舒 在

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

絮凝是水處理工藝中的重要一環(huán),絮凝效果的好壞主要由兩個因素決定:一是絮凝劑的性質(zhì);其次是水處理構(gòu)筑物所提供的水力學(xué)條件[1]。其中水力學(xué)條件對絮體的成長起決定性作用,是決定絮凝效率的關(guān)鍵[2]。因此,對絮凝池進(jìn)行合理的設(shè)計,探討出最佳絮凝水力學(xué)條件顯得十分重要。機械絮凝是絮凝的重要組成部分,相比于水力絮凝,對其研究較少,目前對機械絮凝主要通過試驗和數(shù)值模擬來研究。包雨云等[3]研究不同葉輪直徑對方形槽中機械絮凝的影響,結(jié)果表明適當(dāng)對攪拌漿直徑進(jìn)行增大,可提高絮凝效果。NO-sukpark等[4]進(jìn)行了燒杯模型試驗、CFD模擬,以剩余濁度和G值為絮凝效果評價指標(biāo),研究方形、圓形、帶有擋板的圓形三種不同燒杯裝置的絮凝效果,研究結(jié)果表明,帶有擋板的圓形燒杯裝置絮凝效果最好。熊水應(yīng)等[5]對不同樣式攪拌器的機械絮凝池中在水廠中的運行性能進(jìn)行測試比較,發(fā)現(xiàn)水翼式的絮凝效果更優(yōu)。陳衛(wèi)等[6]基于CFD模擬水流流態(tài),通過研究兩種水力學(xué)因素對絮凝效果的影響,即攪拌器的幾何尺寸和在容器中的高度,提出了相應(yīng)的合理工況。鄢碧鵬等[7]基于CFD對不同槳葉速度組合的機械絮凝池內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了最佳絮凝效果時的速度組合。

這些對機械絮凝反應(yīng)器的研究都從改變絮凝水力學(xué)條件出發(fā),進(jìn)而強化絮凝工藝過程,且都是對垂直軸式機械絮凝反應(yīng)器的研究。在實際工程中，機械絮凝池的進(jìn)水方式、攪拌器旋轉(zhuǎn)方向、各級反應(yīng)格間過水孔洞形狀的改變都會對絮凝水力學(xué)條件產(chǎn)生影響,但相關(guān)設(shè)計規(guī)范對這些沒有規(guī)定,目前都是依據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計,難免會產(chǎn)生一定的誤差,而這些條件對絮凝效果的影響在現(xiàn)有的研究中還比較少見。采用CFD數(shù)值模擬的方法可以對實際尺寸的池體內(nèi)流動場進(jìn)行計算,相比試驗研究而言具有更快速、更準(zhǔn)確、費用更低等優(yōu)點。因此,筆者選擇水平軸式機械池為數(shù)值模擬研究對象,研究不同進(jìn)水方式、攪拌器旋轉(zhuǎn)方向、過水孔洞形狀對絮凝水力條件的影響,這對實際工程中絮凝池的設(shè)計與運行有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

數(shù)值模擬中采用三維實體模型來研究,根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊——城鎮(zhèn)給水》設(shè)計要點及規(guī)范要求,單個絮凝池的設(shè)計流量為3 000 m3/d,進(jìn)水直徑為800 mm,進(jìn)口流速為0.69 m/s,絮凝時間為20 min,池體長度14 m,池體寬度83 m,池內(nèi)設(shè)3排攪拌器,每排攪拌器上設(shè)3個攪拌器,攪拌器上的葉輪呈十字形安裝,葉輪直徑為3.3 m,十字葉輪上安裝4塊槳板,槳板長度為25 m,槳板寬度0.2 m。絮凝池分為3個相同的反應(yīng)格,第一反應(yīng)格內(nèi)攪拌器上槳板中心點的線速度為0.5 m/s,第二反應(yīng)格內(nèi)的的槳板中心點線速度為0.35m/s,第三反應(yīng)格內(nèi)的槳板中心點線速度為0.2m/s,各排攪拌器之間用隔墻分開以防止水流短路,隔墻上下交錯開孔。圖1為底部進(jìn)水的水平軸式機械絮凝池模型。

圖1 水平軸式機械絮凝池模型

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

機械攪拌裝置的數(shù)值模擬和實驗研究表明,對于機械攪拌的三維模擬,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型較為合適,其結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好[8,9],因此水平軸式機械絮凝池數(shù)值模擬的基本控制方程由k方程、ε方程、連續(xù)方程、動量守恒方程組成。

