宿顯瑞，栗軍生，閆秋霞，何路興，席 航，崔弼峰

(1.河南省第二建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 451464；2.河南碧之霄檢測技術(shù)有限公司，河南 鄭州450000；3.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

我國淡水資源一直面臨著人均占有量低、南北分布不均勻和污染嚴(yán)重等問題，如何將有限的淡水資源進(jìn)行高效重復(fù)利用是污水處理工藝中亟待解決的問題[1-2]。在污水處理工藝中，沉淀池是去除水中懸浮物的主要設(shè)施，沉淀池的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響污水處理效果[3-4]。目前，我國對(duì)污水處理廠各處理構(gòu)筑物運(yùn)行工況的研究大多是依靠相似準(zhǔn)則建立相關(guān)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，但其周期長、投入多，在實(shí)際運(yùn)行中還需進(jìn)一步調(diào)試[5]。隨著計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的發(fā)展，許多學(xué)者開始利用數(shù)值模擬方法對(duì)污水處理廠構(gòu)筑物的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。Goula等[6]采用CFD原理并依托Fluent軟件對(duì)進(jìn)水溫度變化下沉淀池內(nèi)懸浮物的沉降效果進(jìn)行了模擬；Lakehal等[7]采用二維非正交網(wǎng)格上的k-ε湍流模型，對(duì)沉淀池徑向截面內(nèi)的流動(dòng)和沉降過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)不同的流變、沉降和擴(kuò)散輸運(yùn)參數(shù)或方法對(duì)高速區(qū)和高梯度區(qū)產(chǎn)生較大影響，從而造成不同的污泥覆蓋層高度；馬魯銘等[8]通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)二沉池流態(tài)的模擬，解決了二沉池流態(tài)難以測定的難題；何國建等[9]基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，通過改變擋板高度對(duì)二維平流沉淀池進(jìn)行模擬，得出影響懸浮物質(zhì)去除效率的重要因素之一是流場中回流區(qū)的大小；曾光明等[10]通過建立渦量-流函數(shù)控制方程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出渦量-流函數(shù)法可以成功地應(yīng)用于沉淀池的數(shù)值模擬；蔡金傍等[11]利用前人已建立的二維沉淀池?cái)?shù)學(xué)模型，模擬改變平流沉淀池?fù)醢宀贾梦恢?、入水深度、進(jìn)口流速等條件對(duì)沉淀池流態(tài)的影響。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)污水處理廠構(gòu)筑物進(jìn)行模擬研究，不僅節(jié)省了人力、物力與財(cái)力，而且可以提高污水廠的處理效率[12]。然而，目前采用CFD理論研究復(fù)合型(平流與斜管組合型)沉淀池不同擋板高度對(duì)沉淀效能的影響還不多見。本研究采用CFD理論和Fluent軟件對(duì)沉淀池的水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，找出影響其流態(tài)及沉淀效果的因素，根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)污水處理廠復(fù)合沉淀池的建設(shè)提出合理建議。

1 研究方法

1.1 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

計(jì)算流體力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，其主要原理是根據(jù)流體的三大基本控制方程(動(dòng)量守恒、能量守恒、質(zhì)量守恒方程)，通過計(jì)算機(jī)軟件模擬以獲取某種流體在某一特定條件下的相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)來代替特定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯瓿煞抡嬖囼?yàn)的目的，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力、土木水利、航空航天、流體機(jī)械、船舶工業(yè)、化學(xué)工程與環(huán)境工程等領(lǐng)域[13-14]。

CFD技術(shù)采用特定數(shù)值計(jì)算方法對(duì)所建模型的偏微分方程離散化處理，將原來時(shí)間及空間域上連續(xù)物理量的場用一系列離散點(diǎn)上變量值的集合近似化代替，通過數(shù)值模擬計(jì)算，獲得能夠反映出工程情況的結(jié)果和圖像[15]。CFD技術(shù)應(yīng)用面廣，適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)于較復(fù)雜的流動(dòng)問題可以有效且精確地找到數(shù)值解，對(duì)不具備實(shí)驗(yàn)條件的場所，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，從而節(jié)省人力、物力和財(cái)力[16]。

