异向流斜管沉淀池水力特性研究

崔晓峰，于永海

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

斜管沉淀池是根据Hazen在20世纪初提出的浅池理论设计出来的[1]，在沉淀池沉淀区放置斜管可减少沉淀池的占地面积或者增大其处理能力，提高了水力条件，使其表面负荷得到了有效的提高。按照水流和颗粒流动的相对方向，工程中常用的斜管沉淀池通常分为同向流、异向流和横向流3种类型。目前大多是异向流斜管沉淀池。

斜管沉淀池来水方式有2种，一种是泵站提水方式，另一种是自流供水方式。对自流供水方式而言，由于沉淀池建在河床中，就要求沉淀池水头损失尽可能的小，以降低来流水位要求、减小沉淀池壁墙高度，因此在沉淀池设计时有必要比较准确地确定水头损失。斜管沉淀池的水头损失计算中有些布置形式特殊，例如沉淀池进水廊道与配水区之间的穿孔墙，这种形式在现有的设计手册上没有类似的可供计算水头损失的公式和系数，使设计者取值困难。设计时大多采用经验估值，误差较大。因此考虑使用数值模拟的方法确定沉淀池的水头损失大小。

目前已有一些有关沉淀池数值模拟的研究成果，何国建[2]等建立了模拟平流式沉淀池中悬浮物的沉降过程的模型，利用FLUENT软件标准k-ε湍流模型，模拟沉淀池内水流和悬浮物运动情况。曹月波[3]建立了以高雷诺数k-ε封闭模型为基础的三维两相流模型，验证了三维数值模拟求解的可靠性。张宏媛[4]在竖流式沉淀池的基础上加设斜板构成改良斜板式沉淀池，利用FLUENT商业软件模拟确定了改良斜板沉淀池最优化的结构参数。可见FLUENT软件用于沉淀池模拟是可行的，本文也以FLUENT软件作为数值模拟平台，并与实际运行结果相对比来验证数值模拟的可行性。

1 工程简介

图1是江苏省某个异向流斜管沉淀池的工作原理图，水流经进水管道进入进水廊道后再流经穿墙孔(详细布置见图2)进入配水区向上流动经斜管沉淀后的清水流出沉淀池。该沉淀池是河道水环境整治工程的一部分，位于河道首部，常年引入浑浊的河水，排去泥沙后流入县城河道，以改善县城水景观。该沉淀池设计总处理能力为8万m3/d，分4个尺寸相同的处理池。沉淀池出水侧水位是依据县城河道水景观要求确定的，加上沉淀池水头损失，就可得到进水水源河道水位。若计算的水头损失与实际值偏差过大，则定出的进水管中心线高程较高，使得进水河道运行水位偏高，会导致淹没进水河道沿线一些已有的生活、工厂的排污口，对生活和工业生产带来不利影响。

图1 异向流斜管沉淀池工作原理图Fig.1 Principle diagram of the tube settler

图2 沉淀池穿墙孔布置图(单位：mm)Fig.2 Layout of the holes in the wall

2 数学模型及其边界条件

2.1 沉淀池几何尺寸及Gambit建模

斜管沉淀池数学模型尺寸与实际尺寸一致，并选择该沉淀池稳态运行后的常规工况作为模型建立计算的基本参数。

由于斜管区流速低，雷诺数小，水流于斜管区的流动大都是层流运动，水头损失很小，而且斜管间距小，不利于网格的划分。本文没有对斜管区进行具体模拟[5]，设定斜管间间距为L=0.1 m，虽然不能体现真实斜管的沉淀效果，但是可以体现出对水流运动方向的作用。

在Gambit界面完成三维建模后，对模型进行网格划分，沉淀池模型采用结构化网格和非结构化网格对模型进行网格划分(如图3)。在FLUENT计算完后还要进行网格独立性检验，当计算结果不再随网格密度变化而变化时，则证明网格独立。最终网格数为1 015 116个。

图3 沉淀池计算网格划分(单位：mm)Fig.3 Mesh generation of the tube settler

2.2 计算方法与边界条件

本文选用标准k-ε湍流模型，采用二阶迎风格式；选用压强速度耦合算法中的SIMPLEC算法；判断收敛的基本参数：连续性、速度各分量、k、ε的残差都设为0.000 1。

当悬浮颗粒浓度很低时，固体对液体的影响很小，而且本文着重研究沉淀池的水头损失，因此固体颗粒可以忽略[6]。在对沉淀池流场进行分析时可采用单相流模型，节省了计算时间。

边界条件的确定：①入口边界：选择速度入口(velocity-inlet)，假定流速均匀分布。单池处理为2万m3/d，进水管直径为500 mm，因此入口速度给定1.18 m/s。同时，将管道长度延长至管径的20倍，这样就可以在迭代过程中使得流速分布符合实际管道流速分布。②出口边界：采用自由出流outflow。③固体壁面边界条件：规定无滑移边界条件。④自由面边界：在计算水流时，自由水面采用刚盖假定。

