輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的CFD數(shù)值模擬

輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 摘 要 為了保證沉淀池的穩(wěn)定運(yùn)行和出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，利用數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確地描述飲用水處理廠輻流式沉淀池中的流態(tài)及固相顆粒的行為和分布顯得至關(guān)重要。與其他常用于對(duì)沉淀池進(jìn)行數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、固體通量模型等相比，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型在精度上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文以商用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT 為工具，通過比較不同進(jìn)水流速、擋板長(zhǎng)度和擋板位置對(duì)顆粒沉降的影響，對(duì)輻流式沉淀池中的流態(tài)和固相顆粒行為進(jìn)行了模擬和分析。結(jié)果表明，固相顆粒在沉淀池中的行為和分布受進(jìn)水流速、顆粒粒徑以及擋板長(zhǎng)度和位置的影響，呈現(xiàn)出不同于理想沉降理論的軌跡；顆粒粒徑越小，顆粒受漩渦的影響越大，從而沉淀效果就越差；擋板的設(shè)置有利于減小漩渦對(duì)顆粒沉降的影響，合適的擋板長(zhǎng)度和位置可以使得顆粒去除率大大提高。本研究為輻流式沉淀池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。 關(guān)鍵詞：輻流式沉淀池，計(jì)算流體力學(xué)，數(shù)值模擬，飲用水處理 I 輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 Abstract In order to ensure the stable operation of sedimentation tanks and water quality standards, the use of numerical simulation to accurately describe the flow profile and the solid-phase flow behavior and distribution of particles of the sedimentation tank in potable water treatment is essential. Compared with other commonly used models for numerically simulating sedimentation tank such as empirical models and solid mass flux model, computational fluid dynamics (CFD) has greater advantages in simulate accuracy. Based on the commercial CFD software package FLUENT, the flow profile and the solid behavior are simulated by comparing the influence of different water flow rate, baffle length and location on the particle removal efficiency, and analyze the flow profile and solid behavior in the circular sedimentation tank. The results showed that the solid-phase particles precipitation behavior and their distribution were both effective with the inlet velocity, particle size and the location and the length of the baffle, with showing the difference to the theory of settling ideal track. When the particle size is smaller and the impact of the vortex is greater, the effect of the precipitation is worse; while the appropriate