張杞蓉 普曉晶

(1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團有限公司，湖北 武漢 430022)

氧化溝流體力學分析

張杞蓉1普曉晶2

(1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團有限公司，湖北 武漢 430022)

采用k—ε紊流數(shù)學模型對氧化溝的流場及水力學進行了分析計算，模擬了氧化溝水體的流動狀態(tài)，在分析流場的基礎上，可以對潛水推流器以及表面曝氣機兩者之間的統(tǒng)一進行有效的整合，并能夠很好地對氧化溝工程設計、設備配置及布置等起優(yōu)化作用。

氧化溝，水力學，計算流體力學，流場

氧化溝工藝是我國城市生活污水廠設計主要工藝之一。氧化溝處理系統(tǒng)的基本特征是曝氣池呈封閉的溝渠型，在這個系統(tǒng)當中污水和活性污泥混合液在其中循環(huán)流動，因此又稱“環(huán)形曝氣池”[1]，在這個系統(tǒng)中放置了對攪動以及曝氣進行方向控制的裝置，這個裝置不僅僅可以為系統(tǒng)當中的混合液進行充氧，還可以為這個系統(tǒng)提供很多的能量，從反應器的角度上說，氧化溝是一種連續(xù)的流環(huán)方式的反應器，而且它具有著自己獨特的優(yōu)點，如緩沖能力高、脫氮效果好、抗沖擊負荷能力強等[2]。

氧化溝工藝的不足之處是普遍存在著池底積泥的現(xiàn)象，往往使氧化溝工藝達不到理想效果[3]。因此為了完全推動混合溝內流體并曝氣，必須具有良好的轉刷設計。由于溝內流動的復雜性，對溝內流態(tài)的深入理解是必要的。

1 氧化溝水力學的研究現(xiàn)狀

氧化溝污水處理系統(tǒng)的功能是受溝內流體狀況影響的，在一般的情況下，推流裝置以及曝氣裝置是對氧化溝內流體進行驅動的，主要防止活性污泥沉降。

在經(jīng)濟以及技術上氧化溝有著較大的優(yōu)勢。然而在氧化溝的實際工程中，由于不當?shù)臏蟽仍O備運行，會導致溝底積泥的產(chǎn)生。因此，當前氧化溝污水處理系統(tǒng)的重點是怎樣對水下推動器以及曝水轉碟進行適當?shù)恼{整，了解水力流態(tài)的特點，進而使得這個系統(tǒng)的運行是節(jié)能的、高效的，以上方面的工作在建立污水廠、改造升級污水廠有著非常重要的作用。

2 氧化溝流體力學特性分析和水力計算

為使污泥以及水的混合液體能夠進行充分的接觸，同時抑制其處在懸浮的狀態(tài)，需要保證氧化溝的溝內的速度達到一定的標準。通過對氧化溝提升水頭和水頭損失進行確定，進而使得氧化溝處理系統(tǒng)這種工藝設計能夠得到完善。一般情況下，要求氧化溝溝內斷面處的混合液的平均流速為0.3 m/s～0.5 m/s，而且還要確保溝底的流速是不小于0.1 m/s的[4]。氧化溝處理系統(tǒng)當中的水下推進裝置和曝氣轉刷為這個系統(tǒng)提供了循環(huán)動能。

2.1 提升水頭

氧化溝當中因為水位差的存在導致系統(tǒng)當中水體以一種循環(huán)的方式流動，水位差的來源是曝氣轉刷導致水頭升高。趙星明[6]研究出了轉刷浸沒程度以及水頭的浸沒程度和線速度之間存在的關系是：

(1)

其中，I為轉刷的浸沒程度，m；h為曝氣轉刷的提升水頭；γ為氧化溝水深，m；vγ為轉刷的線速度，m/s；k，m，n為常數(shù)。

通過水流混合的推動力可以知道：

(2)

其中，F(xiàn)r為污水處理系統(tǒng)的曝氣轉刷的混合推動力，kg/(m·s)；h為污水處理系統(tǒng)當中曝氣轉刷的提升水頭，m。

通過式(1)，式(2)可以了解到，如果氧化溝污水處理系統(tǒng)當中的溝內的水較深，會導致溝內混合液的平均流速下降；推動力越大，流速越快，污泥在水體的懸浮與混合更充分。

