孫 斌，王月萍，吳天福，陳 譽(yù)，王秋景

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司水環(huán)境技術(shù)研究院，安徽 馬鞍山 243000；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

雨水調(diào)蓄池作為設(shè)置在管網(wǎng)末端截留初期雨水、降低面源污染的有效措施，已成功應(yīng)用于我國上海、廣州等城市。調(diào)蓄池在使用后底部不可避免地會(huì)出現(xiàn)污染物沉積，必須采取措施對其清洗。通常采用的措施有人工清理、噴射器沖洗、拍門沖洗等，這些措施有的危險(xiǎn)性大，有的能耗高，有的初期成本高，各有不足[1]，若采用攪拌沖洗則可較好地解決該問題。攪拌機(jī)作為攪拌沖洗的核心部件，其工作特性對沖洗效果有至關(guān)重要的影響。目前，一種雙曲面攪拌機(jī)被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、化工、能源、輕工等行業(yè)需要進(jìn)行固液兩相或固液氣三相攪拌混合的場合，尤其適用于污水處理工藝中的混凝池、調(diào)節(jié)池、厭氧池、硝化和反硝化池[2-3]。該裝置葉輪體上表面為雙曲線母線繞葉輪體軸線旋轉(zhuǎn)形成的雙曲面結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體水平旋流、上下環(huán)流，從而達(dá)到攪拌混合的作用。立軸式的雙曲面攪拌機(jī)適合于調(diào)蓄池的結(jié)構(gòu)型式及工況特征。

目前，雙曲面攪拌機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)多依賴于實(shí)測數(shù)據(jù)及工程師經(jīng)驗(yàn)，存在設(shè)計(jì)周期長、測試耗費(fèi)大、數(shù)據(jù)精度不高的問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，采用數(shù)值模擬，即計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）則能較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)研究手段的不足。彭珍珍等[4]采用多種參考系法（MRF）針對某雙曲面攪拌機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了攪拌槽內(nèi)水體的流動(dòng)特征并增設(shè)了導(dǎo)流板對其進(jìn)行優(yōu)化。Pinho F T等[5-7]計(jì)算了某雙曲面攪拌機(jī)流場速度分布，研究了攪拌池內(nèi)湍動(dòng)能規(guī)律以及攪拌下顆粒物的懸浮狀態(tài)。陳斌[8]等采用兩相流模型對某二次沉淀池進(jìn)行了計(jì)算，得到了其污泥分布規(guī)律進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)備選型。

文章針對某雨水調(diào)蓄池應(yīng)用雙曲面攪拌機(jī)的實(shí)例，對單個(gè)攪拌機(jī)和攪拌機(jī)陣列的工作性能分別進(jìn)行了全流域三維數(shù)值計(jì)算分析，得到了流場分布與流動(dòng)特性，指導(dǎo)了攪拌機(jī)的選型設(shè)計(jì)。

1 工程條件及模型結(jié)構(gòu)

某水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目中一調(diào)蓄池為地下水池，長44m，寬14.5m，設(shè)計(jì)容量水深5m，其中每隔5m設(shè)置一根0.5m直徑的支撐柱。該調(diào)蓄池雨天時(shí)截留初期雨水，待降水停止后，將截留的初雨污水送至污水處理廠進(jìn)行處理。在調(diào)蓄及外排過程中，根據(jù)現(xiàn)場具體條件，開啟攪拌機(jī)對水體攪拌，參考《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014-2006）中對氧化溝中水體流速的規(guī)范要求，需保證池中水體流速達(dá)到0.25m/s，避免污染物沉積影響調(diào)蓄池運(yùn)行[9]。初步設(shè)計(jì)擬選擇QSJ-2500型雙曲面攪拌機(jī)布置于池中，設(shè)備模型如圖1所示，設(shè)備參數(shù)如表1所示。該型號(hào)攪拌機(jī)匹配不同的減速機(jī)共有3種功率轉(zhuǎn)速，擬通過數(shù)值計(jì)算合理選擇轉(zhuǎn)速和功率確定布置型式，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖1 QSJ-2500型雙曲面攪拌機(jī)

表1 攪拌機(jī)參數(shù)表

2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)調(diào)蓄池幾何特征，可將其分為3個(gè)區(qū)域，如圖2所示，分別布置3臺(tái)雙曲面攪拌機(jī)，每臺(tái)需保證15m×15m的服務(wù)面積。由于整個(gè)池子尺寸較大，而且3個(gè)區(qū)域流動(dòng)特征較為相似，擬單獨(dú)建立一長寬高為15m×15m×5m的測試水池，分別計(jì)算30r/min、35r/min、40r/min 3種轉(zhuǎn)速下攪拌機(jī)的工作性能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇適合的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，再建立調(diào)蓄池整體的計(jì)算模型，驗(yàn)證攪拌機(jī)在調(diào)蓄池中的攪拌能力。

圖2 調(diào)蓄池三維視圖

參考設(shè)計(jì)規(guī)范，以水作為介質(zhì)，測試水池充滿水，作為數(shù)值計(jì)算的流體區(qū)域。網(wǎng)格劃分采取全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3所示，葉輪旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格精度在0.5以上，靜止區(qū)域網(wǎng)格精度在0.8以上，動(dòng)靜之間采用多重參考系法（MRF）和交界面進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的插值和傳遞。測試水池壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界，水體表面采用對稱邊界處理。

