張 俊，劉奧勝，李 樂，曹守啟

用于池塘養(yǎng)殖尾水處理的串聯式旋流器水動力特性及分離效率

張 俊1,2，劉奧勝1，李 樂1，曹守啟1

（1. 上海海洋大學工程學院，上海 201306；2. 國家遠洋漁業(yè)工程技術研究中心，上海 201306）

為了將多級旋流分離技術應用于池塘養(yǎng)殖尾水處理，并解決旋流器的水力停留時間短、分離效率低等問題，根據池塘養(yǎng)殖南美白對蝦的尾水特點，結合工業(yè)標準150旋流分離器的結構參數，設計了一種串聯式旋流分離器。該研究基于歐拉-拉格朗日方法，結合雷諾應力湍流模型與離散相模型，建立了串聯式旋流分離器的三維兩相內流場數值計算模型。在對比試驗數據驗證計算方法有效性和流場網格獨立性的基礎上，分析了進水口流量、錐角、顆粒粒徑和密度等參數對旋流器的流場特征和分離效率的影響機制，并提出了多級“旋流+過濾”組合式池塘養(yǎng)殖尾水固液分離技術。研究表明：隨著進水口流量在一定范圍內增加，兩級旋流器內流場的切向速度、軸向速度、分流比、壓力降均增大，渦流強度增強，對于粒徑為75m顆粒物的分離效率明顯提高，而對于粒徑為5m顆粒物的分離效率變化不顯著；隨著旋流器的錐角減小，水流阻力、壓力降和分流比均降低，有助于增加顆粒物在旋流區(qū)的停留時間，從而提高其分離效率；隨著顆粒物的密度和粒徑增大，旋流器的分離效率提高，對粒徑為75m沉淀物的分離效率可達80%，對同粒徑懸浮物的分離效率約為60%，但對于粒徑為5m的2類顆粒物而言，分離效率的差別較小，均低于30%。研究結果可為串聯式旋流器的結構優(yōu)化設計及其在池塘水產養(yǎng)殖尾水處理中的應用提供理論依據。

養(yǎng)殖尾水；旋流分離器；兩相流；內流場；分離效率；水動力學

0 引 言

據《2020全國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》，2019年全國水產養(yǎng)殖產量達5224.2萬t，占全國漁業(yè)總產量的79.8%。多年來，為提高養(yǎng)殖產量和效益，池塘養(yǎng)殖普遍采取高放養(yǎng)密度、高投餌量的集約化養(yǎng)殖模式。養(yǎng)殖期間產生的殘餌糞便、化學藥品、抗生素等污染物進入水體，對周邊環(huán)境造成了極大污染，甚至引起了湖泊退化、海洋赤潮等惡劣環(huán)境污染現象，導致生物多樣性銳減，成為制約中國水產養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。隨著中國深入推動綠色增長、實現“雙碳”目標，養(yǎng)殖尾水已不能直接排放。目前，池塘養(yǎng)殖尾水處理主要依賴生態(tài)溝渠、生態(tài)塘、潛流濕地等生態(tài)治理方法，存在工藝流程復雜、占地多、冬季凈化效率低等缺陷。因此，研發(fā)占地少、成本低、效率高的一體化池塘養(yǎng)殖尾水處理設備是迫切需解決的關鍵技術[1-3]。

旋流器作為一種離心式分離裝置，具有無能耗、占地少，組裝拆卸方便等優(yōu)點，在石油化工、水砂分離、工業(yè)污水處理等領域應用廣泛[4-6]。但是，旋流分離器在水產養(yǎng)殖領域的應用較少，這是由于當前養(yǎng)殖尾水凈化主要針對工廠化養(yǎng)殖，通常采用微濾機過濾懸浮物，并對水體消毒可實現循環(huán)再利用。池塘養(yǎng)殖尾水中含有大量泥沙等高密度顆粒物，將旋流器應用于處理池塘養(yǎng)殖尾水可減輕微濾機的工作負荷和反沖洗頻率，具有十分重要的研究意義。Riesenberg等[7]對串聯式旋流分離器組成除油單元開展的試驗研究表明與單個旋流器相比，串聯式旋流器的除油效率提高了10%；王云超等[8]通過試驗研究了兩級旋流器的4種不同組合錐角對其分離效率的影響，結果表明第1、2級水力旋流器最佳錐角分別為8°和5°，并證實了減小第2級旋流器的錐角有助于提高顆粒物的分離效率，而關于三維兩相內流場特征對分離效率的影響機制有待于進一步研究；趙傳偉等[9]對井下雙級串聯式水力旋流器的工作性能進行研究，試驗表明：進水口流量增加三倍以后，總分流比的范圍逐漸增大，且第1、2級旋流器的溢流口流量之比與總分流比有一定關聯；Fontein等[10]提出在保留安裝進料管所需空間的條件下，旋流器的柱段長度應盡量短，但必須采用長錐段；在此基礎上，Wang等[11]模擬研究了旋流器柱段和錐段高度對其分離效率的影響，證實了Fontein的研究結果；Ghodrat等[12]對一個帶有較長凸面型錐體的旋流器的分離效率的研究，研究表明，較長的錐形截面長度會導致入口壓力降低，不利于提高其分離效率；Yang等[13]研究了兩錐組合式旋流分離器，結果表明第1級旋流器錐角對流速、分流率、分離效率、能量利用率和分離銳度有顯著影響，但對壓力、速度分布、容量分布和切割尺寸的影響不大，但缺少分析第2級旋流器的錐角對分離效率的影響機制；李建平等[14]設計了一種應用于處理池塘養(yǎng)殖尾水的旋流分離器，得到了不同流量、不同濃度對旋流分離器內部流場、分離效率的影響規(guī)律，結果表明，隨著進水口流量增加，內部水流速度提高，湍流流動增強，不利于固體顆粒的沉降；Hwang等[15]通過試驗研究了相同的兩級串聯式旋流器的分離效率，分析了進料流量和分流比等變量對分離效率的影響規(guī)律，但對于不同進水流量、顆粒粒徑、旋流器錐角等結構和工作參數對分離效率的影響機制有待于進一步深入研究；Jacobsson等[16]以標準水力旋流器為研究對象，采用混合多相流模型，對其內部流場特征及分離效率進行了模擬研究，得出標準旋流器的最佳進水口流量約為40～50 L/min，分離效率達到90%以上，能量損失較??；Fu等[17]通過數值模擬和試驗研究，得到了錐角對輕分散塑料和重分散塑料分離效率的影響規(guī)律，并提出適當減小柱段高度有助于提高旋流器的分離效率。