1.2 Fluent軟件

Fluent軟件是當(dāng)前廣泛使用的CFD軟件。由于Fluent軟件采用了多種形式的求解方法與多重網(wǎng)格加速收斂的技術(shù)，因此具有較高的求解精度和較快的收斂速度。Fluent軟件依靠其多變的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，較成熟的物理模型，強(qiáng)大的前、后處理功能，在多相流、材料加工、航空航天、汽車設(shè)計(jì)、天然氣石油、渦輪機(jī)工程等方面都有著較為廣泛應(yīng)用[17-18]。

Fluent軟件的基本功能主要有：前處理，其主要用于建立幾何模型及網(wǎng)格的生成；設(shè)置與計(jì)算，該步驟為數(shù)值求解的核心，主要功能是對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解；后處理，對(duì)模擬計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行顯示與輸出，以便于觀察與分析，可通過CFD-post、Tceplot等后處理軟件運(yùn)行。

2 復(fù)合沉淀池的模型建立與參數(shù)設(shè)定

2.1 復(fù)合沉淀池概況

選擇某污水處理廠實(shí)際運(yùn)行的復(fù)合式(平流、斜管組合)沉淀池，在沉淀池基礎(chǔ)上，做簡要更改后利用SolidWorks軟件進(jìn)行二維模型建立，模型主體各參數(shù)為：沉淀池總長30.1 m，總深度5.05 m(不計(jì)污泥斗)；污泥斗深1.93 m，長2.9 m；進(jìn)水管道長1 m，直徑0.9 m；出水設(shè)置3條集水槽，槽深0.8 m，寬0.3 m；斜管為聚丙烯蜂窩狀斜管，簡化為直徑0.05 m、長1 m、傾斜角60°的斜管。二維模型總體圖見圖1。

圖1 復(fù)合沉淀池二維模型圖(單位：m)

2.2 模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是指在計(jì)算域內(nèi)的一系列離散區(qū)域，CFD主要通過控制方程進(jìn)行離散，然后使用數(shù)值方法獲得網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的溫度、壓力、速度等數(shù)據(jù)，所以模型劃分網(wǎng)格的質(zhì)量好壞將直接影響后續(xù)計(jì)算的精確度。

采用ANSYS Workbench軟件中的Mesh劃分模型網(wǎng)格，采用三角形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分并對(duì)斜管部分采取網(wǎng)格加密，共有23 003個(gè)節(jié)點(diǎn)、45 131個(gè)三角形單元體，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 復(fù)合沉淀池總體網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件設(shè)定

(1)進(jìn)口邊界采用進(jìn)口速度(Velocity inlet)，速度大小為工程實(shí)際速度0.27 m/s，并假設(shè)進(jìn)口水流均勻且充滿邊界；

(2)出口邊界采用自由出流(Outflow)，因?yàn)樽杂沙隽鬟吔邕m合出口流量、速度、壓力等未知的情況；

(3)沉淀池的周圍池壁、斜管及進(jìn)水管均設(shè)置為固壁無滑移邊界(Wall)，無垂直通過壁面的速度；

(4)沉淀池的側(cè)壁以及上水平面均設(shè)置為對(duì)稱邊界(Symmetry)，因?yàn)閷?shí)際的沉淀池為三維構(gòu)造，具有對(duì)稱性。

2.4 模型參數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定

沉淀池的運(yùn)行過程不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，故時(shí)間項(xiàng)(Time)應(yīng)設(shè)置為Transient，且取y方向重力加速度為-9.8 m/s2。因本次模擬主要研究復(fù)合沉淀池內(nèi)水流的流態(tài)，故不涉及多相問題，所以只設(shè)置湍流模型，采用RNGk-ε模型，控制方程采用有限體積法。沉淀池內(nèi)污水密度設(shè)置為1 000.35 kg/m3，黏度為1.005×10-3Pa·s-1，采用SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風(fēng)式。

計(jì)算中的收斂標(biāo)準(zhǔn)除連續(xù)性(continuity)設(shè)定為10-5外，其余均為10-4。

3 結(jié)果與分析

3.1 確定沉淀池運(yùn)行工況

理想狀態(tài)下的沉淀池理論認(rèn)為：沉淀池在運(yùn)行過程中可以不考慮湍流、池深和池體沖刷的影響，假定沉淀池內(nèi)部為理想流體，內(nèi)部各過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)流速大小均相同，但實(shí)際沉淀池流態(tài)往往會(huì)形成渦旋與短流，與理想情況相差很大，對(duì)沉淀池沉淀效果不利。

