挡板长度对辐流式沉淀池流场与污泥浓度场影响的数值模拟

魏文礼，李盼盼，洪云飞，刘玉玲

(西安理工大学 陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安 710048)



挡板长度对辐流式沉淀池流场与污泥浓度场影响的数值模拟

魏文礼，李盼盼，洪云飞，刘玉玲

(西安理工大学 陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西 西安 710048)

[摘要]【目的】 研究进水口处垂直挡板长度对沉淀池内速度场和污泥质量浓度场分布的影响，为实际工程中沉淀池的优化设计提供参考。【方法】 采用简化的多相流混合(Mixture)模型，对辐流式沉淀池内液固两相流水力特性进行二维数值模拟，选取RNG k-ε紊流模型封闭时均流方程，采用有限体积法对微分方程进行离散，使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法进行速度与压力耦合求解。然后设初始时刻沉淀池内为清水，进水为含一定质量浓度污泥的污水，在此条件下模拟并分析不同挡板长度时2个模型沉淀池内速度场和污泥质量浓度场的变化规律。【结果】 沉淀池内有1个大回流区和2个小回流区，长挡板模型的回流区比短档板模型小；沉淀池内污泥分布呈现分层现象，且长挡板模型内污泥到达出口的时间比短档板模型长；长挡板模型的小流速区域比短档板模型大，更有利于污泥的沉降。【结论】 辐流式沉淀池进口处设置长挡板有利于提高沉淀池的运行效率。

[关键词]沉淀池；挡板长度；数值模拟；速度场；污泥质量浓度场

沉淀池是污水处理过程中的一种重要构筑物，辐流式沉淀池由于其排泥性能好、出水水质高、占地面积少而在现代污水处理厂里被广泛采用。沉淀池的容量和处理能力受诸多因素的影响，如固体浓度、池子形状、沉淀机理、进出口设计、挡板的位置和承载率等。

近年来，国内外研究者对沉淀池做了大量的研究，其中一部分采用计算流体力学(CFD)技术来模拟沉淀池的运行情况。Krebs等[1-2]和Lyn等[3]人利用标准k-ε紊流模型和不同的污泥颗粒运动方程[4-5]对平流式二沉池进行了数值模拟，得到了池内流速分布和污泥质量浓度的分布情况。Tamayol等[6]研究发现,挡板的最好位置是在回流区域，可用来破坏回流区，从而可以提高初沉池的运行效率。Razmi等[7]用试验和数值模拟2种方法研究了初沉池中挡板位置的影响。Liu等[8]用2D激光多普测速仪对一个矩形初沉池中的流场进行测量，然后用研究结果优化沉淀池的设计参数，表明挡板附近的流速梯度很大，且流速梯度随着水流变均匀而渐渐减小。秦博[9]通过在辐流式沉淀池内设置斜管，对辐流式斜管沉淀池处理生活污水的效率进行试验研究，基本掌握了斜管沉淀池的构造功能及沉淀原理，并通过改变运行因素验证了斜管沉淀池的处理效率。刘玉玲等[10-11]采用两相流混合模型和RNGk-ε紊流模型，对辐流式二次沉淀池液固两相流的力学特性进行了数值模拟，得到了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量的空间分布规律。蔡金傍等[12]采用标准k-ε紊流模型，对平流式沉淀池进行了数值模拟，分析了不同挡板位置、进水流速以及沉淀池长高比对沉淀池内流速场和浓度场的影响，并计算分析了平流式沉淀池的过流曲线。曾光明等[13]利用涡量-流函数法建立了二维沉淀池速度场模型的控制方程，并用有限差分法进行求解，利用二维浓度迁移方程对沉淀池浓度场进行计算。蒋成义等[14]采用多相流欧拉模型、标准k-ε湍流模型和Boussinesq假设研究了二沉池中活性污泥和表面散热引起的异重流。屈强等[15]利用改进的RNGk-ε湍流模型和简化的多相流Mixture模型，对辐流式二沉池内的速度场和污泥质量浓度场进行了数值模拟。金光等[16]利用计算流体动力学分析软件建立可以实现混凝沉淀的新型辐流式沉淀池数值模型，并对其可行性进行了数值模拟研究，表明在传统辐流式沉淀池内增设强化扰流和改变水流方向的反应罩和导流板，可以使辐流式沉淀池内部流场紊流强度明显增强。综上，目前有关沉淀池的研究较多，但关于辐流式沉淀池进口挡板长度对流场和污泥浓度场影响的研究很少。

为此，本研究采用数值模拟的方法，分别建立进水口处设一短挡板和一长挡板的二维模型，采用FLUENT软件进行固液两相流数值模拟。然后通过分析辐流式沉淀池内固液两相流的速度场和污泥浓度场，对进水口处不同垂直挡板长度对沉淀池运行效率的影响进行研究，以期为实际工程中沉淀池的优化设计提供参考。

