导流墙半径对氧化沟流场影响的三维数值分析

赵贺芳

(安徽工业大学工商学院，安徽 马鞍山 243000)



导流墙半径对氧化沟流场影响的三维数值分析

赵贺芳

(安徽工业大学工商学院，安徽 马鞍山 243000)

导流墙是影响氧化沟内流场的一个重要因素。采用标准k-ε模型和多参考系(MRF)模型，对导流墙不同半径时氧化沟内流速场进行三维数值模拟。结果表明：导流墙半径为0.5 m时，氧化沟内流速最大，曝气机对水流的推动力最大，沟底发生污泥沉积的可能性最小。

导流墙；氧化沟；多参考系模型；数值模拟

氧化沟内水力特性能否充分发挥直接影响整个污水处理系统的水处理效率[1-5]。随着数值模拟技术的迅猛发展，已有很多学者将数值模拟技术应用到氧化沟流场分析中，例如：张羽、黄卫东、勾全增等[6]建立污水-污泥两相流模型，将表面曝气机和潜水推流器结合，对比分析氧化沟中的流场；范茏、徐农、王志强等[7]对带有倒伞形表面曝气机氧化沟内的流场进行数值模拟，并与实验相对比，得出氧化沟中流速随着曝气机速度的增大而增加；陆豪、徐菲[8]对Carrousel氧化沟进行了三维数值分析，对比模拟了转子在不同转速及浸深下的流场。但这些学者并未对氧化沟内导流装置进行结构优化。本文使用三维数值模拟，以12 kW曝气机为对象，模拟导流墙半径大小对氧化沟内的水流影响。

1 数学模型

假设氧化沟内水体的雷诺数比较高且流动要素不随时间的改变而改变，本文采用连续性方程、动量方程和k-ε[9-10]紊流方程进行求解。对于不可压缩的三维流体，方程分别为：

(1)

(2)

(3)

湍动能耗散率ε方程：

(4)

方程(1)、(2)、(3)、(4)组成k-ε方程组，其中涉及的常数取值见表1。

表1 k-ε模型中的常数取值

2 MRF模型

图1 MRF模型及相对参考系示意图

3 物理模型

建立如图2所示的物理模型。为简化计算，不计氧化沟出、入流。

图2 氧化沟平面示意图

4 数值方法和边界条件

采用描述流场的Fluent软件进行计算。边界条件设定采用标准的壁面函数进行模拟，即将氧化沟内所有墙体均作为固体墙壁，而自由液面看成一个刚性的盖子。求解方程时采用Simplec算法,采用标准格式的压力项,将二阶上风离散格式应用于其它项。

在表面曝气机采用扭转角度为30°的机翼型叶片情况下，研究其附近弯道导流墙半径不同时对氧化沟内流场的影响。弯道导流墙半径分别为2.5m、2m、1m、0.5m、0五种工况，此时对应的叶片转速分别为11.85r/min、11.75r/min、11.58r/min、11.55r/min、11.45r/min。

5 计算结果分析

对五种工况的流场均截取相同的九个水平断面，对比分析其断面平均流速，结果见图3。其余条件相同时，五种工况对氧化沟断面平均流速的影响规律相似。

图3 r不同时各断面流速

图4 距池底3.5 m断面的流速矢量正视图

为了进一步分析氧化沟内的平均流速规律，以r=0.5 m的工况为例，取其距沟底3.5 m的水平断面流速矢量正视图进行分析，结果如图4所示。

由图3可以看出:曝气机附近导流墙半径r=0.5 m时，氧化沟内水流的平均流速最大，r=2.5 m和r=0时，沟内平均流速几乎相同且低于r=0.5 m时的流速，其余工况沟内平均流速随着半径的增大而逐渐减小，距池底2.5 m至3.5 m这段区域的水流平均流速增幅较大。由图2可知:此处的水流靠近曝气机，在曝气机的高速旋转下导致这部分水流速度的增加比较明显。从图4可以看出：由于叶片的高速旋转，导致靠近曝气机中心处的流体在叶片的带动下从下往上流动，而曝气机周围的流体均向下流动。