2 邊界條件及模擬方法

2.1 網(wǎng)格劃分

利用Gambit劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格單元類型選擇Tet/Hybrid的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,主要為四面體。對于含有攪拌模型的處理采用多重參考系法(MRF)[10],將單個反應(yīng)格分為含槳板的旋轉(zhuǎn)區(qū)域和槳板以外的靜止區(qū)域。由于含有攪拌器的旋轉(zhuǎn)區(qū)域水流流場變化劇烈,為了保證計算的精度需要對旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,網(wǎng)格節(jié)點間距取60。對于靜止區(qū)域,網(wǎng)格節(jié)點間距取80。

2.2 邊界條件及求解器

機械絮凝池進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口,出口邊界條件設(shè)為自由出流;近壁區(qū)域的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[11],攪拌器和攪拌軸的壁面設(shè)為移動壁面,其他壁面采用固定壁面邊界條件,旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的分界面設(shè)為interface,自由液面設(shè)置為無剪切的對稱邊界條件。選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法求解。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 絮凝效果評價指標(biāo)

湍動能k越大,湍動強度越大,水流湍動程度越劇烈,膠體顆粒間接觸碰撞概率增大,越有利于絮凝體的形成,絮凝效果也就越佳。湍動能耗散率ε表征流體將湍動能轉(zhuǎn)化為分子熱運動動能的速率,ε值越大,流體分子獲得的動能越大,絮凝顆粒間碰撞越為頻繁,絮凝效果越好,ε是有效能耗,是對顆粒碰撞起作用的那部分能量。渦旋速度梯度G與ε有關(guān),ε越大,G越大,絮凝顆粒有效碰撞頻率越高,絮凝效果越好。在傳統(tǒng)絮凝池設(shè)計中,主要用速度梯度G進(jìn)行校核,但是近年來許多學(xué)者對此提出異議,認(rèn)為G值僅代表能量的空間平均分布,不能反映各局部能量的分布[12，13],渦旋速度梯度G是速度梯度G的一部分,在紊流情況下,G起主導(dǎo)作用,能反映出絮凝區(qū)內(nèi)部局區(qū)域的紊動情況。因此,選用湍動能、湍動能耗散率、渦旋速度梯度為絮凝效果的評價指標(biāo)。

3.2 模擬方法可行性驗證

在實際水處理絮凝過程中G值范圍一般為20～70s-1,平均GT值范圍為104～105。速度梯度G值和渦旋速度梯度G值計算式如下:

G=102×NμW

(1)

G0=ρεμ

(2)

式中:N為葉輪所耗總功率，kW;μ為水的動力黏度,水溫按20 ℃計,μ=102×10-6kg·s/m2;W為絮凝池的有效容積,m3;ρ為水的密度，1 000 kg/m3;ε為湍動能耗散率,m2/s3。

以底部進(jìn)水、攪拌器順時針旋轉(zhuǎn)的水平軸式機械絮凝池為例,由槳板尺寸及轉(zhuǎn)速計算得到整個池體的平均速度梯度G為37 s-1,通過數(shù)值模擬所得到的池體平均渦旋速度梯度G0為36.53 s-1,兩者比較接近。

根據(jù)模擬結(jié)果,截取Y-Z(X=0 m)截面作為分析截面,其速度云圖和跡線圖如圖2所示。

圖2 Y-Z(X=0)處截面速度云圖與跡線圖

機械絮凝池中的水流湍動主要是靠槳板的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動水流而形成的,由圖2a可以看出第一反應(yīng)格內(nèi)水流的流速最高,第三格最小,從槳板外緣到靠近攪拌軸方向速度逐漸減小,且3個反應(yīng)格中槳板中心線速度與設(shè)計的槳板中心線速度基本相符。由圖2b可以看出,在槳板作用下,水是順時針流動的,當(dāng)撞擊到側(cè)壁上時,水流方向發(fā)生了變化,模擬所得到的絮凝池內(nèi)的水流流態(tài)與實際是相符的。因此,絮凝池模型是可靠的,數(shù)值模擬中參數(shù)的設(shè)置是可行的。

3.3 不同進(jìn)水方式及攪拌器旋轉(zhuǎn)方向的模擬

利用機械絮凝池不同的進(jìn)水方式和攪拌器的旋轉(zhuǎn)方向,可以得到4種不同的模擬方案。不同方案的具體設(shè)計見表1所示。

表1不同方案參數(shù)設(shè)計要求

根據(jù)不同方案的模擬結(jié)果,可得到不同池體內(nèi)的湍動能k分布云圖,為便于研究整個池體內(nèi)部流場流態(tài),取葉輪槳板中心點所在的平面為分析截面,不同方案的湍動能分布云圖如圖3所示。

