基于Fluent的复合沉淀池处理性能研究

宿显瑞，栗军生，闫秋霞，何路兴，席 航，崔弼峰

(1.河南省第二建设集团有限公司，河南 郑州 451464；2.河南碧之霄检测技术有限公司，河南 郑州450000；3.河南城建学院市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036)

我国淡水资源一直面临着人均占有量低、南北分布不均匀和污染严重等问题，如何将有限的淡水资源进行高效重复利用是污水处理工艺中亟待解决的问题[1-2]。在污水处理工艺中，沉淀池是去除水中悬浮物的主要设施，沉淀池的设计是否合理将直接影响污水处理效果[3-4]。目前，我国对污水处理厂各处理构筑物运行工况的研究大多是依靠相似准则建立相关模型进行模拟实验，但其周期长、投入多，在实际运行中还需进一步调试[5]。随着计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)的发展，许多学者开始利用数值模拟方法对污水处理厂构筑物的运行工况进行模拟。Goula等[6]采用CFD原理并依托Fluent软件对进水温度变化下沉淀池内悬浮物的沉降效果进行了模拟；Lakehal等[7]采用二维非正交网格上的k-ε湍流模型，对沉淀池径向截面内的流动和沉降过程进行了模拟，发现不同的流变、沉降和扩散输运参数或方法对高速区和高梯度区产生较大影响，从而造成不同的污泥覆盖层高度；马鲁铭等[8]通过计算机编程实现了对二沉池流态的模拟，解决了二沉池流态难以测定的难题；何国建等[9]基于标准k-ε紊流模型，通过改变挡板高度对二维平流沉淀池进行模拟，得出影响悬浮物质去除效率的重要因素之一是流场中回流区的大小；曾光明等[10]通过建立涡量-流函数控制方程与实际实验数据的对比，得出涡量-流函数法可以成功地应用于沉淀池的数值模拟；蔡金傍等[11]利用前人已建立的二维沉淀池数学模型，模拟改变平流沉淀池挡板布置位置、入水深度、进口流速等条件对沉淀池流态的影响。

采用数值模拟方法对污水处理厂构筑物进行模拟研究，不仅节省了人力、物力与财力，而且可以提高污水厂的处理效率[12]。然而，目前采用CFD理论研究复合型(平流与斜管组合型)沉淀池不同挡板高度对沉淀效能的影响还不多见。本研究采用CFD理论和Fluent软件对沉淀池的水流流态进行数值模拟，找出影响其流态及沉淀效果的因素，根据模拟结果，对污水处理厂复合沉淀池的建设提出合理建议。

1 研究方法

1.1 计算流体力学(CFD)

计算流体力学是流体力学的一个分支，其主要原理是根据流体的三大基本控制方程(动量守恒、能量守恒、质量守恒方程)，通过计算机软件模拟以获取某种流体在某一特定条件下的相关信息，从而实现用计算机来代替特定实验模型完成仿真试验的目的，目前该技术已经广泛应用于热能动力、土木水利、航空航天、流体机械、船舶工业、化学工程与环境工程等领域[13-14]。

CFD技术采用特定数值计算方法对所建模型的偏微分方程离散化处理，将原来时间及空间域上连续物理量的场用一系列离散点上变量值的集合近似化代替，通过数值模拟计算，获得能够反映出工程情况的结果和图像[15]。CFD技术应用面广，适应性较强，对于较复杂的流动问题可以有效且精确地找到数值解，对不具备实验条件的场所，可以利用计算机进行模拟，从而节省人力、物力和财力[16]。

1.2 Fluent软件

Fluent软件是当前广泛使用的CFD软件。由于Fluent软件采用了多种形式的求解方法与多重网格加速收敛的技术，因此具有较高的求解精度和较快的收敛速度。Fluent软件依靠其多变的非结构化网格，基于解的自适应网格技术，较成熟的物理模型，强大的前、后处理功能，在多相流、材料加工、航空航天、汽车设计、天然气石油、涡轮机工程等方面都有着较为广泛应用[17-18]。

Fluent软件的基本功能主要有：前处理，其主要用于建立几何模型及网格的生成；设置与计算，该步骤为数值求解的核心，主要功能是对控制方程进行离散求解；后处理，对模拟计算出的结果进行显示与输出，以便于观察与分析，可通过CFD-post、Tceplot等后处理软件运行。

2 复合沉淀池的模型建立与参数设定

2.1 复合沉淀池概况

选择某污水处理厂实际运行的复合式(平流、斜管组合)沉淀池，在沉淀池基础上，做简要更改后利用SolidWorks软件进行二维模型建立，模型主体各参数为：沉淀池总长30.1 m，总深度5.05 m(不计污泥斗)；污泥斗深1.93 m，长2.9 m；进水管道长1 m，直径0.9 m；出水设置3条集水槽，槽深0.8 m，宽0.3 m；斜管为聚丙烯蜂窝状斜管，简化为直径0.05 m、长1 m、倾斜角60°的斜管。二维模型总体图见图1。

图1 复合沉淀池二维模型图(单位：m)