綜上，國內外學者對旋流分離器的結構設計、內流場特性、分離效率開展了大量研究，但是，關于應用于養(yǎng)殖尾水處理的旋流器研究較少，尤其針對串聯式旋流器的結構和工作參數對養(yǎng)殖尾水顆粒物分離效率的影響機制尚不明確。本文根據池塘養(yǎng)殖南美白對蝦的尾水特征，設計了一種串聯式旋流分離器，建立了三維兩相內流場數值計算模型，對比研究了不同進水流量和顆粒物理屬性等條件下的流場速度、分流比、壓力降和分離效率，并與標準工業(yè)用150旋流器進行對比分析，得到影響串聯式旋流器分離效率的關鍵因素，擬提出“旋流+過濾”組合式池塘養(yǎng)殖尾水固液分離方案。研究結果可為旋流器的優(yōu)化設計及其在水產養(yǎng)殖尾水處理中的應用提供參考。

1 數值計算模型

1.1 結構模型

養(yǎng)殖尾水的采樣點為中國水產科學研究院池塘生態(tài)工程研究中心，養(yǎng)殖對象為南美白對蝦。2021年7—11月，共跟蹤了3個南美白對蝦養(yǎng)殖池塘尾水排放全過程。池塘總排水深度約1.5 m，檢測了尾水中懸浮物（Total Suspended Solids，TSS）、化學需氧量、總氮、總磷等指標隨排放時間的濃度及尾水中懸浮物的粒徑分布等。清塘分兩次進行，第一次排水約0.9 m，顆粒物粒徑隨著水位下降而增加，由初期的0～30m（82.73%）增加到后期的30～100m（80.36%）；第二次排水約60 cm，由初期0～20m（63.37%）增加至后期30～100m（52.79%）。從整體上看，蝦塘尾水中主要顆粒物粒徑分布在0～100m之間，TSS含量在25.5～3 160 mg/L，清塘期間不同水層的TSS絕對含量差異明顯，但變化趨勢相同，均隨水位下降而增加，且清塘前期和中期的TSS增幅較低，末期的TSS含量急劇增加，平均增幅達744.8%。根據上述池塘養(yǎng)殖南美白對蝦的尾水顆粒物采樣數據，并結合旋流器的一般設計準則對串聯式旋流分離器進行結構建模[18-21]。圖1給出了串聯式旋流器的結構參數和監(jiān)測線位置，表1為第1、2級旋流器的主要結構參數值。設計旋流分離器的柱段直徑1、2均為150 mm，柱段長度y1、y2均取0.7～2.0；溢流管的插入深度1、2分別為100 mm；溢流口直徑為0.2～0.3；進水口直徑或面積當量直徑為0.15～0.25，底流口直徑為0.07～0.1；第1級旋流器采用方形進水口，第2級則采用圓形進水口。當旋流器的柱段直徑一定時，錐段高度y1、y2隨錐角減小而增加，而錐角過小會導致旋流器高度增加和水處理量下降。另外，現有文獻主要研究了串聯式旋流器的第1級結構參數對其分離效率的影響機制[12-14]，根據其研究結果設計第1級旋流器的錐角1為30°，主要考慮第2級旋流器錐角2的影響，取2為15°、20°、25°、30° 4種工況。為了分析串聯式旋流器的內部三維兩相流動特征，在經過第1級旋流器中心軸且平行于平面上=-150、-200、-250 mm處設置監(jiān)測線I、II、III；在第2級旋流器柱段和錐段的交界面上建立監(jiān)測線IV，其中監(jiān)測線I、III監(jiān)測柱段和錐段速度分布特性，監(jiān)測線II、IV分別監(jiān)測第1、2級旋流器柱段和錐段交界面上的壓力分布特性；在經過第1、2級旋流器及其連接段對稱軸且平行于平面設置監(jiān)測面I。

注：D為柱段直徑、ly為柱段長度、a為進水口高度、b為進水口寬度、do為溢流管直徑、h為溢流管插入深度、sy為錐段長度、du為底流口直徑，mm；β表示錐角，（°）。下標1、2分別代表第1、2級旋流分離器。

表1 結構參數值

1.2 數學模型

1.2.1 控制方程

將串聯式旋流器的內部氣液固三相流視為具有不可壓縮性和連續(xù)性的混合流體相，其三維非定常復雜流動過程滿足強守恒型N-S方程。

式中(,,,,)-1；為連續(xù)相密度，kg/m3；為時間，s；、、分別為速度在三個坐標方向上的分量，m/s；為流體單位體積總能量，J；、、為慣性力通量；F、G、E為粘性力通量，源項為