圖3 攪拌機(jī)葉輪網(wǎng)格

動(dòng)量基本控制方程為時(shí)均N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程以封閉控制方程組，對流場進(jìn)行三維定常計(jì)算，具體方程如下[10]：

3 結(jié)果分析

3.1 測試水池流態(tài)分析

在15m×15m×5m的測試水池中，對攪拌機(jī)30r/min、35r/min、40r/min 3種轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行了計(jì)算，取得了測試水池的流場分布。測試水池模型如圖4所示。攪拌機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性決定了池內(nèi)水體的流速，而水池底部平面的流速分布以及水池垂直方向上的淺層旋渦則直接影響水池底部污泥是否出現(xiàn)沉積。3種轉(zhuǎn)速下測試水池距池底0.1m處平面流速云圖如圖5～7所示，實(shí)線為0.25m/s速度等值線，所框區(qū)域即速度滿足規(guī)范要求的部分。對比可以看出，在30r/min轉(zhuǎn)速下水池底部平均流速達(dá)到0.304m/s，但近壁面區(qū)域速度較低，低于0.2m/s不能滿足所要求的攪拌流速；35r/min轉(zhuǎn)速下水池底部平面平均流速增大到了0.355m/s，0.25m/s流速以上覆蓋區(qū)域約占總平面的89%，池底四角因存在壁面碰撞而產(chǎn)生流動(dòng)死角；在40r/min轉(zhuǎn)速下，底部平面平均流速可達(dá)0.407m/s，高于0.25m/s流速區(qū)域覆蓋率為91.5%，比35r/min轉(zhuǎn)速工況提高2.5個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 測試水池模型

對比圖6和圖7可以看出，轉(zhuǎn)速由35r/min提高至40r/min，0.3m/s流速覆蓋區(qū)域面積基本沒有變化，底部中心區(qū)域的流速明顯增大，說明轉(zhuǎn)速的提高增大了池底的速度梯度，但低流速區(qū)的形成是由水池壁面導(dǎo)致，并非是由于攪拌機(jī)功率不足。隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)矩增大，軸功率也隨之增大。攪拌機(jī)軸功率表如表2所示。綜上所述，選擇轉(zhuǎn)速為35r/min可以滿足15m×15m的服務(wù)面積，并具備較好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 調(diào)蓄池計(jì)算分析

圖5 30r/min下水池底部（0.1m）速度云圖

圖6 35r/min下水池底部（0.1m）速度云圖

圖7 40r/min下水池底部（0.1m）速度云圖A

表2 攪拌機(jī)軸功率表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取3臺(tái)雙曲面攪拌機(jī)分別布置于調(diào)蓄池3個(gè)區(qū)域中心（即圖1中①②③），安裝高度為距池底0.6m，以35r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行三維定常計(jì)算，得到調(diào)蓄池內(nèi)水體的流動(dòng)特征。速度云圖如圖8所示，池底平面平均流速達(dá)到了0.331m/s，比測試水池略低，這是因?yàn)槌刂兄沃鶎λw有一定阻流作用，而且三區(qū)域間流體攪拌相互碰撞會(huì)造成一定的水力損失。從圖中可以看出，池底速度均勻，大部分區(qū)域流速達(dá)到規(guī)范要求的0.25m/s，可以滿足工程需要。

調(diào)蓄池內(nèi)部三維流線圖如圖9所示。從圖中可以看出，攪拌機(jī)葉輪附近速度最大，其次則為調(diào)蓄池底部。流線從攪拌機(jī)葉輪邊緣呈輻射狀向四周發(fā)散，撞擊水池邊壁后，改變速度方向，沿壁面向上運(yùn)動(dòng)，最后從水面向下回到攪拌機(jī)葉輪處，形成一個(gè)水平旋流、上下環(huán)流的流動(dòng)循環(huán)。攪拌機(jī)通過旋轉(zhuǎn)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體的湍動(dòng)能，水池底部沉積物由于流體黏性作用而隨水體運(yùn)動(dòng)，因而可以克服自身重力，從而達(dá)到攪拌、混合、沖洗的目的。同時(shí)也可以看出，本次選型選擇的雙曲面攪拌機(jī)的攪拌流場具有很好的流動(dòng)對稱性，為將來在調(diào)蓄池中加裝導(dǎo)流裝置提供了較好的流動(dòng)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與展望

本研究對安裝在調(diào)蓄池中的雙曲面攪拌機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到流場特性和相關(guān)數(shù)值報(bào)告。對單個(gè)攪拌機(jī)的數(shù)值計(jì)算確定了合適的工作轉(zhuǎn)速為35r/min。通過對全局流場的數(shù)值計(jì)算得到，采用3臺(tái)葉輪直徑2.5m的雙曲面攪拌機(jī)，均勻布置于調(diào)蓄池中，以35r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行，具有較好的混合沖洗效果，滿足工程實(shí)例的要求。說明雙曲面攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和近池底的安裝型式，能夠形成均勻的推流攪拌流場，適合于雨水調(diào)蓄池的沖洗工況。

本實(shí)例中對于池底四角以及兩區(qū)域間流體碰撞造成的局部水力損失，可通過設(shè)置圓角導(dǎo)流、加裝導(dǎo)流裝置的方式嘗試解決，可在后續(xù)的研究中繼續(xù)探討。

圖8 調(diào)蓄池底部（距池底0.1m）平面速度云圖

圖9 調(diào)蓄池內(nèi)部三維流線圖