1数学模型

多相流模型可用来模拟沉淀池中的流场。Mixture模型[17]是一种简化的多相流模型，其利用小空间尺度上的局部平衡来求解混合相的动量、连续性，以及第二相的体积分率、滑移速度和漂移速度。考虑该模型具有模型简单、计算量小且结果较为可靠等特点，这里采用Mixture模型。

Mixture模型连续性方程为：

(1)

(2)

(3)

Mixture模型动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得。其形式如下：

(4)

(5)

vdr,k=vk-vm。

(6)

式中：p为压强，μm为混合黏度，g为重力加速度，F为体积力，vdr,k为第二相k的飘移速度。

滑流速度被定义为第二相(p)的速度相对于主相(q)的速度，有：

vqp=vp-vq。

(7)

式中：vqp为滑移速度，vp为p相的速度，vq为q相的速度。

滑流速度和飘移速度的关系为：

(8)

式中：vdr,p为p相的飘移速度，vqk表示第k相的滑移速度。

从第二相p的连续方程，可以得到第二相p相的体积分数方程为：

(9)

式中：αp表示p相的体积分数，ρp表示p相的密度。

利用改进的RNGk-ε紊流模型[18]，可以通过修正湍动黏度，在考虑平均流动中的旋转及旋流流动情况的基础上，提高计算精度并可以正确处理近壁区域，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。其紊动能k和耗散率ε的运输方程分别为：

(10)

(11)

以上方程构成了求解流场分布规律的封闭方程组，根据实际工况施加相应的边界条件后，就构成该方程组的定解问题。

2建模和边界条件

2.1沉淀池模型

以中心进水的辐流式沉淀池为研究对象，其处理能力大约是150 000 m3/d，池子容积大约是2 960 m3。该沉淀池中心设环形进水口进水，四周是圆形围堰，出口为设置在围堰内侧附近的一个环形出水槽，沉淀池中经沉淀过后的清水溢流到出水槽中排出。沉淀池底部污泥斗的坡度为12.5°，沉淀池进水口圆环半径r=3.75 m。

辐流式沉淀池内的流动属于三维运动，考虑到辐流式沉淀池的几何对称性，为了降低网格数，减少计算时间，忽略环向流动，特简化为仅有轴向和径向的二维运动，在此基础上建立2个二维模型：一个是进水口后端设有一小段垂直挡板，高1.3 m；另一个是进水口后端设有一长挡板，挡板走势跟外墙相同，高约3 m，两模型其他尺寸都一样，其几何尺寸如图1所示。为叙述方便，下文将2种模型分别用a模型和b模型表示：a模型代表进口处垂直挡板为短挡板的模型，b模型代表进口处垂直挡板为长挡板的模型。

图 1不同挡板长度的二维模型的计算区域和尺寸

Fig.1Computational region and size for two-dimensional model of different baffle lengths

2.2网格划分

采用GAMBIT软件建模，使用结构化网格对整体区域进行划分。由于进水口和出水口都在沉淀池上部，为了提高计算精度，故对这部分网格在垂直方向进行适度加密处理。2种模型网格划分方法一致，划分结果如图2所示，网格总单元数为7 444个。

图 2　二维计算区域的网格图Fig.2　Computational mesh for two-dimensional region

2.3边界条件及求解方法

本次试验模拟了沉淀池中的固液两相流，主相为水，密度为ρ=1 000.35 kg/m3，动力黏度μ动=0.001 005 Pa·s；次相为污泥，密度为ρ=1 051 kg/m3，时均黏度μ时=0.020 01 Pa·s，并且假设固体为均匀颗粒，颗粒直径为d=0.001 m，进水中污泥的质量浓度C=35.734 kg/m3。

进口边界条件给定速度值，固液两相的流速相同，v=0.085 m/s；出水口边界条件采用压力出流，相对压强为0。池底和边壁(包括挡板)为固体壁面，

使用标准壁面函数法确定，顶面采用“刚盖”假定。

假设初始时刻沉淀池中充满清水，污泥质量浓度为0，由于沉淀池中污泥质量浓度随计算时间的增加而变化，故全场采用非恒定流进行计算。采用简化的Mixture多相流模型模拟混合流场，用RNGk-ε模型封闭时均流方程，控制方程的离散采用有限体积法，速度与压力耦合求解时使用压力隐式算子分裂PISO算法，紊动能、耗散率、动能方程均采用二阶迎风(Second Order Upwind)离散格式。