2.2 氧化溝的水頭損失

氧化溝當中的推動設備和轉碟是導致氧化溝產(chǎn)生動能以及循環(huán)流量的原動力，氧化溝溝內的混合液以循環(huán)方式流動會導致水頭有一定的損失，其中包含沿程水頭損失和局部水頭損失，計算方式如下[2]。

2.2.1 沿程水頭損失

通過分析明渠水力學可以對氧化溝的流態(tài)進行研究：

Q=vA

(3)

(4)

hf=iL=n2LR3/4v2

(5)

其中，n為溝壁粗糙系數(shù)；Q為溝內的流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，其中C=R1/6/n，m1/2/s；v為平均速度，m/s；R為水力的半徑，m；A為水力斷面面積，m2。

2.2.2 局部水頭損失

氧化溝內局部水頭損失包含水體循環(huán)一周當中的全部損失，比如：渦流阻力等，計算方式見下式：

(6)

其中，ζ為局部的阻力系數(shù)，它將渦流阻力以及彎道的阻力系數(shù)等囊括在其內。

為了使得溝內的水和污泥的混合液能夠以一種循環(huán)的方式流動，溝內的推動裝置以及溝內的轉碟則需要消除局部以及沿程的總水頭損失：

h=∑hf+∑hb

(7)

2.3 導流墻及擋流板

為了確保氧化溝的溝內沒有污泥的沉積，使得能量的損失降低，需要在其中安裝擋流板以及導流墻。通常需要將導流墻安裝在氧化溝的彎道位置，保證水流能夠以平穩(wěn)的方式轉彎，使得彎道內壁所受的沖擊能夠有所降低，進而使得這個污水處理系統(tǒng)損失的能量有所減少，將擋流板設置在直溝道的轉碟附近的位置，以保證橫斷面的流速是均勻分布的[1]。

2.4 分析氧化溝的水力流態(tài)

2.4.1 直溝道水力流動狀況

1)轉碟處于運行狀態(tài)下的直溝道。通過轉碟的轉動會導致水頭的升高，使得溝內有水位差產(chǎn)生，水位差的出現(xiàn)會保證氧化溝當中的污水處于流動的狀態(tài)。若溝深較大，就會經(jīng)過比較長的直線段以保證流速能夠處于均勻的分布。所以，在轉碟之后的一段直溝的底端有很大的可能出現(xiàn)污泥。在實際工程當中，會將擋流板設置在轉碟的附近，這樣做是希望上層高速水流和下層水流在溝中能夠以一種垂直的方式混合，使溝底部以及溝內表面的流速梯度有所下降，進而使得充氧效率提高。

2)轉碟未運行時的直溝道。在液流經(jīng)過溝內轉碟的上游和下游處的擋流板的時候，紊動是比較嚴重的，這就使得溝內的橫斷面的流速是均布的，之后液流是會逐漸的趨于均勻，但不一樣的水深的位置仍然有流速梯度，然而這個值和前段相比，它的變化范圍是比較小的。

2.4.2 彎道水力流動情況

在轉彎的過程當中，經(jīng)過轉碟轉動的高速液流會在氧化溝的彎道處產(chǎn)生十分強烈的撞擊，這個時候在離心力、導流墻產(chǎn)生的引導力以及自身慣性力的作用下，會導致外壁外側的流速逐漸增高，而其內側的流速逐漸的降低，導致內壁有污泥沉積，在180°的彎道處，因為液流的流動方向發(fā)生了很大的變化，在橫斷面處產(chǎn)生環(huán)流，進而導致螺旋流產(chǎn)生[8]，所以，彎道后端的外側和內側會有沉積的污泥。在實際的工程當中，為了使得沉積的污泥減少，將導流墻設置在氧化溝的轉折處，保證水流以穩(wěn)定的速度轉彎。在多數(shù)的情況下，在彎道的內側設置導流墻，以免離開彎道時中心墻側的混合液的流動速度過低，導致污泥出現(xiàn)下沉[9]。

3 計算流體力學建模原理

氧化溝是液體和固體兩相流的反應裝置，液相的密度和固體的密度是十分相似的，使用Fluent軟件將流態(tài)簡化[10]。氧化溝平面見圖1。

3.1 流體流動控制方程

數(shù)學模型采用的控制方程如下：

連續(xù)方程：

(8)

動量方程：

(9)