length and position of baffle can make particle removal efficiency greatly enhanced. In this study, the result supported a reliable and useful basis for optimizing the design of the circular sedimentation tank. Key words：Circular sedimentation tank, comput ational fluid dynamics, numerical simulation，potable water treatment II 輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 目 錄 第一章 前 言 .1 1.1 課題背景 .1 1.2 沉淀工藝及構(gòu)筑物的現(xiàn)狀 .2 1.3 沉淀池?cái)?shù)值模型的研究現(xiàn)狀 .5 1.4 輻流式沉淀池的設(shè)計(jì) . 11 1.5 本文研究?jī)?nèi)容 . 13 第二章 輻流式沉淀池CFD數(shù)值模擬基礎(chǔ) . 15 2.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 基礎(chǔ)知識(shí) . 15 2.2 利用GAMBIT建模 . 22 2.3 應(yīng)用FLUENT 進(jìn)行求解 . 27 2.4 計(jì)算模型網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證 . 34 2.5 典型算例的結(jié)果展示。 . 36 2.6 模型有效性驗(yàn)證 . 39 第三章 沉淀池不同參數(shù)下CFD數(shù)值模擬的分析討論 . 42 3.1 不同進(jìn)水流速對(duì)流場(chǎng)的影響 . 42 3.2 不同擋板位置對(duì)流場(chǎng)的影響 . 45 3.3 不同擋板長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)的影響 . 49 3.4 實(shí)際沉淀池模型與修正后沉淀池的比較 . 54 第四章 利用DPM 模型模擬沉淀池的顆粒軌跡 . 56 4.1 離散相模型簡(jiǎn)介 . 56 4.2 離散相模型的求解過程概述 . 56 4.3 應(yīng)用于輻流式沉淀池的DPM 模型的參數(shù)設(shè)置 . 57 4.4 擋板長(zhǎng)度對(duì)顆粒沉降的影響 . 62 4.5 擋板位置對(duì)顆粒沉降的影響 . 64 第五章 結(jié)論與建議 . 67 5.1 結(jié)論 . 67 5.2 建議 . 67 參 考 文 獻(xiàn) . 68 致 謝 . 70 附錄 . 71 聲 明 . 80 III 輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 第一章 前 言 1.1 課題背景 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)生活用水，特別是飲用水的水質(zhì)要求越來越高。這些年來，我國(guó)給水處理工藝發(fā)展迅速，已接近甚至超過了西方發(fā)達(dá)國(guó)家。給水處理的常規(guī)工藝1如圖1-1所示。 圖 1-1 給水處理常規(guī)工藝示意圖 在這樣一系列的過程中，混凝、沉淀和過濾是至關(guān)重要的步驟，在這三者中沉淀過程是大量去除水中懸浮物和雜質(zhì)的重要過程。沉淀過程的好壞直接關(guān)系到整個(gè)水處理工藝的優(yōu)劣。沉淀過后出水濁度的高低，對(duì)后續(xù)過濾過程影響很大，沉淀過后出水濁度較大將加重過濾的負(fù)荷，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本的提高和出水效果的不理想；若沉淀效果良好，大量的懸浮物和雜質(zhì)在沉淀中被去除，這樣就能提高出水質(zhì)量，降低成本。 沉淀池是水處理流程中一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，水處理廠的總投資中約有25%用于沉淀池，其設(shè)計(jì)好壞將直接影響到水處理系統(tǒng)的成敗。目前，有關(guān)沉淀池的設(shè)計(jì)原理主要還是依據(jù)理想沉淀池的三條假定，忽略了水流流態(tài)對(duì)沉淀池的影響，具有較大的主觀性。因此，使有些沉淀池在實(shí)際運(yùn)行過程中達(dá)不到預(yù)期的處理效果，有必要做進(jìn)一步的研究。 1輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 1.2 沉淀工藝及構(gòu)筑物的現(xiàn)狀 1.2.1 沉淀理論研究 在水處理中，根據(jù)懸浮液中固體的濃度和顆粒特性，懸浮固體的分離沉降可以分為以下幾種基本形式2： (1) 分散顆粒的自由沉降 當(dāng)顆粒濃度較低或者不具有絮凝性能，也就是顆粒相互接觸后不產(chǎn)生聚集，沉淀屬于分散顆粒的自由沉降。