1.2.2 離散相模型

根據池塘養(yǎng)殖南美白對蝦的尾水檢測數據，將顆粒物分為2類：第1類為以殘餌和代謝物為主的懸浮物，密度p1為1 160 kg/m3；第2類為以泥沙為主的沉淀顆粒物，密度p2為1 650 kg/m3。假定顆粒物為球形粒子，粒徑p1、p2取5m和75m，近似認為顆粒物與壁面發(fā)生彈性碰撞，不考慮顆粒之間的相互作用力以及顆粒破碎和能量吸收。離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）適用于本研究中固相體積分數低于10%的兩相流問題。通過積分Lagrangian參考系下的離散相運動方程組，即可求解顆粒物的運動軌跡。分析顆粒物的受力，在直角坐標系下的運動方程為

在實際的多相流動中，顆粒的阻力不僅與雷諾數有關，還和流體的湍流運動、可壓縮性、流體溫度與顆粒溫度、顆粒形狀、壁面的存在以及顆粒群的濃度等因素有關，其定義為

單位顆粒質量受到的向心浮力表示為

顆粒物的運動軌跡方程為

1.2.3 雷諾應力湍流模型

采用雷諾應力模型（Reynolds Stress Model，RSM）描述旋流分離器內部的旋轉流動過程，該模型考慮了流場中的旋轉、漩渦、張力等急劇變化的影響，有效地解決了由于雷諾壓力和耗散速率使N-S方程不封閉的問題。目前，RSM已廣泛應用于均勻湍流、自由射流、邊壁射流、尾流、三維管流及旋轉流等復雜湍流的數值模擬問題，所預測的平均流速分布和雷諾應力分布與實測值比較符合，尤其是預測邊壁射流中的邊壁效應（包括曲率效應和二次流）更為有效。RSM計算三維復雜流動問題所需的計算資源多，計算周期長，其數學模型表示為

1.3 顆粒物分離效率

串聯式旋流器的顆粒物分離效率是評估其工作性能的主要指標，其定義為第1、2級旋流器底流口的顆粒物質量流率之和與進水口顆粒物質量流率的比值，即：

1.4 邊界條件與計算方法

進水口設置速度入口邊界，速度分別取4、6、8 m/s，分別對應3種流量：=15.94、23.91、31.88 m3/h，底流口和溢流口均設置壓力出口邊界，旋流器內壁及其連接段均設置無滑移固壁邊界條件。連續(xù)相的數學描述采用歐拉方法，通過求解N-S方程得到流場速度、壓力等變量，速度場與壓力場耦合采用SIMPLEC算法，壓強插值選擇Presto方法[22-23]。在求解連續(xù)相流場得到收斂解后，再進行兩相流計算。顆粒相采用拉格朗日方法描述，通過對大量粒子的運動方程組積分運算即可得到其運動軌跡。歐拉-拉格朗日法中對粒子運動軌跡的計算是獨立的，它們被安排在連續(xù)相流場中指定的間隙中完成，適用于描述粒子含量較少、低體積比率的兩相流動問題。在串聯式旋流分離器的兩相內流場數值計算過程中，顆粒相與連續(xù)相可以交換質量、動量和能量，即雙向耦合求解。流場計算中的速度、壓力、湍流動能、湍流耗散率等項均采用二階迎風格式。

1.5 網格獨立性驗證

采用混合網格劃分法建立流場模型，為了提高串聯式旋流器進水口、溢流口、底流口、連接段等部位的網格質量，采用結構分區(qū)、建立虛擬拓撲、在網格交接處采用網格交接面、在貼近壁面區(qū)域添加邊界層網格等方法。邊界層網格劃分中需確定+的值，+是描述壁面法向距離的無量綱量。+過大不能準確預測邊界層的流動特征，如粘性底層、過渡層、對數層等，而+過小會導致壁面法向網格數量增多，使得壁面處的網格長寬比過大而造成計算不穩(wěn)定和數值誤差。當邊界層第1層網格厚度1 mm，網格增長率為1.2時，流場網格約為6.1×105；當邊界層第1層網格厚度1 mm，網格增長率1.1時，流場網格約為8.0×105；當邊界層第1層網格厚度0.5 mm，網格增長率1.1時，流場網格約為1.01×106。此三組網格模型均滿足+約為1，相當于直接在粘性底層的區(qū)域進行網格劃分，采用完全數值解法來得到邊界層內的流動特征，適用于描述低雷諾數復雜湍流現象。圖2a為串聯式旋流器的網格模型。針對網格數量為6.1×105，8.0×105，1.01×106的3組模型進行網格獨立性驗證，采用監(jiān)測線III上的軸向速度作為判斷依據，其計算結果如圖2b所示。結果表明，3組網格數量在監(jiān)測線II上的軸向速度變化趨勢相近，說明此3組網格模型均能滿足計算要求，為減小計算量，確定流場模型的網格數量為6.1×105。