紊動動能k方程：

(10)

G為產(chǎn)生項，表達式為：

(11)

紊動能耗散率ε方程：

(12)

3.2 邊界條件

3.2.1 曝氣葉輪

在葉片半徑之內這個區(qū)域的流體的流動速度和葉輪之間的相對速度是0。而其他的流體區(qū)域處在靜止坐標系[10]。

3.2.2 進水口

通過無旋這種假設以及質量守恒定律可以知道，假設流速是以一種均勻的方式分布的，而在進水口的截面處，耗散率、壓力以及紊動動能也是以一種均勻的方式分布。

3.2.3 出水口

使用溢流這樣的假定，出口壓力等于一個大氣壓。

3.2.4 自由水面

上部開口的表面是一種自由面，不將水面波動考慮在內，壓力設定為大氣壓力值。水面的垂直流動速度是0，而其他變量的法向梯度也是0。

3.2.5 底面和固壁面

垂向壁面的水平流速的法向梯度為0；底部壁面的垂向流速的法向梯度為0，使用標準的壁面函數(shù)，滿足壁面質量通量為0的條件。

3.3 數(shù)值計算方法

將方程(8)～方程(12)寫成通用形式：

(13)

通過使用負坡的線性化原則處理上述的方程源項，進而確保穩(wěn)定的數(shù)值解[11]。

4 討論

給定以上方程組邊界條件，利用計算流體力學相應軟件，對上述方程進行求解[11]。分析耦合的計算結果。

根據(jù)各水深的流場圖，在對其進行轉刷之后，進入到彎道的第一個直道當中，會有湍流的現(xiàn)象在水體的表面出現(xiàn)，但是其溝底是比較平緩的。在彎道的位置，在水體的表面和中部之間的位置，也有湍流的現(xiàn)象出現(xiàn)，會存在相對比較大的能耗區(qū)，在通過彎道之后，會有“死角”存在，也就是說水體在水平方向有著比較小的流速，進而導致混合液當中的活性污泥會存在一定程度的下沉。

根據(jù)各縱斷面流場圖，在第一個直段當中，因為溝內轉刷的曝氣的影響，水體在垂直方向會存在大的流動，并且在第二個直段的垂直流速會更大。在溝內的彎道位置，會有比較大的垂直的渦流狀況，在這個直段有著較大的流速損失，靠近中心墻壁處有一回水區(qū)，避免了水中活性污泥過快下沉。

通過對各種不同工況的模擬，對氧化溝當中的水體流動以及混合狀態(tài)進行仿真的模擬。對這種系統(tǒng)當中溝道的內部設計進行修正，就可以對氧化溝的多種工況流場分布進行預測，對比多種工況，防止污泥的下沉，對優(yōu)化氧化溝當中的設備配置，降低工程造價，節(jié)約運行成本有著十分重要的意義[1]。

5 結語

通過氧化溝水力計算分析，模擬計算氧化溝當中的水體流動情況，在計算氧化溝當中的水體流場的時候使用k—ε模型，在分析流場的基礎之上，能夠對溝內的紊動以及流動狀況進行更加準確的分析，還可以判斷當中是否有“死角”，以致污泥存在著局部的下沉，提供了一定的參考數(shù)據(jù)，進而對多種狀態(tài)下的流場進行比較精確的預判，可以對潛水推流設備以及表面曝氣機進行有效的整合，在實際的工藝運行以及系統(tǒng)的優(yōu)化設計當中有著十分重要的意義。

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Analysis of hydrodynamics and simulation on flow field of oxidation ditch

ZHANG Qi-rong1PU Xiao-jing2

(1.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Limited Liability Company, Wuhan 430023, China;2.Wuhan Real Estate Development Investment Group Limited Company, Wuhan 430022, China)

This paper calculated and analyzed the flow field and hydraulic of oxidation ditch usingk—εturbulence mathematical model, simulated the flow state of oxidation ditch water, based on the analysis on flow field, could effective integration of the unify of both diving pushed converter and surface aerator, and could make optimizing effect to oxidation ditch engineering design, equipment configuration and layout etc.

oxidation ditch, hydraulics, computational hydrodynamics, flow field

1009-6825(2014)36-0177-03

2014-10-17

張杞蓉(1987- )，女，碩士； 普曉晶(1985- )，男，工程師

X703

A