此時(shí)顆粒在其沉降過程中沉速將不會(huì)發(fā)生變化，顆粒所交換的液體，在上升時(shí)不造成對(duì)其他顆粒沉速的影響。水處理中低濃度的除砂和預(yù)沉屬于這種類型。在重力場(chǎng)中，顆粒受到重力作用而下沉，同時(shí)受到液體浮力以及顆粒下沉?xí)r液體對(duì)顆粒的摩擦阻力作用。當(dāng)這些作用力達(dá)到平衡時(shí)，顆粒將以等速下沉，此時(shí)的沉降速度稱為穩(wěn)定沉速。當(dāng)顆粒為球形時(shí)，其沉降速度為： ( )dCgusDs =34(1-1) 式中， 顆粒的沉速， m/s； sud 顆粒的直徑， m； g 重力加速度， m/s2； CD阻力系數(shù)； s、 顆粒和液體的密度，kg/m3。 由實(shí)驗(yàn)可知，阻力系數(shù) (CD)與雷諾數(shù)(Re) 有關(guān),也就是說，阻力系數(shù) (CD)隨著沉降阻力中粘滯力與慣性力的作用大小而有所區(qū)別。對(duì)于不同的雷諾數(shù)(Re) ，可以采用不同的公式進(jìn)行計(jì)算。 (2) 絮凝顆粒的自由沉降 在混凝沉淀池中懸浮物大多具有絮凝性能，因而其沉降不再像分散顆粒那樣保持沉速不變。當(dāng)顆粒碰撞而聚集后，其沉速加快。大多數(shù)混凝沉淀都屬于這一種，對(duì)于絮狀結(jié)構(gòu)顆粒沉速的研究目前還不多見。丹保憲仁利用沉降管和攝影的方法，對(duì)絮凝顆粒的粒徑、有效密度和沉速進(jìn)行了測(cè)定，并建立了絮凝顆粒的密度公式。 (3) 擁擠沉降 2輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 當(dāng)顆粒濃度增加時(shí)，顆粒間的間隙相應(yīng)減小，顆粒下沉所置換的液體體積的上涌將對(duì)周圍顆粒的下沉產(chǎn)生影響。顆粒的實(shí)際沉降速度將是由自由沉降時(shí)的沉速減去液體的上涌速度。當(dāng)顆粒濃度不太高時(shí)，只使得沉淀速度產(chǎn)生一定的降低，顆粒還可保持個(gè)別的沉速形式。隨著顆粒濃度的繼續(xù)增大，經(jīng)過一段時(shí)間的平衡，沉速較快的顆粒沉至下層，相應(yīng)增加了下層的濃度，使下層的上涌速度加大，最終使懸浮液的全部顆粒以接近相同的沉速下沉，形成界面形式的沉降，故又稱作層狀下降。水處理中高濁度水的沉淀以及澄清池中澄清水和泥渣的分離都屬于這一類。擁擠沉降時(shí)單位顆粒的沉速將小于同一顆粒在自由沉降時(shí)的沉速。此時(shí)的沉降速度為： ssuu =(1-2) 式中， 沉速降低系數(shù)( 1)。 許多學(xué)者認(rèn)為，擁擠沉降中的沉降減低系數(shù)應(yīng)為體積濃度的函數(shù)。 (4) 壓縮沉降 壓縮沉降液稱為污泥的濃縮。當(dāng)沉降顆粒積聚在沉淀池的底部后，先沉降的顆粒將承受上部沉積污泥的重量。顆粒間的空隙水將由于壓力增加和結(jié)構(gòu)的變形而被擠出，使污泥的濃度提高。因此污泥的濃縮過程也是不斷排出空隙水的過程。各種污泥濃縮池及沉淀池積泥區(qū)的污泥濃縮均屬于這一類。 關(guān)于壓縮沉降的計(jì)算，常以 Kynch 沉淀理論為基礎(chǔ)。 Kynch 沉淀理論的基本假設(shè)為：懸浮固體層的任何水平面內(nèi)固體的濃度是均勻的，且顆粒以相同的沉速下沉；顆粒的沉速只是其所在位置處顆粒濃度的函數(shù)，即 u=f(C)；整個(gè)沉降高度的初始濃度分布是均勻的，或者是沿著沉降深度逐漸增加。根據(jù)上述假設(shè)，Kynch建立了高度為 h 處的顆粒運(yùn)動(dòng)應(yīng)符合： dCddtdhu= (1-3) 式中， 固體顆粒的下沉速度，m/s ； uh顆粒所處的高度，m ； 固體顆粒通量，kg/(m2s) ； 3輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 C固體顆粒濃度，kg/m3。 1.2.2 沉淀池種類介紹 沉淀池根據(jù)具體布置可以設(shè)計(jì)成多種形式： (1) 豎流式沉淀池 在 20 世紀(jì) 50 年代設(shè)計(jì)的小型水廠中有不少采用了豎流式沉淀池。這種沉淀池效果較差，目前已不選用。原有的豎流沉淀池也被改造為各種類型的澄清池。 (2) 輻流式沉淀池 普通輻流式沉淀池呈圓形或正方形，直徑(或邊長(zhǎng))6m60m ，最大可達(dá) 100m，池周水深 1.5m-3.0m。用機(jī)械出泥，池底坡度大于 0.05，其構(gòu)造為中心進(jìn)水，周邊出水，中心轉(zhuǎn)動(dòng)排泥。為了使布水均勻，進(jìn)水管設(shè)穿孔擋板，穿孔率為 10%-20%，出水水堰采用鋸齒堰，堰前設(shè)擋板，攔截浮渣。 (3) 平流式沉淀池 平流式沉淀池是水廠設(shè)計(jì)中應(yīng)用較早也是較普遍的一種沉淀形式，它既可以用作濾前沉淀處理，也可用作預(yù)沉或終沉淀處理。