a. 網格模型a. Grid modelb. 網格無關性驗證b. Grid independence verification

1.6 計算方法有效性驗證

為驗證數值計算模型的有效性，加工制造串聯式旋流分離器，開展現場處理池塘養(yǎng)殖尾水的效果測試，并結合李建平等[14]開展的旋流器試驗數據對比分析。圖 3a為串聯式旋流分離器實物圖。文獻[14]采用Bettersize 3 000 plus激光粒度儀測試了水樣中的顆粒物粒徑范圍約為0～175m，其試驗條件和結果為：設定進水口流量為1.6 m3/h，顆粒物進料速度為0.36 m/s，待試驗現象穩(wěn)定后，同時在進水口、底流口與溢流口取樣測試其顆粒物濃度，分別為10.25%、17.04%、8.09%。在同一進水口流量條件下，數值模擬監(jiān)測的進水口、底流口和溢流口的顆粒物濃度分別為10.25%、18.23%、7.12%。圖3b為試驗與仿真數據的對比分析結果。由此可見，數值計算結果和試驗數據相近，證明了本文采用的數值計算方法有效可行。在理論建模和仿真研究的基礎上，加工制造串聯式旋流器。設備材料為304不銹鋼，第1級旋流器總高度約1 700 mm，柱段直徑425 mm，柱段高度400 mm，錐段高度約630 mm；第2級旋流器總高度1 500 mm，柱段直徑350 mm；柱段高度330 mm，錐段高度約830 mm。兩級旋流器的進水口和溢流口直徑均為100 mm。通過電磁閥定時排污，設置排污時間間隔為5 min?，F場試驗得出，串聯式旋流器設備的水處理量可達到80 m3/h，能夠有效分離池塘中密度大的顆粒物，尤其對于含大量泥沙的底層水而言，處理效果十分明顯。但難以分離呈懸浮態(tài)的小粒徑顆粒物，在實際應用中，采用“旋流+過濾”組合式設備能夠達到較高的分離效率。

圖3 實物圖及試驗與仿真結果對比

2 結果與分析

2.1 不同進水口流量下的結果分析

2.1.1 速度分布

圖4分別為不同進水口流量（）下監(jiān)測線I和監(jiān)測線III上的速度變化曲線。

對比分析圖4可知，隨著進水口流量增大，流場切向速度和軸向速度均增大。旋流器內部復雜流動是強制渦和自由渦的組合運動，流量越大，渦流強度越強。當從15.94 m3/h增加到31.88 m3/h時，監(jiān)測線I、III上軸向速度峰值分別提高了2.31、0.91 m/s；切向速度峰值分別提高了4.20、4.07 m/s，切向速度和軸向速度提高了約50%。對比圖4a和圖4b可知：切向速度由壁面到旋流器中心呈先升高后降低趨勢，到中心處達到最低值；隨著進水口流量增大，切向速度的變化梯度增大，在低流量條件下，速度變化較大的范圍集中在中心區(qū)附近；軸向速度由壁面到旋流器中心位置先降低后升高，在中心位置達到峰值；進水口流量越大，靠近進水口一側的軸向速度在反方向上的增加速率越快，變化梯度越大，但另一側近壁面區(qū)域的軸向速度隨流量的變化幅度不大，中心位置兩側會存在兩個零值點，這是內外旋流臨界點[24-26]。對于高密度、大粒徑顆粒物而言，旋流器內流場的切向速度所產生的離心力是固液分離的主要因素，但對低密度、小粒徑顆粒物的影響不明顯。

圖4 不同進水口流量下監(jiān)測線I、III上的速度曲線

圖5為不同進水口流量（）下監(jiān)測面I上的速度分布云圖。對比分析可知，隨著進水口流量增加，旋流器內流場的速度增大，渦流強度增強，內旋流速度呈向上遞增趨勢，在旋流器頂部近壁面區(qū)域的切向速度較大，在溢流口處的軸向速度達到峰值。當為15.94 m3/h時，第1、2級旋流器的最大切向速度分別達到5.38、4.48 m/s，最大軸向速度分別達到4.28、3.99 m/s；當為23.91 m3/h，第1、2級旋流器最大切向速度分別達到8.81、6.09 m/s，最大軸向速度分別達到6.26、5.85 m/s；當為31.88 m3/h時，第1、2級旋流器最大切向速度分別達到11.78、8.16 m/s，最大軸向速度分別達到8.32、7.79 m/s。在兩級旋流器的連接段，流場紊亂復雜，從第1級旋流器溢流口排出的流體以旋轉運動進入第2級旋流器，導致第2級旋流器的水流渦流強度增強。另外，隨著流量增大，進入第2級旋流器流體切向速度增大，這有助于第2級旋流器對于大顆粒物的分離。

圖5 不同進水口流量（Q）下監(jiān)測面I上的速度分布云圖

2.1.2 分流比與壓力降

旋流器的分流比指底流口排出的水流流量占進水口流量的百分比，是衡量旋流器工作性能的指標。旋流器的壓力降指溢流口與進水口之間的壓力差，是體現旋流器工作能耗的指標。表2為不同進水口流量（）下的分流比和壓力降。

表2 不同進水口流量下的分流比和壓力降

對比分析可知：隨著流量增加，壓力降增大，但分流比的變化幅度不大。當為15.94 m3/h時，壓力降為43 710 Pa，第1級旋流器分流比占總分流比的66.36%；當為23.91 m3/h時，壓力降為100 841 Pa，第1級旋流器分流比占總分流比的66.53%；當為31.88 m3/h時，壓力降為182 388 Pa，第1級旋流器分流比占總分流比的66.73%，說明隨著流量的增加，工作能耗升高。