對(duì)不同擋板高度工況下沉淀池進(jìn)水孔處流態(tài)進(jìn)行分析。原始模型不設(shè)置進(jìn)水擋板，定為工況1，后續(xù)設(shè)置進(jìn)水擋板，在原沉淀池各尺寸不變情況下，于進(jìn)水口池壁1.5 m處設(shè)置寬度為0.2 m，深度分別為1.5 m、2 m、2.5 m的進(jìn)水擋板，分別定為工況2、工況3、工況4，并在斜管區(qū)出口設(shè)置出口斷面(簡稱ck)，在斜管上部設(shè)置斜管上部斷面(簡稱xgsb)，在斜管下部設(shè)置斜管下部斷面(簡稱xgxb)。

3.2 各工況下流速云圖與局部流線圖

本次數(shù)值模擬主要研究復(fù)合沉淀池在各工況下的池內(nèi)流態(tài)情況，以分析哪種工況對(duì)沉淀效果最有利，而流態(tài)主要觀察沉淀池內(nèi)的旋渦與短流區(qū)情況，各工況經(jīng)Fluent模擬后的速度(Velocity)云圖見圖3～圖6，經(jīng)過Tecplot處理后的局部流線圖見圖7。

圖3 工況1速度云圖

圖4 工況2速度云圖

圖5 工況3速度云圖

圖6 工況4速度云圖

圖7 各工況下局部渦旋流線圖

由圖3～圖7可以看出：通過增加擋板可以有效避免污泥斗上部與平流段右上角較大面積的短流；通過增加擋板會(huì)在擋板后方形成一定區(qū)域的短流區(qū)；通過增加擋板可以適當(dāng)減小進(jìn)水管與沉淀池相交處的旋渦，但會(huì)在擋板后形成小旋渦；由于僅改變平流區(qū)的擋板，對(duì)斜管區(qū)影響不大，故斜管區(qū)的速度云圖相差不大，均表現(xiàn)為斜管區(qū)后近三分之一段為短流區(qū)。

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)速度云圖和流線圖可以看出：加入擋板后有利于復(fù)合沉淀池前段平流區(qū)的流態(tài)發(fā)展，為了確定哪種工況下沉淀池沉淀區(qū)域的速度最小，最有利于污泥的沉降，通過Fluent軟件的Surface Integrals功能計(jì)算各斷面的速度平均值，結(jié)果見表1和表2。

表1 改變擋板條件下復(fù)合沉淀池平流區(qū)各斷面x方向平均速度 m/s

表2 改變擋板條件下復(fù)合沉淀池斜管區(qū)各斷面平均速度 m/s

由表1和表2可知：工況3即擋板深度為2 m時(shí)，沉淀池?zé)o論是平流區(qū)、斜管區(qū)或斜管處斷面的速度均較其他工況小。從沉淀池的運(yùn)行實(shí)際情況可知，當(dāng)內(nèi)部流體速度越小時(shí)越有利于沉淀，因此擋板為2 m深時(shí)沉淀池的沉淀效果最好。

4 結(jié)論

使用Solidworks軟件進(jìn)行二維建模，基于Fluent軟件的湍流模型對(duì)復(fù)合沉淀池進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變復(fù)合沉淀池入口處擋板的深度分析沉淀池及進(jìn)水孔處的流態(tài)，從而優(yōu)選出最適合實(shí)際運(yùn)行狀況的擋板深度，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)復(fù)合沉淀池增加進(jìn)水擋板可以明顯改善平流段的水流流態(tài)，有效減少內(nèi)部短流區(qū)的面積，且一定程度減緩了出口附近的旋渦出現(xiàn)；

(2)通過調(diào)整進(jìn)水擋板的深度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水擋板的深度為2 m時(shí)整個(gè)沉淀池內(nèi)各斷面的流速均為最低，即此時(shí)沉淀池的沉淀效果最好；

(3)基于Fluent軟件的數(shù)值模擬模型可較好地完成沉淀池模擬實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)效率。