沉淀池工況的數(shù)值模擬及流場測量.pdf

1、近些年隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國水污染問題尤為突出，同時隨著居民生活質(zhì)量的提高，對水質(zhì)標準的要求更加嚴格。因此對水處理各構(gòu)筑物的處理功能提出了更高的要求，本文主要利用計算流體動力學(xué)的方法研究了對沉淀池內(nèi)水流流動及污染物沉淀特性產(chǎn)生影響的主要因素。對現(xiàn)有沉淀池運行狀況進行分析，優(yōu)化主要設(shè)計參數(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)濟低耗的運行。
　　當前沉淀池的設(shè)計主要基于理想模型，依據(jù)水力負荷或水力停留時間來確定池子

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際情況，實際沉淀池內(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動特性的影響，因而沉淀池對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行狀況，需對沉淀池內(nèi)水流的流場進行研究，沉淀池內(nèi)水流流態(tài)實際為湍流，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、混合與沉淀特性的k-ε雙層模型及傳質(zhì)沉降模型，結(jié)合文獻中經(jīng)典的實驗結(jié)果進行數(shù)學(xué)模型及計算方法的驗證：檢驗了不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)水流由池底進入時數(shù)學(xué)模型的預(yù)測能力，與Imam等人的實驗及計算所得速度場(Re=10900)及擋板后方回流渦長度(雷諾數(shù)從2500~25000)進行了比較，驗證了模型的有效性；與Imam等人的實驗及計算所得過流曲線進行了比較，結(jié)果表明本文預(yù)測的結(jié)果精度更高；在低濃度污染物(SS<150~200mg/L)時

4、，固相對液相的影響一般認為可以忽略，所建立的沉降模型可以預(yù)測沉淀池內(nèi)污染物的去除率，計算結(jié)果與其它文獻值吻合良好；水流從池子中部進入沉淀池時流場發(fā)生了變化，入口處出現(xiàn)了兩個旋渦，本文的預(yù)測結(jié)果也得到了驗證。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)測沉淀池內(nèi)低懸浮物固體濃度污水的流動、傳質(zhì)與沉降特性。
　　在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對水流由池底進入沉淀池內(nèi)的流場進行了分析與總結(jié)。將池內(nèi)水流流場分為三個區(qū)域：（Ⅰ）入口擋板后方存在一個較

5、大的回流旋渦區(qū)域；（Ⅱ）水流主體流動區(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?shù)乃l件。壓力場的變化規(guī)律主要受到入口處擋板及出口處堰板的影響，出現(xiàn)兩個低壓區(qū)：（1）入口擋板的后

6、下方，此低壓區(qū)較小；（2）出口堰板的上方，此低壓區(qū)對污染物具有卷吸作用，因此池深較淺且流量較大時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)水流運動的三維湍流數(shù)學(xué)模型及計算方法，湍動動能在入口區(qū)域很大，說明不利于污染物沉淀。利用激光多普勒測速儀測量了模型池內(nèi)三維流速場并與采用數(shù)學(xué)模型計算所得結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明模型預(yù)測的結(jié)果與實際吻合良好。
　　建立了圓形沉淀池在低污染物負荷時受溫差影響的數(shù)學(xué)模型，受溫差

7、的影響會產(chǎn)生異重流與浮力流的現(xiàn)象，所建立的數(shù)學(xué)模型與文獻中的結(jié)果吻合良好，進一步證明模型的正確性，總結(jié)出溫差是影響流場的一個很重要的因素。
　　為了進一步深入地了解沉淀池內(nèi)水流在不同運行工況下的流動特性，為數(shù)值模擬結(jié)果提供實驗的驗證，利用二維和三維激光多普勒測速儀(LDV)對沉淀池的流場進行了一系列的測量?？疾炝肆髁亢瓦M水口高度變化時的流場特征、回流區(qū)長度和達到均勻流速的長度變化情況。實驗結(jié)果表明：（1）在擋板后方存在一個大的回流

8、區(qū)；（2）回流區(qū)的長度隨流量的增加而增大，回流區(qū)內(nèi)時均速度值相對較小；（3）隨著擋板高度的增大，回流區(qū)的長度也增大；（4）與流量的變化相比較擋板的高度對流場的影響更為顯著。在建立的數(shù)學(xué)模型及求解方法可以用來預(yù)測沉淀池內(nèi)低懸浮物固體濃度污水的流場，傳質(zhì)與沉降特性得到驗證的基礎(chǔ)上，本文進一步優(yōu)化沉淀池主要設(shè)計參數(shù)的取值范圍。低懸浮物固體濃度污水時的優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)包括擋板的淹沒深度以及池子的長深比。通過優(yōu)化確定擋板浸入水的深度占池深的比率Hb