旋流器能量損失的主要來自于是壓力損失，為了分析兩級旋流器內部不同部位的壓力變化，圖6給出了不同進水口流量（）下監(jiān)測線II、IV的壓力變化曲線。總體來看：不同監(jiān)測線上的壓力分布呈拋物線型且關于中心軸對稱分布趨勢，在壁面處達到最高，在中心位置達到最低。第1級旋流器的壓力明顯高于第2級旋流器，當Q為15.94 m3/h時，第1級旋流器在監(jiān)測線II上的壓力峰值達到4.06×104Pa，壓力差為2.38×104Pa，第2級旋流器在監(jiān)測線IV上的壓力峰值達到1.39×104Pa，壓力差為1.23×104Pa；當Q達到31.88 m3/h時，第1級旋流器在監(jiān)測線II上的壓力峰值達到1.72×105Pa，壓力差為1.33×105Pa，第2級旋流器在監(jiān)測線IV上的壓力峰值達到5.81×104Pa，壓力差為5.25×104Pa。這是由于流體經過第1級旋流器后從溢流口排出的水流速度降低，導致第2級旋流器壓力降低。此外，隨著流量增加，旋流內部不同監(jiān)測線上的壓力變化梯度增大，說明處在流場中相同粒徑、密度的顆粒物所受壓力差增大，從而顆粒物所受的向心浮力增加。

圖6 不同進水口流量下監(jiān)測線II、IV的壓力曲線

2.1.3 顆粒物分離效率

圖7為不同進水口流量（）下兩類顆粒物的分離效率。

注：dp1、dp2分別為懸浮顆粒物和沉淀顆粒物的粒徑。

對比分析可知：在同一流量條件下，串聯式旋流器的分離效率更高，這是由于第2級旋流器對第1級旋流器逃逸出來的顆粒物可得到再次分離。旋流分離器對大粒徑沉淀顆粒物的分離效率更高，這是由于沉淀顆粒物的密度高，所受重力和離心力大，易從底流口排出。對于5m的小粒徑顆粒物而言，分離效率隨著流量的變化不顯著，這是由于切向速度和軸向速度增加，渦流強度增加，小粒徑顆粒物受到內旋流影響不沿著壁面運動，從底流口排出的比例降低，從溢流口排出的比例提高。對于75m大粒徑顆粒物而言，分離效率隨著流量的增加而提高，這是由于流量的增大導致顆粒物所受離心力增大，大顆粒聚集在壁面而易實現分離。但是，當高于23.91 m3/h時，顆粒物的水力停留時間縮短，分離效率的增加幅度顯著降低，說明繼續(xù)增大進水口流量對于固液分離不僅不會產生明顯效果，還將導致設備的運行能耗增加。

2.2 不同旋流器錐角下的結果分析

2.2.1 速度分布

研究表明：適當減小旋流器的錐角并增加錐段長度，有助于降低水流阻力，延長顆粒物在旋流區(qū)停留的時間，進而提高其分離效率[27-28]。為了對比分析旋流器錐角對內流場特性和分離效率的影響，圖8給出了進水口流量為15.94 m3/h情況下，不同錐角(2)下監(jiān)測面I的速度分布云圖。對比分析可知：隨著第2級旋流器的錐角2增大，第1級旋流器切向速度和軸向速度的變化不顯著，而第2級旋流器內部切向速度增大，軸向速度影響基本無影響，當2為15°、20°、25°、30°，第2級旋流器最大切向速度分別為3.81、4.02、4.24、4.39 m/s，說明錐角的增大，顆粒物受到的離心力增大。另外，隨著第2級旋流器2增大，錐段長度越短，內部空間減小，將導致顆粒物在旋流器中停留時間減短，不利于顆粒物分離。

2.2.2 分流比與壓力降

表3為進水口流量為15.94 m3/h情況下，不同錐角下的分流比和壓力降。結果表明：隨著旋流器的錐角增大，總分流比增加，壓力降增加。當第二級旋流器的錐角2為15°時，壓力降為42 092 Pa，第1級旋流器分流比占總分流比的63.7%；當2增加到30°時，壓力降為46 082 Pa，第1級旋流器分流比占總分流比的69.8%。圖 9為進水口流量為15.94 m3/h情況下在監(jiān)測線II、IV上的壓力分布，說明隨著錐角2的增大，旋流器內部空間變小，導致旋流器工作能耗升高。

圖9為不同錐角（2）下監(jiān)測線II、IV的壓力變化曲線。對比分析圖9a和b可知：沿旋流器壁面到中心位置，左右兩側的壓力均降低且呈軸對稱分布趨勢，在中心處壓力達到最低值，尤其是第2級旋流器中心部位的壓力更低。隨著2增大，兩級旋流器內部的壓力均增大，壁面位置的壓力最高，且第1級旋流器壓力明顯高于第2級，說明進入第2級旋流器的流體動能減小。但是，第1級旋流器壁面到中心的壓力差變化幅度小于第2級旋流器，當2為15°時，第1級旋流器在監(jiān)測線II上的壓力差為2.41×104Pa，第2級旋流器在監(jiān)測線IV上的壓力差為9.9×103Pa；當2增加到30°時，第1級旋流器在監(jiān)測線II上的壓力差為2.39×104Pa，第2級旋流器在監(jiān)測線IV上的壓力差為1.65×104Pa，說明隨著錐角的增大，流場中顆粒物所受向心浮力增大。