2.2 模型网格划分

网格是指在计算域内的一系列离散区域，CFD主要通过控制方程进行离散，然后使用数值方法获得网格节点上的温度、压力、速度等数据，所以模型划分网格的质量好坏将直接影响后续计算的精确度。

采用ANSYS Workbench软件中的Mesh划分模型网格，采用三角形结构化网格进行划分并对斜管部分采取网格加密，共有23 003个节点、45 131个三角形单元体，网格划分如图2所示。

图2 复合沉淀池总体网格划分图

2.3 边界条件设定

(1)进口边界采用进口速度(Velocity inlet)，速度大小为工程实际速度0.27 m/s，并假设进口水流均匀且充满边界；

(2)出口边界采用自由出流(Outflow)，因为自由出流边界适合出口流量、速度、压力等未知的情况；

(3)沉淀池的周围池壁、斜管及进水管均设置为固壁无滑移边界(Wall)，无垂直通过壁面的速度；

(4)沉淀池的侧壁以及上水平面均设置为对称边界(Symmetry)，因为实际的沉淀池为三维构造，具有对称性。

2.4 模型参数和收敛标准的设定

沉淀池的运行过程不是一个稳态过程，故时间项(Time)应设置为Transient，且取y方向重力加速度为-9.8 m/s2。因本次模拟主要研究复合沉淀池内水流的流态，故不涉及多相问题，所以只设置湍流模型，采用RNGk-ε模型，控制方程采用有限体积法。沉淀池内污水密度设置为1 000.35 kg/m3，黏度为1.005×10-3Pa·s-1，采用SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风式。

计算中的收敛标准除连续性(continuity)设定为10-5外，其余均为10-4。

3 结果与分析

3.1 确定沉淀池运行工况

理想状态下的沉淀池理论认为：沉淀池在运行过程中可以不考虑湍流、池深和池体冲刷的影响，假定沉淀池内部为理想流体，内部各过水断面上各点流速大小均相同，但实际沉淀池流态往往会形成涡旋与短流，与理想情况相差很大，对沉淀池沉淀效果不利。

对不同挡板高度工况下沉淀池进水孔处流态进行分析。原始模型不设置进水挡板，定为工况1，后续设置进水挡板，在原沉淀池各尺寸不变情况下，于进水口池壁1.5 m处设置宽度为0.2 m，深度分别为1.5 m、2 m、2.5 m的进水挡板，分别定为工况2、工况3、工况4，并在斜管区出口设置出口断面(简称ck)，在斜管上部设置斜管上部断面(简称xgsb)，在斜管下部设置斜管下部断面(简称xgxb)。

3.2 各工况下流速云图与局部流线图

本次数值模拟主要研究复合沉淀池在各工况下的池内流态情况，以分析哪种工况对沉淀效果最有利，而流态主要观察沉淀池内的旋涡与短流区情况，各工况经Fluent模拟后的速度(Velocity)云图见图3～图6，经过Tecplot处理后的局部流线图见图7。

图3 工况1速度云图

图4 工况2速度云图

图5 工况3速度云图

图6 工况4速度云图

图7 各工况下局部涡旋流线图

由图3～图7可以看出：通过增加挡板可以有效避免污泥斗上部与平流段右上角较大面积的短流；通过增加挡板会在挡板后方形成一定区域的短流区；通过增加挡板可以适当减小进水管与沉淀池相交处的旋涡，但会在挡板后形成小旋涡；由于仅改变平流区的挡板，对斜管区影响不大，故斜管区的速度云图相差不大，均表现为斜管区后近三分之一段为短流区。

3.3 模拟结果分析

根据速度云图和流线图可以看出：加入挡板后有利于复合沉淀池前段平流区的流态发展，为了确定哪种工况下沉淀池沉淀区域的速度最小，最有利于污泥的沉降，通过Fluent软件的Surface Integrals功能计算各断面的速度平均值，结果见表1和表2。

表1 改变挡板条件下复合沉淀池平流区各断面x方向平均速度 m/s

表2 改变挡板条件下复合沉淀池斜管区各断面平均速度 m/s

由表1和表2可知：工况3即挡板深度为2 m时，沉淀池无论是平流区、斜管区或斜管处断面的速度均较其他工况小。从沉淀池的运行实际情况可知，当内部流体速度越小时越有利于沉淀，因此挡板为2 m深时沉淀池的沉淀效果最好。

4 结论

使用Solidworks软件进行二维建模，基于Fluent软件的湍流模型对复合沉淀池进行数值模拟，通过改变复合沉淀池入口处挡板的深度分析沉淀池及进水孔处的流态，从而优选出最适合实际运行状况的挡板深度，主要结论如下：

(1)对复合沉淀池增加进水挡板可以明显改善平流段的水流流态，有效减少内部短流区的面积，且一定程度减缓了出口附近的旋涡出现；

(2)通过调整进水挡板的深度发现，当进水挡板的深度为2 m时整个沉淀池内各断面的流速均为最低，即此时沉淀池的沉淀效果最好；

(3)基于Fluent软件的数值模拟模型可较好地完成沉淀池模拟实验，提高了实验效率。