本次试验是为了研究污泥在沉淀池中的迁移规律和质量浓度场随时间的变化，不依计算过程中进出口流量相等为计算平衡的依据，取时间步长=0.005 s，计算总时间t=1 000 s，并且2种模型的各参数和边界条件完全相同。

3结果与分析

3.1流线分布

沉淀池中的流线随时间的分布如图3所示。

图3表明，随着时间的推移，在模拟时间为300 s左右时，显示在挡板附近有1个小回流区，随着模拟时间增加，回流区向后部推移；模拟时间为500 s时，在池子中部形成1个大回流区；模拟时间等于700 s时，沉淀池底部开始产生1个小回流区，到 1 000 s左右，池子底部形成2个小回流区，贴近池子底板，再往后2个模型的流线图均基本同1 000 s时一样，池中一直保持3个回流区不变。之前的文献[10，15]提到沉淀池中是2个回流区，这可能是沉淀池体型不同所致，也可能是文献[10，15]中模拟计算时间不够的缘故。回流区基本上都是死区，回流区的存在降低了沉淀池的有效利用容积，是影响沉淀池去除率的一个重要因素。

流线的疏密代表了流速的大小，挡板附近和池子中部回流区流线较密，说明该处流速较大。水面附近和池子后区流线稀疏，说明该处流速较低，这有利于固体颗粒沉降到池底。

比较a、b 2个模型，流线的变化规律基本一致，回流区的位置和个数也相近，说明挡板的长短并不能减少回流区的个数。但是每个时刻模型b中的回流区面积比a模型小很多，比如模拟时间为300和500 s时，a中的回流区面积接近b回流区面积的2倍；模拟时间等于700 s时，a中的回流区面积约占整个池子面积的3/4，而此时b的回流区只占池子面积的1/2左右。回流区面积减少，有效流动区域增大，就会相应提高沉淀池的运行效率。因此，进口处长挡板与短挡板相比，其可以大大减小回流区面积，提高沉淀池运行效率。但如何减少回流区的个数，今后还要进行更多的研究。

3.2污泥质量浓度的分布

污泥在沉淀池中的迁移和质量浓度分布如图4所示。

图 4　2个模型不同时刻污泥质量浓度的分布Fig.4　Sediment mass concentration distribution of the two models at different times

图4显示，模拟开始时污泥从挡板下沿向池内扩散，到模拟时间为300 s时，池内存在着清晰的泥水分界面，在此界面以上，污泥质量浓度为0，为清水区，此时整个沉淀池污泥质量质量浓度很小，不超过137 g/L；随时间增长，污泥开始在池底沉淀下来，形成成层沉淀区，在模拟时间为500 s时，成层沉淀区的污泥质量浓度为274～343 g/L；到模拟时间为700 s时，可清晰看到池底的污泥压缩层，压缩层的污泥质量浓度大于480 g/L，此时污泥在沉淀池内的分布规律为：上面是清水区，泥水分界面以下是污泥质量浓度逐渐升高的絮凝区，接下来是污泥质量浓度基本一致的成层沉淀区，池底有一层较薄的污泥压缩区。随着模拟时间增加，压缩区厚度越来越大，该区域污泥的质量浓度也逐渐增大。污水区中絮凝区的范围最大，且不断向清水区扩展。成层沉淀区和压缩区之间也存在明显的压缩界面，最后压缩区的高度大于成层沉淀区的高度。污泥区逐渐扩大，清水区逐渐缩小，到最后污泥扩散到出口处，充满整个沉淀池，此时出流中开始夹带污泥，如果不及时对池中污泥进行清理，沉淀池的处理能力就会逐渐丧失。

从污泥质量浓度分布图(图4)可以看出，2种模型的污泥压缩区都集中在左下角的污泥斗中，从污泥斗往外，污泥质量浓度逐渐减小。这非常符合实际情况，证明了数值模拟的正确性。现实中的沉淀池在污泥斗处设有污泥出口，污泥堆积到一定程度时，用专门的设备将污泥斗中的污泥排出，才可使沉淀池能够循环运行。

比较a、b 2个模型，其污泥的运移规律相同，但质量浓度分布存在差异。a模型中污泥扩散明显较b快很多：模拟时间为700 s时，a模型中污泥已经扩散到出口处，污泥开始从出口流出，沉淀池处理能力丧失，而b模型中污泥在模拟时间为1 000 s时污泥还未到达出口，出流仍然是清水，沉淀池依然运行正常。由此可见，进口处长挡板能明显提高沉淀池的污泥处理能力，延长沉淀池运行周期，提高去除率，降低能耗。

