沉淀池工況的數(shù)值模擬及流場(chǎng)測(cè)量.pdf

1、近些年隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)水污染問題尤為突出，同時(shí)隨著居民生活質(zhì)量的提高，對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求更加嚴(yán)格。因此對(duì)水處理各構(gòu)筑物的處理功能提出了更高的要求，本文主要利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法研究了對(duì)沉淀池內(nèi)水流流動(dòng)及污染物沉淀特性產(chǎn)生影響的主要因素。對(duì)現(xiàn)有沉淀池運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，優(yōu)化主要設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，以期更大程度的發(fā)揮沉淀池的功能，使其經(jīng)濟(jì)低耗的運(yùn)行。
　　當(dāng)前沉淀池的設(shè)計(jì)主要基于理想模型，依據(jù)水力負(fù)荷或水力停留時(shí)間來確定池子

2、的尺寸，假定沉淀池內(nèi)水流為均一流速的理想模型，常常不能較好地反映出實(shí)際情況，實(shí)際沉淀池內(nèi)水流的流態(tài)受到池體的幾何形狀、污染物濃度、溫度及風(fēng)速等因素的影響，懸浮污染物的傳質(zhì)沉淀主要受到水流運(yùn)動(dòng)特性的影響，因而沉淀池對(duì)污染物的去除率也受到這些外界因素的影響而發(fā)生變化。為了研究沉淀池在不同條件下的運(yùn)行狀況，需對(duì)沉淀池內(nèi)水流的流場(chǎng)進(jìn)行研究，沉淀池內(nèi)水流流態(tài)實(shí)際為湍流，需要建立湍流模型。本文的主要研究工作和成果如下：
　　建立了描述沉淀池內(nèi)

3、的水流流動(dòng)、混合與沉淀特性的k-ε雙層模型及傳質(zhì)沉降模型，結(jié)合文獻(xiàn)中經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的驗(yàn)證：檢驗(yàn)了不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)水流由池底進(jìn)入時(shí)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)能力，與Imam等人的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算所得速度場(chǎng)(Re=10900)及擋板后方回流渦長(zhǎng)度(雷諾數(shù)從2500~25000)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了模型的有效性；與Imam等人的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算所得過流曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果表明本文預(yù)測(cè)的結(jié)果精度更高；在低濃度污染物(SS<150~200mg/L)時(shí)

4、，固相對(duì)液相的影響一般認(rèn)為可以忽略，所建立的沉降模型可以預(yù)測(cè)沉淀池內(nèi)污染物的去除率，計(jì)算結(jié)果與其它文獻(xiàn)值吻合良好；水流從池子中部進(jìn)入沉淀池時(shí)流場(chǎng)發(fā)生了變化，入口處出現(xiàn)了兩個(gè)旋渦，本文的預(yù)測(cè)結(jié)果也得到了驗(yàn)證。因此本文所建立的數(shù)學(xué)模型及求解方法可以用來預(yù)測(cè)沉淀池內(nèi)低懸浮物固體濃度污水的流動(dòng)、傳質(zhì)與沉降特性。
　　在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)水流由池底進(jìn)入沉淀池內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析與總結(jié)。將池內(nèi)水流流場(chǎng)分為三個(gè)區(qū)域：（Ⅰ）入口擋板后方存在一個(gè)較

5、大的回流旋渦區(qū)域；（Ⅱ）水流主體流動(dòng)區(qū)域；（Ⅲ）水流出口堰附近較小并與入口漩渦方向相反的小旋渦區(qū)域。區(qū)域Ⅰ的大小及形狀受雷諾數(shù)的影響很大，隨雷諾數(shù)的增大而增大；區(qū)域Ⅲ的大小亦隨雷諾數(shù)的增大而增大，它所占的面積很小，增加的幅度也不大；區(qū)域Ⅱ也受到雷諾數(shù)的影響，隨雷諾數(shù)的增大而減小。區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ之間剪切力較大，易使形成的絮體破碎，應(yīng)控制適當(dāng)?shù)乃l件。壓力場(chǎng)的變化規(guī)律主要受到入口處擋板及出口處堰板的影響，出現(xiàn)兩個(gè)低壓區(qū)：（1）入口擋板的后

6、下方，此低壓區(qū)較??；（2）出口堰板的上方，此低壓區(qū)對(duì)污染物具有卷吸作用，因此池深較淺且流量較大時(shí)污染物易被吸入該區(qū)域而被帶出沉淀池。
　　建立了描述沉淀池內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的三維湍流數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法，湍動(dòng)動(dòng)能在入口區(qū)域很大，說明不利于污染物沉淀。利用激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量了模型池內(nèi)三維流速場(chǎng)并與采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際吻合良好。
　　建立了圓形沉淀池在低污染物負(fù)荷時(shí)受溫差影響的數(shù)學(xué)模型，受溫差

7、的影響會(huì)產(chǎn)生異重流與浮力流的現(xiàn)象，所建立的數(shù)學(xué)模型與文獻(xiàn)中的結(jié)果吻合良好，進(jìn)一步證明模型的正確性，總結(jié)出溫差是影響流場(chǎng)的一個(gè)很重要的因素。
　　為了進(jìn)一步深入地了解沉淀池內(nèi)水流在不同運(yùn)行工況下的流動(dòng)特性，為數(shù)值模擬結(jié)果提供實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，利用二維和三維激光多普勒測(cè)速儀(LDV)對(duì)沉淀池的流場(chǎng)進(jìn)行了一系列的測(cè)量?？疾炝肆髁亢瓦M(jìn)水口高度變化時(shí)的流場(chǎng)特征、回流區(qū)長(zhǎng)度和達(dá)到均勻流速的長(zhǎng)度變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）在擋板后方存在一個(gè)大的回流

8、區(qū)；（2）回流區(qū)的長(zhǎng)度隨流量的增加而增大，回流區(qū)內(nèi)時(shí)均速度值相對(duì)較??；（3）隨著擋板高度的增大，回流區(qū)的長(zhǎng)度也增大；（4）與流量的變化相比較擋板的高度對(duì)流場(chǎng)的影響更為顯著。在建立的數(shù)學(xué)模型及求解方法可以用來預(yù)測(cè)沉淀池內(nèi)低懸浮物固體濃度污水的流場(chǎng)，傳質(zhì)與沉降特性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步優(yōu)化沉淀池主要設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍。低懸浮物固體濃度污水時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)包括擋板的淹沒深度以及池子的長(zhǎng)深比。通過優(yōu)化確定擋板浸入水的深度占池深的比率Hb