主要特征是構(gòu)造簡(jiǎn)單，池深較淺，造價(jià)低，沉淀效果穩(wěn)定，操作管理方便。主要缺點(diǎn)是平面面積較大，池深較淺，因而常限制后續(xù)濾池的選用。 平流式沉淀池一般適宜用作大、中型水廠的混凝沉淀，尤以大型水廠更為經(jīng)濟(jì)、合適。對(duì)于沉淀最終處理的工業(yè)用水，?？筛鶕?jù)出水水質(zhì)的要求來控制投加量，節(jié)省藥耗。 (4) 氣浮池 氣浮池在國(guó)外已有一定的歷史，在國(guó)內(nèi)該技術(shù)應(yīng)用還不是十分普遍，從 20 世紀(jì) 70 年代起，蘇州、昆明、武漢等地先后應(yīng)用了氣浮池進(jìn)行處理，為氣浮池的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。氣浮池由于需要投加空氣，要有一套相應(yīng)的配套設(shè)施，因而設(shè)備較多，耗電量較高。 (5) 斜板(管)沉淀池 斜板(管)沉淀池是把與水平面成一定角度的眾多斜板(管)放置于沉淀池中構(gòu)成，水從下往上流動(dòng)(也有從上往下流動(dòng)，或水平方向流動(dòng)的)，顆粒則沉于斜板(管)底部或中部當(dāng)顆粒積累到一定程度時(shí)，便自動(dòng)滑下。 4輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 1.2.3 沉淀池的發(fā)展 在20世紀(jì)60年代以前主要采用平流式、豎流式和輻流式沉淀池， 60年代起各種澄清池盛行一時(shí)； 70年代后，主要是斜板、斜管及“復(fù)合型”的沉淀池。通常所見的污水處理廠中多使用平流式和輻流式沉淀池，而在給水處理中常使用斜管和平流式沉淀池，輻流式沉淀池則更多用于給水處理的預(yù)處理階段。我國(guó)的濟(jì)南和蘭州等城市也將輻流式沉淀池應(yīng)用于二次沉淀中。 沉淀構(gòu)筑物形式的改進(jìn)導(dǎo)致了沉淀效率的提高。通過研究分析，沉淀效率提高的原因可歸結(jié)以下幾點(diǎn): (1) 沉淀面積增大，主要體現(xiàn)在斜板與斜管的運(yùn)用上； (2) 水流流態(tài)的改變，其結(jié)果是導(dǎo)致了水流穩(wěn)定性增強(qiáng)(體現(xiàn)在弗勞德數(shù) (Fr)的增大和雷諾數(shù)(Re) 的減小上)； (3) 沉淀動(dòng)力因素的增多(從單一依靠顆粒自身重力到綜合利用重力、 水流阻力和離心力等)。 縱覽沉淀構(gòu)筑物的歷史，我們還可以發(fā)現(xiàn)：從最早的平流式沉淀池到 20 世紀(jì)70 年代以后的斜板、斜管沉淀池，沉淀池的設(shè)計(jì)或開發(fā)都是在依靠顆粒礬花自身重力沉降的基礎(chǔ)上圍繞怎樣增大沉淀面積和改變水流流態(tài)這兩方面進(jìn)行的。所以，目前的沉淀池基本上只滿足了上述三點(diǎn)原因中的前兩點(diǎn)。然而，第三點(diǎn)原因才是影響沉淀效率的主要原因，因?yàn)榱Φ拇笮?、多少才是決定顆粒沉速快慢、除去效率高低的決定性因素，但是目前在這方面的研究比較少。 1.3 沉淀池?cái)?shù)值模型的研究現(xiàn)狀 在數(shù)值模擬方面，自從 1982 年Harvey 第一次將計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 引入到攪拌槽內(nèi)二維流動(dòng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)開始，對(duì)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究就已經(jīng)迅速地發(fā)展起來。從二維數(shù)值模擬到三維數(shù)值模擬，從單相流到多相流，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)不同的沉淀池條件進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究2。 1.3.1 國(guó)外學(xué)者對(duì)污水處理廠沉淀池的數(shù)值模擬研究 國(guó)外對(duì)沉淀池流場(chǎng)的研究比較早，始于 20 世紀(jì) 80 年代。瑞典Larsen 可能是最早將CFD應(yīng)用于二沉池的，盡管他對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但是仍然發(fā)現(xiàn)了“密度流”的存在3。 Devantier和 Larock通過 Galerkin有限元法來模擬圓形二次沉淀池中的穩(wěn)態(tài)5輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 二維流體。他們主要研究了沉淀池內(nèi)部的沉積所導(dǎo)致的密度流，但是沒有研究沉淀池入口區(qū)域的流場(chǎng)。