鄒秋蘭

(安徽省黃山市水電勘測設(shè)計院，安徽 黃山 245000)

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柵條絮凝池柵條間距對絮凝水力條件的影響研究

鄒秋蘭

(安徽省黃山市水電勘測設(shè)計院，安徽 黃山 245000)

以工程實體中的柵條絮凝池為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有的絮凝動力學理論，建立數(shù)學模型，利用計算流體力學數(shù)值模擬軟件對柵條絮凝池中的流場進行數(shù)值模擬計算。模擬以柵條間距為絮凝水力條件的影響因素，選擇湍動能k、湍動能耗散率ε、渦旋速度梯度G0為評價指標，分析研究柵條絮凝池的最佳水力條件。

絮凝；數(shù)值模擬；湍動能；耗散率；速度梯度

在給水處理工藝中，絮凝工藝效果的好壞直接影響著后續(xù)工藝的效果，最終影響出水的水質(zhì)和水處理成本的高低，絮凝設(shè)備的動力學條件則是由絮凝池的結(jié)構(gòu)形式及其內(nèi)部構(gòu)造所決定的[1]，因此從絮凝動力學角度分析絮凝池內(nèi)部流場來優(yōu)化設(shè)計絮凝池是十分迫切和必要的。

在柵條絮凝池的設(shè)計過程中，柵條間距是影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要條件之一。本文主要通過數(shù)值模擬的方法研究柵條間距對柵條絮凝池內(nèi)部水力條件的影響，分析柵條絮凝池內(nèi)部的流場流態(tài)特性，進而優(yōu)化設(shè)計柵條絮凝池的設(shè)計參數(shù)，為絮凝過程提供最佳的水力條件。

1 模型的建立

研究中的數(shù)值模擬模型采用實體模型，單池水處理能力為10 000 m3/d。本次采用建立兩豎井的柵條絮凝池模型進行數(shù)值模擬，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，模型中采用的柵條間距分別為50 mm、80 mm、100 mm，通過對三種不同的柵條間距的絮凝池池體內(nèi)部的水流特性進行數(shù)值模擬，分析不同的柵條間距對柵條絮凝池絮凝水力條件的影響。模型參數(shù)如表1所列[2]。

表1 不同柵條間距絮凝池的模型參數(shù)

續(xù)表1

本文所采用的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柵條絮凝池的數(shù)值模擬模型

2 邊界條件及模擬分析方法

2.1 邊界條件

柵條絮凝池水流進口條件為速度進口，速度大小為0.21 m/s；出口邊界條件為自由出口；對于近壁區(qū)流動采用標準壁面函數(shù)來模擬，壁面采用無滑移的邊界條件[3]。

2.2 模擬分析方法

絮凝池內(nèi)部的流場主要處于紊流形態(tài)，經(jīng)過系統(tǒng)的比較和參照絮凝池數(shù)值模擬模型，最終確定選用標準k-ε雙方程紊流模型。

模擬中運用有限體積法進行離散方程；速度場和壓力場采用PISO算法進行計算[4-5]。

3 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

結(jié)合本文中柵條絮凝池數(shù)值模擬的特性和絮凝評價指標的性質(zhì)，本文選擇渦旋速度梯度G0值和湍動能k值兩個指標作為柵條絮凝池數(shù)值模擬絮凝效果的控制指標[6]。

3.1 基于G0對不同柵條間距絮凝池的分析

渦旋速度梯度G0可以作為絮凝效果的評價指標之一。為便于觀察絮凝池內(nèi)的流態(tài)特性，擬截取Y-Z面(X=0.45 m)作為研究對象。柵條間距分別為50 mm、80 mm、100 mm的絮凝池內(nèi)部的速度及渦旋速度梯度G0分布如圖2、3、4所示。

圖2 柵條間距分別為50 mm、80 mm、100 mm的速度矢量圖

圖3 柵條間距分別為50 mm、80 mm、100 mm的速度云圖

圖4 柵條間距分別為50 mm、80 mm、100 mm的渦旋速度梯度云圖

根據(jù)圖2～圖4三種不同柵條間距的速度矢量圖、云圖及渦旋速度梯度云圖可以看出：柵條間距為50 mm時，絮凝池體內(nèi)部的水流經(jīng)過第一層柵板時配水較為均勻，柵條均能起到較好的擾流作用，死水區(qū)較少。在絮凝過程中水流的配水越均勻死水區(qū)域越少則表明水流受柵條的擾動作用越大，越有利于初期絮凝顆粒的成長[7]。