一般情况下，氧化沟沟底的断面平均流速大于0.1 m/s、沟内平均流速大于0.25 m/s时才能保证沟内的活性污泥始终悬浮。由图3可见：在五种工况下，只有沟底局部区域流速较小，可能会导致污泥的沉积，影响污水的处理效率。因此，本文分别选取五种工况距沟底0.1 m处的速度矢量图、湍流动能等值线图(以下简称等值线图)及速度云图进行对比分析,从而得出可能发生污泥沉积的区域，选出最优的工况，为氧化沟的优化设计提供一定理论基础。

r=2.5 m时速度矢量图、等值线图及速度云图见图5、图6、图7。

图5 速度矢量图

图6 k等值线图

图7 速度云图

r=2 m时速度矢量图、等值线图、速度云图见图8、图9、图10。

图8 速度矢量图

图9 k等值线图

图10 速度云图

r=1 m时速度矢量图、等值线图、速度云图见图11、图12、图13。

图11 速度矢量图

图12 k等值线图

图13 速度云图

r=0.5 m时速度矢量图、k等值线图、速度云图见图14、图15、图16。

图14 速度矢量图

图15 k等值线图

图16 速度云图

r=0时速度矢量图、等值线图、速度云图见图17、图18、图19。

图17 速度矢量图

图18 k等值线图

图19 速度云图

由速度矢量图图5、图8、图11、图14、图17可知：曝气机附近导流墙半径r=0.5 m时对应的流速较大，其余工况距池底0.1 m截面上的流速随着导流墙半径的减小而依次增大。

为确保沟内活性污泥的均匀混合、并保持悬浮状态，采用k等值线图对五种工况的流场进行分析。由k等值线图图6、图9、图12、图15、图18可知：距离曝气机越远，k的等值线越稀疏。当r=0.5 m时，氧化沟中k的分布面积最广，其余工况随着导流墙半径的减小k的分布面积依次增大。说明r=0.5 m时曝气机对沟内水体的混合程度最好，其余工况随着导流墙半径的减小混合程度也逐步增大。

由速度云图图7、图10、图13、图16、图19可知：曝气机附近导流墙半径r=0.5 m时距沟底0.1 m截面上由深蓝色表示的低速区域面积最小，其余工况随着导流墙半径的减小低速区域面积逐步缩小。这说明r=0.5 m时氧化沟沟底活性污泥沉积的可能性最低，其余工况沟底发生污泥沉积的可能性逐步降低。由此可知：在模拟的五种工况下，曝气机附近导流墙半径r=0.5 m时，氧化沟内污水处理效率最好，为最优工况。

为了进一步讨论五种工况下沟底产生污泥沉积的可能性，本文对五种工况的流场均选取氧化沟中心位置距池底0.1 m处，导流墙两侧(图2a中Y轴的正、负方向)的水流速度进行对比分析，如图20所示。图20a为Y轴正方向的断面平均流速，图20b为Y轴负方向断面平均流速。

图20 氧化沟中心位置距池底0.1 m处，导流墙两侧的流速

由图20可知：靠近曝气机的导流墙半径r=0.5 m时沟内导流墙两侧的流速均最大。其余工况沟内导流墙两侧的流速随着r的增大而减小，沟内发生污泥沉积的可能性大小顺序是：r=2.5 m、r=2 m、r=1 m、r=0、r=0.5 m。

本文模拟的氧化沟中，靠近曝气机的导流墙半径r=0.5 m时，曝气机对沟内水体的推动力最大，沟底发生污泥沉积的可能性最小，其余工况随着导流墙半径的增大，曝气机对水体的推动力逐渐减小，沟底发生污泥沉积的可能性依次增大。

综合对比图14、图15、图16、图20可知：靠近曝气机的导流墙半径r=0.5 m时，氧化沟内水体的流速分布最均匀，对水体的混合程度最好，得出的流场也最符合工程实际。

6 结论

本文选取扭转角度为30°机翼型叶片的表面曝气机，对曝气机附近的导流墙半径变化时的流场进行三维数值模拟，结果表明：导流墙半径为0.5 m时，氧化沟内水体的流速最大，此时曝气机对氧化沟内水体的推动力最大，污泥沉积的可能性最小。

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3-D numerical analysis on influence of guide wall radius on flow in oxidation ditch

ZHAO He-fang

(Industrial&CommercialCollege,AnhuiUniversityofTechnology,Maanshan243000,China)

Guide wall is an important factor affecting the oxidation ditch flow field. This paper adopts standard model ofk-εand MRF to deal with flows in oxidation ditch with different radius of guide walls through three-dimensional numerical simulation. The results show that the flow velocity in oxidation ditches and the aerator’s impetus reach the maximum. Meanwhile, the chance of sludge deposit comes to the minimum when the radius of guide wall is 0.5m.

guide wall; oxidation ditch; MRF model; numerical simulation

2015-01-20

赵贺芳(1985-)，女，安徽宿州人，硕士，助教。

1674-7046(2015)02-0059-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.013

TV31

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