在他們建 立的模型中，采用了改進(jìn)的 k-紊流模型，該模型通過大量的計(jì)算來保證對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行良好的紊流預(yù)測(cè)。該研究的不足之處是，建立的綜合模型僅能對(duì)低固體負(fù)荷情況進(jìn)行模擬，且入流懸浮固體濃度最大值被限定在1400mg/L，這是由于計(jì)算過程非穩(wěn)定性所導(dǎo)致的，這種非穩(wěn)定性可以通過網(wǎng)格的細(xì)分來解決，但是高精度的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算量大增，這就對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有所要求，由于我們目前所使用的計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存有限，所以無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高濃度負(fù)荷情況下的模擬。1998 年，德國(guó)的 Deininger等人對(duì)輻流式沉淀池的流速和固體沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，他們創(chuàng)建了兩相三維模型來研究流場(chǎng)狀態(tài)4。Scott A. Wells 和David M. LaLiberte進(jìn)行了輻流式沉淀池中密度流狀態(tài)的數(shù)值模擬， 1998 年， Scott A. Wells 和 David M. LaLiberte就三個(gè)敞口輻流式沉淀池中水溫梯度對(duì)密度流的影響進(jìn)行了研究5。 2006 年，法國(guó)新奧爾良大學(xué)的McCorquodale 等人利用二維CFD 模型對(duì)矩形二沉池進(jìn)行了水力特性研究，他們利用 CFD對(duì)二維非穩(wěn)定流函數(shù)-渦量方程進(jìn)行了求解。經(jīng)過對(duì)二沉池中的流速和固體分布的模擬發(fā)現(xiàn)，在二沉池入口處設(shè)置穿孔擋板可加快絮凝物的沉降速度。McCorquodal 等人通過研究發(fā)現(xiàn)，CFD 數(shù)值模擬在優(yōu)化沉淀池設(shè)計(jì)以及提高其沉淀性能方面非常有用6。同年，西班牙的By Barry Wroff利用CFD模擬了設(shè)置了雙擋板的輻流式沉淀池的流場(chǎng)。 2007 年，威立雅環(huán)境研究發(fā)展中心的Benedek Gy.Plosz 等人對(duì)配置了去除污泥吸提系統(tǒng)的平底輻流式沉淀池進(jìn)行了一維數(shù)值模擬。他們發(fā)現(xiàn)， (1)利用一維沉淀池模型包括對(duì)澄清區(qū)固相的分散、仿真都會(huì)使出水固體濃度和污泥床高度惡化；(2)在一維沉淀池模型中，入流層應(yīng)該設(shè)置在濃度高于進(jìn)水的第一層的上面，并且入流層的極限深度應(yīng)該嚴(yán)格控制在整個(gè)沉淀池深度的 53%； (3)盡管離散模型可以解釋沉淀池濃縮過程中流動(dòng)條件的影響，但是通過對(duì)廣泛的流動(dòng)條件的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)中對(duì)于相互關(guān)聯(lián)性的評(píng)估是極其有限的7。同時(shí)， MichaelWeiss、 Benedek Gy.Plosz和 GyrilPrintemps等人又將CFD 用于模擬平底輻流式沉淀池中的活性污泥的沉降規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)，污泥床中的污泥粘度決定了活性污泥的流動(dòng)和沉降速率8。2009 年，英國(guó)伯明翰大學(xué)土木工程學(xué)院的 J.Bridgeman等人通過分析湍流耗散率，清楚地闡明了CFD 在湍流池中的應(yīng)用好處。 CFD分析表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)罐狀容器中的流體以相同的速度混合時(shí)，盡管其分布不均勻，但方形容器中產(chǎn)生的湍流耗散率6輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的 CFD 數(shù)值模擬研究 要明顯高于圓形容器。對(duì)于大規(guī)模機(jī)械絮凝池，研究顯示，改變流量只對(duì)分配速度梯度值產(chǎn)生很小影響，改變攪拌速度對(duì)其速度梯度分布沒有產(chǎn)生重大影響。對(duì)于液壓絮凝池，在擋板中的絮凝單元中存在大的回流區(qū)和死區(qū)9。 1.3.2 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)污水處理廠沉