圖8 不同錐角(β2)下監(jiān)測面I的速度分布云圖

表3 不同錐角下的分流比和壓力降

圖9 不同錐角下監(jiān)測線II、IV的壓力變化曲線

2.2.3 顆粒物分離效率

圖10為進水口流量為15.94 m3/h情況下，不同錐角（2）下的顆粒物分離效率。

圖10 不同錐角（β2）下的顆粒物分離效率

結果表明：隨著2增大，同一粒徑顆粒物的分離效率呈下降趨勢，理論上來講，隨著旋流器內流場切向速度的增加，顆粒所受離心力也逐漸增加，有利于降低分離粒徑。但是，由于旋流器中的切向速度是通過壓力勢能轉化而來的，隨著錐角的增加，水力旋流器內的壓強和壓強梯度均迅速升高，顆粒在徑向上所受壓力梯度力也明顯增加，又不利于分離粒徑的降低。此外，隨著錐角的增大，旋流器內部空間相應減小，導致顆粒在旋流器內的停留時間變短，不利于顆粒物分離。對比分析p為75m的懸浮顆粒物和沉淀顆粒物，懸浮物受到錐角的影響更為顯著，這是由于沉淀顆粒物的密度大，所受到的離心力大，受壓力梯度力和阻力的影響較小。在同一錐角下，隨著顆粒物粒徑增大，分離效率提高。此外，沉淀顆粒物的排出率高于懸浮顆粒物，對于p為75m的沉淀物而言，串聯式旋流器的分離效率可達到80%，但對于同粒徑的懸浮物分離效率約為60%。對于p為5m的2類顆粒物而言，串聯式旋流器的分離效率差別不明顯，最高約為30%。由此可見，旋流器應用于池塘養(yǎng)殖尾水處理中適合分離高密度、大粒徑顆粒物，但難以分離呈懸浮態(tài)的細小顆粒物，在實際應用中，采用“旋流+過濾”組合式設備能夠達到較高的顆粒物分離效率。

3 討 論

池塘養(yǎng)殖尾水中含有大量的泥沙等高密度顆粒物，如直接采用過濾式分離設備，如微濾機、弧形篩等存在能耗高、易堵塞或損壞濾網等問題。旋流器作為一種離心式分離裝置，具有無能耗、占地少，組裝拆卸方便等優(yōu)點。在池塘養(yǎng)殖尾水處理中，采用“旋流+過濾”組合式分離方法不僅能降低微濾機的工作負荷，且有助于減少微濾機的反沖洗頻率而降低能耗。

結合串聯式旋流器的水動力學特性和分離效率研究，擬提出一種通過多級“旋流+過濾”的組合式固液分離技術處理池塘養(yǎng)殖尾水。設計方案由第1級旋流分離器、第2級旋流分離器、自清洗過濾裝置、微濾機4部分組成，如圖11所示。旋流分離器底流口排污采用定時開啟模式，自清洗過濾器濾網孔徑為0.1 mm，微濾機濾網孔徑為0.075 mm。工作過程為：池塘養(yǎng)殖尾水從旋流器進入并分離高密度、大粒徑顆粒物后，再依次進入自清洗過濾裝置和微濾機，進一步分離小粒徑懸浮顆粒物，在現場測試中取得了較好的實際應用效果。

圖11 池塘養(yǎng)殖尾水顆粒物分離組合式設備

4 結 論

本文設計了一種新型串聯式旋流分離器?；跉W拉-拉格朗日方法，結合雷諾應力湍流模型與離散相模型，建立了串聯式旋流器的三維兩相內流場數值計算模型。在對比試驗數據驗證數值計算方法有效性的基礎上，研究了串聯式旋流器的分離效率及其影響因素，得到以下結論：

1）隨著進水口流量增加，旋流器內部切向速度和軸向速度均增大，切向速度由壁面到旋流器中心呈先升高后降低趨勢，到中心處達到最低值，軸向速度由壁面到旋流器中心位置先降低后升高，在中心位置達到峰值；在低流量條件下，速度變化較大的范圍集中在中心區(qū)附近，渦流強度增強，內旋流速度呈向上遞增趨勢，在旋流器頂部近壁面區(qū)域的切向速度較大，在溢流口處的軸向速度達到峰值；隨著第2級旋流器的錐角增大，第1級旋流器切向速度和軸向速度的變化不顯著，而隨著第2級旋流器內部空間減小，顆粒物水力停留時間縮短。

2）隨著進水口流量增大，溢流口與進水口之間的壓力差增大，但分流比的變化幅度不大，旋流器內部不同監(jiān)測線上的壓力變化幅度增大，第1級旋流器的壓力明顯高于第1級旋流器；隨著第2級旋流器的錐角增大，總分流比增加，壓力降增加，沿旋流器壁面到中心位置，左右兩側的壓力均降低且呈軸對稱分布，在中心位置達到最低壓力值，尤其是第2級旋流器中心部位的壓力更低。

3）在同一流量條件下，串聯式旋流器比工業(yè)標準150旋流器的分離效率高；隨著流量增加，對于粒徑為5m顆粒物的分離效率變化不顯著，但對粒徑為75m顆粒物的分離效率明顯提高；當流量高于23.91 m3/h時，分離效率的增加幅度顯著降低；隨著旋流器的錐角增加，對同一粒徑顆粒物的分離效率降低，且懸浮物受到錐角的影響更為顯著；沉淀物的排出率高于懸浮物，對于粒徑為75m的沉淀物而言，串聯式旋流器的分離效率可達80%以上，但對于同粒徑懸浮物的分離效率約為60%；對于粒徑為5m的2類顆粒物而言，串聯式旋流器的分離效率較低，最高約為30%。旋流器應用于池塘養(yǎng)殖尾水處理中適合分離高密度、大粒徑顆粒物，難以分離呈懸浮態(tài)的細小顆粒物，在實際應用中，采用多級“旋流+過濾”組合式設備能夠達到較高的顆粒物分離效率。

[1] 劉洋，趙立新，張爽，等. 過濾-旋流耦合技術在非均相分離中的研究及應用[J]. 機械工程學報，2022，58(4)：120-154.