圖3 不同設(shè)計方案下湍動能分布云圖

由圖3可知,機械絮凝池內(nèi)部湍動能在攪拌器附近比其他區(qū)域要高,特別是在槳板最外緣高區(qū)域較多,攪拌器所在區(qū)域使得整個反應(yīng)格紊動加劇,并且這種加劇程度隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的減小而降低。

由不同方案下機械絮凝池各個反應(yīng)格的體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε的模擬結(jié)果可以看出機械絮凝池內(nèi)部紊動情況,具體數(shù)據(jù)見表2～表5。

表2 不同方案下第一反應(yīng)格體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε

表3 不同方案下第二反應(yīng)格體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε

表4 不同方案下第三反應(yīng)格體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε

表5 不同方案下機械絮凝池體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε

由表2～表5可知：

(1)當(dāng)進(jìn)水方式同為底部進(jìn)水,攪拌器順時針旋轉(zhuǎn)時,水平軸式機械絮凝池各個反應(yīng)格的體平均湍動能k和湍動能耗散率ε值都比逆時針旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)反應(yīng)格的值要高,并且這種差異在第一反應(yīng)格表現(xiàn)明顯;當(dāng)進(jìn)水方式同為上部進(jìn)水,攪拌器逆時針旋轉(zhuǎn)的各個反應(yīng)格體平均湍動能k和湍動能耗散率ε值比順時針相對應(yīng)反應(yīng)格的值要高,同樣在第一反應(yīng)格差異表現(xiàn)明顯。這說明了攪拌器旋轉(zhuǎn)方向的改變對絮凝水力學(xué)條件的影響較大,且當(dāng)改變進(jìn)水方式時,最利于絮凝過程發(fā)生的攪拌器旋轉(zhuǎn)方向也發(fā)生改變。

(2)當(dāng)攪拌器旋轉(zhuǎn)方向同為順時針時,底部進(jìn)水的機械絮凝池各個反應(yīng)格都比上部進(jìn)水的機械絮凝池相對應(yīng)反應(yīng)格的湍動能k和湍動能耗散率ε值要高,且差異在第一反應(yīng)格表現(xiàn)明顯;當(dāng)攪拌器旋轉(zhuǎn)方向同為逆時針時,上部進(jìn)水的機械絮凝池各個反應(yīng)格的體平均湍動能k和湍動能耗散率ε值比底部進(jìn)水的機械絮凝池相對應(yīng)的反應(yīng)格的值要高,且差異在第一反應(yīng)格表現(xiàn)明顯。這說明進(jìn)水方式的改變對絮凝水力學(xué)條件的影響較大,攪拌器旋轉(zhuǎn)方向改變時對應(yīng)絮凝效果最好的進(jìn)水方式發(fā)生改變。

綜合四種方案模擬所得的體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε值進(jìn)行分析,方案四即采用上部孔洞進(jìn)水、攪拌器逆時針旋轉(zhuǎn)的水平軸式機械絮凝池第一反應(yīng)格體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε值比其他方案要高出許多,在絮凝的初始階段,絮凝顆粒能發(fā)生快速有效的碰撞凝聚成密實的絮凝體,第二、三反應(yīng)格體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε值與其他方案相比相差不大,且從整個池體的體平均湍動能k和體平均湍動能耗散率ε值來看,方案四的最高,絮凝效果最好。

由體平均湍動能耗散率ε值計算出渦旋速度梯度G,4種絮凝池設(shè)計方案所對應(yīng)的渦旋速度梯度如圖4所示。

圖4 不同方案下各反應(yīng)格渦旋速度梯度

由圖4可知,每種方案下,三格反應(yīng)池的體平均G相差程度逐級下降,這是因為機械絮凝池水流的紊動主要是靠攪拌器的旋轉(zhuǎn)造成,攪拌器轉(zhuǎn)速越大,速度梯度越大,紊動越強,絮凝顆粒碰撞頻率越高。方案四中第一反應(yīng)格體平均渦旋速度梯度達(dá)到最大55.86 s-1,第二反應(yīng)格相對較高,第三反應(yīng)格與其他方案相差不大,在機械絮凝過程中,第一反應(yīng)格速度梯度在合理范圍內(nèi)越大,則紊動越強,絮凝顆粒碰撞頻率也就越大,更有利于后續(xù)反應(yīng)格絮凝反應(yīng)的進(jìn)行,絮凝效果也就越好,從整個池體的體平均渦旋速度梯度來看,4種方案所對應(yīng)的體平均渦旋速度梯度依次為36.70 s-1、32.82 s-1、32.91 s-1、37.70 s-1,方案四最高。因此,采用上部孔洞進(jìn)水、攪拌器逆時針旋轉(zhuǎn)形式的水平軸式機械絮凝池絮凝水力學(xué)條件最好,絮凝效果最佳。