3 求解结果

3.1 流态与流速分布

斜管沉淀池的水头损失大小与水流流动的状态有密切的关系。流体经局部阻碍时，如流体通过进口管道流入进水廊道，流体经过穿墙孔进入配水区，由于局部边界急剧改变导致水流流态改变、流速分布改变并产生旋涡区从而造成水头损失。因此分析沉淀池内的水流流态与流速很重要。

该模型的坐标原点(0,0,0)处于进水廊道的内部几何中心，为分析流场的流态，在分别沿x=0 m，y=-1.55 m，z=4.4 m进行剖切，得到三个剖面。图4、图5、图6分别为3个剖切面上的速度矢量图。

图4 进口截面速度矢量图Fig.4 The velocity vector of inlet cross section

图5 y方向截面速度矢量图Fig.5 The velocity vector of the cross section with y direction

图6 z方向截面速度矢量图Fig.6 The velocity vector of the cross section with z direction

从图4进口截面的速度矢量图中可以看出，进水管的管道出口流速很大，进入进水廊道后碰撞廊道内流速较低的流体，产生碰撞损失。另外，进水管的淹没深度不深，管道出口处形成一股射流，这股射流进入进水廊道时，由于湍流脉动，射流与静止流体相掺混，周围流体被射流流体夹带，造成卷吸现象，形成了一个大漩涡。旋涡的产生使进水廊道内水流流态不够顺畅，增加了水流的能量损失。

水流进入配水区，如果湍动剧烈，那么泥沙在池内运移的距离大，不利于泥沙的沉降。因此在进水廊道与配水区间设置穿孔墙后，可以对水流流态进行调整，使流速分布更加均匀，更有利于泥沙的沉降。如图5、图6所示，在整个沉淀池内，入口处速度值达到1.18 m/s，穿墙孔处流速大约0.3 m/s，经过穿孔墙后，配水区内的流速值整体降至约0.04 m/s，比较利于沉降。

从速度矢量图中可以看出，水流过穿墙孔并以较大速度进入配水区中，流体的加速减速过程中，流体质点碰撞、速度分布变化等都要造成能量损失。同时，尽管配水区内流体流速很低，但由速度矢量图可以看到存在多个流速几乎为零的涡流区，主要存在于穿墙孔出口、沉淀池池体中部，所有的漩涡都要消耗能量，造成水头损失，而且对沉淀效果也会造成不利影响。

3.2 水头损失的计算

在FLUENT中存在总压、静压和压力3个概念[7,8]，分别用p0、ps、p′s来表示，单位都是帕(Pa)。三者之间关系按下式定义(对不可压流动)：

p0=ps+ρ|v|2

(1)

ps=p′s+ρ0gz

(2)

式中：z为压力测点处几何高程值；v为流动速度。

可以看FLUENT表示的静压已经算上了位置水头，实际为测压管水位。图7为沉淀池的总压云图。从总压分布图上 看在沉淀区域内压强分布较为均匀。但在进水廊道内压强分布为两边高中间低，是由于流速分布不均造成的。

图7 沉淀池的总压云图Fig.7 Distribution of total pressure in the tube settler

在实际测量过程中，分别测得进水廊道水面水位以及清水区水面水位，将两个水位相减并加上计算的进水管道淹没出流水头损失得到进水管出口断面至清水区水面之间的水头损失即沉淀池的水头损失。通过模拟得到的进出口总压采用伯努利方程可计算出斜管沉淀池的水头损失为0.089 m，与实测大小0.08 m接近。并且依据数值模拟得到流速分布和压强分布，得出进水管口末端淹没出流的水头损失较大，其次是水流从进水廊道通过穿墙孔进入配水区造成的水头损失。为了验证模型的有效性，将流量改为设计流量的一半模拟得到水头损失为0.021 2 m，同样与实际测量结果0.02 m接近。

4 结 语

本文以建在河床中的异向流斜管沉淀池为研究对象，对其三维水流流场进行数值模拟，得到了水流的流态和流速、压强分布，计算得到了沉淀池的水头损失，计算值与实测值比较吻合，采用数值模拟方法确定异向流斜管沉淀池的水头损失是可行的。分析了影响池内水头损失的因素，可知一般情况下进水管淹没出流水头损失在整个沉淀池水头损失的占比是比较大的，因此减小进水管出口流速可以较为显著地减小沉淀池的水头损失，对优化该型沉淀池的水力设计提供了有益的参考。

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[1] 高廷耀, 顾国维. 水污染控制工程(第二版)下册[M]. 北京:高等教育出版社, 2001.

[2] 何国建, 汪德爟. 矩形沉淀池内悬浮物沉降模拟[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2005,45(12):1 617-1 620.

[3] 王晓玲, 曹月波, 张明星. 辐流式沉淀池固液两相流三维数值模拟[J]. 工程力学, 2009,26(6):243-249.

[4] 张宏媛. 改良斜板沉淀池液固两相流模拟及分离性能实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2011.

[5] 方小桃. 给水处理厂中高密度沉淀池沉淀区流态模拟及设计优化研究[D]. 重庆：重庆交通大学, 2010.

[6] 张 翔. 双向流斜板沉淀池理论分析及数值模拟[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2011.

[7] 王福军. 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2004.

[8] B E Launder, D B Spalding. The Numerical Computation of Turbulent Flows[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1974,3:269-289.