Liu Yang, Zhao Lixin, Zhang Shuang, et al. Research and application of filtering-swirl coupling technology in Heterogeneous Separation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(4): 120-154. (in Chinese with English abstract)

[2] Li P J, Wang C, Liu G H, et al. A hydroponic plants and biofilm combined treatment system efficiently purified wastewater from cold flowing water aquaculture[J]. Science of The Total Environment, 2022, 821: 153534.

[3] Liu W C, Xu B, Tan H X, et al. Investigating the conversion from nitrifying to denitrifying water-treatment efficiencies of the biofloc biofilter in a recirculating aquaculture system[J]. Aquaculture, 2021, 550: 737817.

[4] Li S H, Liu Z M, Chang Y L, et al. Removal of coke powders in coking wastewater using a hydrocyclone optimized by n-value[J]. Science of The Total Environment, 2020, 752: 141887.

[5] Alves D G, Silva J, Quintino D B, et al. Desander mini-hydrocyclones applied to the separation of microspheres and sand in non-newtonian fluid: Efficiencies and drag analysis[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 234: 116131.

[6] Bicalho I C, Mognon J L, Shimoyama J, et al. Separation of yeast from alcoholic fermentation in small hydrocyclones[J]. Separation & Purification Technology, 2012, 87: 62-70.

[7] Riesenberg J M, Biega B, Tienhaara M, et al. Two-stage de-oiling testing for qualification with MEG presence[C]. Offshore Technology Conference, 1-4 May, Houston, Texas, USA. 2017.

[8] 王云超，楊月明，聶小保. 兩級串聯水力旋流器原位處理疏浚泥水[J]. 環(huán)境工程，2019，37(12)：120-125.

Wang Yunchao, Yang Yueming, Nie Xiaobao. In situ treatment for dredged sediment with two-stage hydrocyclones[J]. Environmental Engineering, 2019, 37(12): 120-125. (in Chinese with English abstract)

[9] 趙傳偉，李增亮，董祥偉，等. 井下雙級串聯式水力旋流器數值模擬與實驗[J]. 石油學報，2014，35(3)：551-557.

Zhao Chuanwei, Li Zengliang, Dong Xiangwei, et al. Numerical simulation and experiment of downhole two-stage tandem hydrocyclone[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(3): 551-557. (in Chinese with English abstract)

[10] Fontein F J, Van Kooy J G, Leniger H A. The influence of some variables upon hydrocyclone performance[J]. British Chemical Engineering, 1962, 7(1): 410-420.

[11] Wang B, Yu A B. Numerical study of particle-fluid flow in hydrocyclones with different body dimensions[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(10): 1022-1033.

[12] Ghodrat M, Kuang S B, Yu A B, et al. Numerical analysis of hydrocyclones with different conical section designs[J]. Minerals Engineering Minerals Engineering, 2014, 62: 74-84.

[13] Yang Q, Wang H L, Yi L, et al. Solid/liquid separation performance of hydrocyclones with different cone combinations[J]. Separation & Purification Technology, 2010, 74(3): 271-279.

[14] 李建平，吳康，何相逸，等. 基于CFD的養(yǎng)殖水體固液旋流分離裝置數值模擬與驗證[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(11)：182-187.

Li Jianping, Wu Kang, He Xiangyi, et al. Numerical simulation and validation of solid-liquid cyclone separation device for aquaculture water based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 182-187. (in Chinese with English abstract)

[15] Hwang K J, Lyu S Y, Nagase Y. Particle separation efficiency in two 10mm hydrocyclones in series[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2009, 40(3): 313-319.

[16] Jacobsson S, Austrheim T, Hoffmann A C. Experimental and computational fluid dynamics investigation of the flow in and around once-through swirl tubes[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(19): 6525-6530.

[17] Fu S, Qian Y, Yuan H, et al. Effect of cone angles of a hydrocyclone for the separation of waste plastics with low value of density difference[J]. Waste Management 2021, 140: 183-192.

[18] 喻黎明，鄒小艷，譚弘，等. 基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙運動三維數值模擬[J]. 農業(yè)機械學報，2016，47(1)：126-132.

Yu Liming, Zou Xiaoyan, Tan Hong, et al. 3D numerical simulation of water and sediment flow in hydrocyclone based on coupled CFD-DEM[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2016, 47(1):126-132. (in Chinese with English abstract)

[19] 高揚，劉合，張勇. 采出液含砂量對井下兩級串聯旋流器分離性能的影響[J]. 東北石油大學學報，2018，42(1)：112-120, 128.

Gao Yang, Liu He, Zhang Yong. Effect of sand content in produced fluid on separation performance of downhole two-stage series cyclone[J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2018, 42(1): 112-120, 128. (in Chinese with English abstract)

[20] Tian J, Ni L, Song T, et al. CFD simulation of hydrocyclone separation performance influenced by reflux device and different vortex-finder lengths[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 233: 116013.