3.4 不同過水孔洞形狀的模擬

基于3.3所得到的結(jié)論,對上部孔洞進(jìn)水、攪拌器逆時針旋轉(zhuǎn)的機械絮凝池反應(yīng)格之間過水孔洞的形狀進(jìn)行數(shù)值模擬研究,3.3中機械絮凝池模型中過水孔洞為長方形孔道,寬為池寬,在控制孔洞面積及孔洞中心位置不變的情況下,對孔洞形狀為正方形及圓形的水平軸式機械絮凝池孔進(jìn)行數(shù)值模擬,得出湍動能k和湍動能耗散率ε值,模擬數(shù)據(jù)見表6、表7。

表6 不同形狀孔洞機械絮凝池體平均湍動能k(單位：m2/s2)

表7 不同形狀孔洞機械絮凝池體平均湍動能耗散率ε(單位：m2/s3)

在機械絮凝過程中,第一反應(yīng)格應(yīng)快速高效地發(fā)生碰撞凝結(jié)成粗而密實的絮凝體,第一反應(yīng)格湍動越強,則絮凝效果越好；第二反應(yīng)格應(yīng)保持一定的湍動程度使得在第一反應(yīng)格內(nèi)沒有充分接觸的絮凝顆粒再次發(fā)生碰撞聚集,同時還可以將未完全壓實的大絮凝體打碎,使其重新發(fā)生碰撞,以形成致密的絮凝體；在第三反應(yīng)格內(nèi)水體應(yīng)保持較小的湍動強度,防止已形成的絮凝體因湍流剪切過大而破碎形成小體積的礬花,由表6、表7可知,圓形孔洞的機械絮凝池第一、第二反應(yīng)格體平均湍動能和體平均湍動能耗散率比另兩種形狀孔洞的要高,三種池體的第三格體平均湍動能和體平均湍動能耗散率相差不大,且從整個池體的體平均湍動能和體平均湍動能耗散率來看,圓形孔洞的最高,由湍動能耗散率算得長方形、圓形、正方形過水孔洞的機械絮凝池渦旋速度梯度分別為37.07 s-1、39.35 s-1、39.15 s-1,可知圓形孔洞的渦旋速度梯度最大。由湍動能、湍動能耗散率、渦旋速度梯度作為絮凝效果評價指標(biāo)可知對于上部孔洞進(jìn)水、攪拌器逆時針旋轉(zhuǎn)的水平軸式機械絮凝池,連接各反應(yīng)格隔墻上的過水孔洞形狀為圓形時,絮凝效果最好。

4 結(jié) 論

本文研究了不同進(jìn)水方式及攪拌器旋轉(zhuǎn)方向?qū)λ捷S式機械絮凝池絮凝水力學(xué)條件的影響,結(jié)果表明,進(jìn)水方式為底部孔洞進(jìn)水時,對應(yīng)最佳絮凝水力條件的攪拌器旋轉(zhuǎn)方向為順時針,反之亦然,即攪拌器旋轉(zhuǎn)方向為順時針時,采用底部孔洞進(jìn)水的方式絮凝水力條件最佳;進(jìn)水方式發(fā)生改變時,對應(yīng)最佳絮凝效果的攪拌器旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變,反之亦然;4種不同進(jìn)水方式及攪拌器旋轉(zhuǎn)方向的機械絮凝池的模擬結(jié)果表明采用上部孔洞進(jìn)水、攪拌器逆時針旋轉(zhuǎn)的機械絮凝池絮凝效果最好;在進(jìn)水方式為上部孔洞進(jìn)水、攪拌器旋轉(zhuǎn)方向為逆時針的基礎(chǔ)上,通過對3種不同過水孔洞形狀的模擬,結(jié)果表明圓形過水孔洞的絮凝水力條件最好。

機械絮凝池中絮凝主要依靠改變攪拌器的旋轉(zhuǎn)方向、提高轉(zhuǎn)速來改善絮凝,因此結(jié)構(gòu)及運行方式的優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。現(xiàn)行的相關(guān)設(shè)計規(guī)范中對水平軸式機械絮凝池的進(jìn)水方式、攪拌器旋轉(zhuǎn)方向、過水孔洞形狀沒有規(guī)定,主要基于設(shè)計者的經(jīng)驗,容易造成設(shè)計的隨機性,在實際工程中不能提高絮凝效果。本研究為機械絮凝池的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù),對實際工程的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。