态 下 ，凡 能 沉 降 至 池 底 的 杂 质 颗

  性 研 究 ．水 科 学 进 展 ，２００９，２０（１）：４５～５１ １１谢莹莹．城 市 排 水 管 网 系 统 模 拟 方 法 和 应 用 ：［学 位 论 文 ］．上

  Ω 通讯处：４３００７２ 武汉市武昌区东湖南路８号 电 话 ： Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｚｈｏｕ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 收 稿 日 期 ：２０１４－０１－０８ 修 回 日 期 ：２０１５－０４－２８

  Ｉ——— 湍 流 动 能 。 （２）出 口 边 界：采 用 自 由 出 流 （Ｏｕｔｆｌｏｗ）边 界