[21] Zhang Y, Liu P, Jiang L, et al. The study on numerical simulation and experiments of four product hydrocyclone with double vortex finders[J]. Minerals, 2018, 9(1): 23

[22] Yang Y, Wen C. CFD modeling of particle behavior in supersonic flows with strong swirls for gas separation[J]. Separation and Purification Technology, 2017, 174: 22-28.

[23] Vakamalla T R, Kumbhar K S, Gujjula R, et al. Computational and experimental study of the effect of inclination on hydrocyclone performance[J]. Separation & Purification Technology, 2014, 138: 104-117.

[24] Hou D X, Zhao Q, Cui B Y, et al. Geometrical configuration of hydrocyclone for improving the separation performance[J]. Advanced Powder Technology, 2022, 33(2): 103419.

[25] Dh A, Bc A, Hao Z A, et al. Designing the hydrocyclone with flat bottom structure for weakening bypass effect[J]. Powder Technology, 2021, 394: 724-734.

[26] 張俊，車軒，賈廣臣，等. 人工壩體對長江上游魚類棲息地流域水動力學特性的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(5)：140-146.

Zhang Jun, Che Xuan, Jia Guangchen, et al. Effects of artificial dams on hydrodynamic characteristics of fish habitats in upper reaches of Yangtze River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37 (5): 140-146. (in Chinese with English abstract)

[27] Meyer E J, Craig I K. The development of dynamic models for a dense medium separation circuit in coal beneficiation[J]. Minerals Engineering, 2010, 23(10): 791-805.

[28] Chang Y L, Ti W Q, Wang H L, et al. Hydrocyclone used for in-situ sand removal of natural gas-hydrate in the subsea[J]. Fuel, 2021, 285(15):119075.

Hydrodynamic characteristics and separation efficiency of the series cyclone separator for pond aquaculture tail water treatment

Zhang Jun1,2, Liu Aosheng1, Li Le1, Cao Shouqi1

(1.,,201306,; 2.,201306,)

To improve the yield and benefit of aquaculture, intensive aquaculture model with high stocking density and high feeding amount is generally adopted for pond culture. However, the residual bait and manure, chemicals, antibiotics and other pollutants generated during aquaculture into the water, causing great pollution of the surrounding environment, and even caused lake degradation, marine red tide and other adverse environmental pollution phenomena, resulting in a sharp decline in biodiversity, which has become a bottleneck limiting the sustainable development of China's aquaculture industry. Therefore, the pond aquaculture tailwater treatment equipment with small size, low cost and high efficiency is the key technology to be urgently solved in the aquaculture field. Cyclone separator is a centrifugal separation device, has the advantages of no energy consumption, small size, convenient assembly and disassembly, and is widely used in petrochemical industry, water sand separation, industrial sewage treatment and other fields. In order to apply multi-stage cyclone separation technology to purify pond aquaculture tailwater and solve the problems of short hydraulic retention time and low separation efficiency of cyclone separator, the series cyclone separator was designed. According to the wastewater characteristics of Penaeus vannamei cultured in ponds and referring to the structural parameters of industrial standard 150 cyclone separator. Based on Eulerian-Lagrangian method, combined with the Reynolds Stress Turbulence Model and the Discrete Phase (DPM) Model, a three-dimensional numerical simulation model of two-phase flow was established. On the basis of comparing the experimental data to verify the effectiveness of the numerical method and grid independence analysis,the influence mechanisms of inlet flow rate, cone angle, particle size and density on flow field characteristics and separation efficiency were analyzed, and a solid-liquid separation technology for pond aquaculture wastewater by multi-stage “swirl + filtration” was proposed. The results show that, at the same flow rate, the separation efficiency of the series cyclone separator is higher than the industrial standard 150 cyclone separator. With the increase of the inlet flow rate in a certain range, the tangential velocity, axial velocity, shunt ratio, pressure drop and turbulence intensity increase in flow fields of the seriescyclone separator, and the separation efficiency of particles with size of 75m increases significantly, while the changes of 5m particles are not significant. When the flow rate is higher than 23.91 m3/h, the increase of separation efficiency is significantly reduced; With the cone angle of the cyclone separator decreases, the water flow resistance, pressure drop and split ratio decrease, which is helpful to increase the residence time of particles in the swirl zones and improve the separation efficiency. With the increase of particle density and size, the separation efficiency of the cyclone separator increases, the sediments with particle size of 75m reaches 80%, and suspensions with the same particle sizes are about 60%. However, the separation efficiencies of particles with 5m particle size are not significantly different, both are less than 30%. The research can provide a theoretical basis for the optimal design of cyclone separator and its application in pond aquaculture tailwater.

aquaculture tailwater; cyclone separator; two-phase flow; internal flow field; separation efficiency; hydrodynamics

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.006

S951

A

1002-6819(2022)-20-0049-10

張俊，劉奧勝，李樂，等. 用于池塘養(yǎng)殖尾水處理的串聯式旋流器水動力特性及分離效率[J]. 農業(yè)工程學報，2022，38(20)：49-58.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.006 http://www.tcsae.org

Zhang Jun, Liu Aosheng, Li Le, et al. Hydrodynamic characteristics and separation efficiency of the series cyclone separator for pond aquaculture tail water treatment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 49-58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.006 http://www.tcsae.org

2022-05-11

2022-09-07

上海市科技興農重點項目（滬農科推字（2021）第3-1號）；國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點專項（2019YFD0900800）；大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室開放基金（A1-2006-21-200205）.

張俊，博士，副教授，主要研究方向為漁業(yè)工程水動力學、計算流體力學。Email：zhangjun@shou.edu.cn