3.3流速分布

流速云图能清晰地显示出流速场的分布情况，模拟时间为300和500 s时的流速场分布如图5所示。由图5可以发现，a、b两模型流速场的差异也很明显。不同的颜色深度代表了不同的流速大小：从白色渐变到黑色，流速逐渐增大，颜色深度变化越快的地方，表示流速梯度越大，沉淀池内流速的分布范围为0.016～0.250 m/s。从图5可以看出，沉淀池内流速场的分布规律为：大流速区域分布在沉淀池前部，进口附近流速最大，在挡板的束缚下，高速水流流向沉淀池下部，然后从挡板下沿开始向池中扩散。云图中颜色深度由黑色逐渐向白色转变，表示流速逐渐减小。沉淀池中后部分基本为白色，表明流场较均匀，该区域流速大小为0.016 m/s左右，小于0.03 m/s，这样的流速有利于固体颗粒的沉降。

图 52个模型不同时刻的流速云图

Fig.5Velocity magnitude contour of the two models at different times

从图5还可以看出，b模型长挡板的束流效果比a模型短挡板好：模拟时间为300 s和500 s时，b模型的流速小于0.03 m/s区域明显大于a模型，说明b模型小流速区域比a模型大，这更有利于污泥的沉降。另外从图5左边2幅图可以看到，a模型中流速为0.03～0.063 m/s的区域处于沉淀池顶部，这样的流场会将小颗粒污泥卷扬到沉淀池上部，最后随上部水流从出口流出，使沉淀效果降低。500 s时，b模型左下角污泥斗处颜色变成白色，表明此处流速降到0.016 m/s左右，这有利于污泥在污泥斗中的沉淀。其他时刻2个模型的流场图对比效果与以上结果雷同，不再赘述。

4结论

本研究采用数值模拟方法，模拟了辐流式沉淀池内流场的变化和污泥的运移规律，通过对不同模拟时间的计算分析，可以清楚看到流场中回流区的产生、变化，最后在流场内形成大小不等的3个回流区；模拟演示了沉淀池内污泥的迁移过程，污泥在沉淀池内的分布表现出分层现象：从上往下，污泥浓度递增，最底层出现污泥压缩区。这些直观的显示在实验室内很难达到，体现了数值模拟的优势。

另外，本研究通过在进水口处设置不同长度的挡板，模拟并分析进水口处挡板不同长度对流场的影响。从模拟结果可以看出：进水口处设置长挡板可以明显减小流场内的回流面积，增大有效流动区域，提高沉淀池的污泥处理能力，延长沉淀池运行周期，提高去除率，改善出流水质，这一结论可以为沉淀池的设计和运行提供参考。为了进一步减小沉淀池内的回流区个数和回流区大小，今后还需结合试验和数值模拟，进行更多的相关研究。

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DOI：网络出版时间:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.032

[收稿日期]2014-11-03

[基金项目]国家自然科学基金项目(51578452)；陕西省工业科技攻关项目(2016GY-180)；陕西省科学研究计划项目(2014K15-03-05)

[作者简介]魏文礼(1965-)，男，陕西大荔人，教授，博士，主要从事环境水力学、水污染控制理论与技术研究。 E-mail：wei_wenli@126.com

[中图分类号]X703

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)07-0228-07

Influence of baffle length on flow and sludge concentration fields in a radial sedimentation tank

WEI Wenli,LI Panpan,HONG Yunfei,LIU Yuling

(StateKeyLaboratoryofEco-HydraulicEngineeringinShaanxi,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

Abstract：【Objective】 The influence of inlet vertical baffle on distribution of flow field and sludge mass concentration field was studied in a sedimentation tank to provide reference for optimization design of actual sedimentation tanks.【Method】 The simplified Mixture multiphase model was used to study the hydraulic characteristics of solid-liquid two-phase flow in a radial sedimentation tank by 2D numerical simulation.The RNG k-ε turbulent model was used to close the time-averaged flow equations.The finite volume method was used to discretize the differential equations,and the coupling velocity and pressure equations were solved with the pressure-implicit method of splitting operators (PISO) algorithm.At the initial time,the sedimentation tank was filled with stationary clear water and sewage ran through inlet.The variation of flow field and sludge mass concentration field in different times was then studied.【Result】 There were three recirculation zones in the sedimentation tank,a big one and two small ones.The model with a longer feed flow baffle caused a smaller recirculation zone.The distribution of sludge showed stratified phenomenon in the sedimentation tank.Sludge took a longer time to arrive at export in the model with a longer feed flow baffle.The region of fluid particles with a smaller velocity was bigger in the model with a longer feed flow baffle,which was beneficial to sludge sedimentation.【Conclusion】 The sedimentation tank with a longer feed flow baffle can produce better running efficiency.

Key words：sedimentation tank;baffle length;numerical simulation;flow field;sludge mass concentration field

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160608.1621.064.html