由于絮凝池的進口區(qū)域、出口區(qū)域和泥斗區(qū)的速度梯度受柵條間距的影響較小，因此只考慮每層柵條板有效作用區(qū)域(每層柵條板下350 mm區(qū)域)內(nèi)渦旋速度梯度G0的平均值。不同柵條間距的絮凝池內(nèi)平均渦旋速度梯度分布如圖5所示。

圖5 不同柵條間距的平均渦旋速度梯度分布

由圖5可知柵條間距越小其有效作用范圍內(nèi)的渦旋速度梯度越大，配水越均勻，擾流作用越強，絮凝體顆粒的碰撞幾率就越大。在絮凝過程中形成的絮凝體會受到水流剪切的作用，而且隨著速度梯度增大而增大，而在較大的剪切力作用下只能形成粒徑較小的絮凝體片段，不利于絮體顆粒的成長，因而不能將柵條間距設(shè)計值取到很小，而使柵條絮凝池內(nèi)部的渦旋速度梯度達到較大值[8]。

當柵條間距為50 mm時，柵條附近局部的渦旋速度梯度值已達到180 s-1，在絮凝過程中能夠形成較大的剪切力，而有效作用范圍內(nèi)的平均渦旋速度梯度為74.36 s-1，較為適合柵條絮凝池前段柵條的設(shè)置，既能夠保證前段絮凝較大的速度梯度和絮凝顆粒之間的有效碰撞，又能夠保證所形成絮體的密實性；柵條間距為80 mm、100 mm時局部的渦旋速度梯度值達到140 s-1，有效作用范圍內(nèi)的平均渦旋速度梯度分別為58.56 s-1、45.89 s-1，比較適合柵條絮凝池中段的設(shè)置，既能使一定數(shù)量的絮凝體顆粒之間形成有效碰撞，又能保證已經(jīng)形成的絮凝聚集體不會被較強水流剪切而破碎。

3.2 基于湍動能k對不同柵條間距絮凝池的分析

不同的柵條間距其池體內(nèi)的湍動能k值分布云圖如圖6所示。

圖6 柵條間距為50 mm、80 mm、100 mm的湍動能分布云圖

由圖6可看出水流經(jīng)過間距分別為50 mm、80 mm、100 mm的柵條后絮凝池池內(nèi)的湍動能k值急劇增大，之后隨著水流遠離柵板湍動能k值逐漸減小。從圖中可以明顯看出不同間距的柵條能夠使湍動能k值增大的有效作用面積也不同。水流經(jīng)過間距為50 mm的柵條板時，柵條板的有效作用面積達到90%以上；水流經(jīng)過80 mm的柵條板時，柵條板的有效作用面積為75%左右；水流經(jīng)過100 mm的柵條板時，柵條板的有效作用面積僅為65%左右[9]。不同柵條間距絮凝池體內(nèi)的平均湍動能分布如圖7所示。

圖7 不同柵條間距的平均湍動能分布

經(jīng)上述分析和圖7可知：柵條間距越小，柵條對水流湍動能的有效作用面積越大，池體內(nèi)部的平均湍動能也越大，湍動強度也越大，越有利于整個絮凝池體內(nèi)部的絮凝顆粒碰撞[10]。

4 結(jié)束語

通過對柵條間距分別為50 mm、80 mm、100 mm的三種柵條絮凝池的數(shù)值模擬，以渦旋速度梯度G0、湍動能k為絮凝效果的評價指標，經(jīng)過分析可知，柵條間距為50 mm時，其絮凝池內(nèi)流體的渦旋速度梯度G0、湍動能k分布均勻，而且具有較大的有效擾流的作用面積，從而增加了絮凝顆粒的相互碰撞幾率，因此50 mm的柵條間距能夠為絮凝的初期階段提供較好的水力條件。而柵條間距為80 mm、100 mm時，其絮凝池內(nèi)流體的渦旋速度梯度G0、湍動能k分布相對均勻，能夠起到擾流的有效作用面積相對較大，與50 mm柵條間距相比較，其湍流強度小，水流的剪切力小，為已形成相對密實、能夠承受一定的水流剪切的絮凝體顆粒再次進行碰撞、聚集提供了較好的水力條件，因此80 mm、100 mm的柵條間距所提供的水力條件較為適合絮凝的中期階段。該結(jié)論不僅從計算流體力學數(shù)值模擬的角度進一步驗證了設(shè)計標準中的規(guī)定，也證明了所建立的計算模型的合理性。

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2016-04-29；修改日期：2016-05-06

鄒秋蘭(1971-)，女，江西臨川人，安徽省黃山市水電勘測設(shè)計院助理工程師．

TU991.22

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1673-5781(2016)03-0333-03