石俊峰，鄭源，張海晟，郭繪娟

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 河海大學(xué)創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210098)

攪拌器在污水處理中起到至關(guān)重要的作用.電動機帶動攪拌器旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化為污水流動的動能，對攪拌器和攪拌池進行合理的選型設(shè)計，最大程度地發(fā)揮攪拌池-攪拌器系統(tǒng)攪拌污水的能力，是達到充分攪拌的重要保證.為了保證活性污泥均勻分布于反應(yīng)池中，避免在池底形成大量堆積，要求池內(nèi)平均流速維持在0.250～0.300 m/s，研究發(fā)現(xiàn)，池底流速大于0.15 m/s時不會產(chǎn)生淤泥堆積[1].

已經(jīng)有很多國內(nèi)外專家和學(xué)者通過試驗或數(shù)值模擬對攪拌器進行了研究.田飛等[1]針對各種形狀的氧化池設(shè)計出新型多葉輪潛水攪拌器，為潛水攪拌器實際工程提供了參考.徐順等[2]通過CFX軟件對潛水攪拌器葉片不同的間隙進行數(shù)值模擬，研究表明，軸功率和出口流量不受葉片間隙的影響.賈慧靈等[3]利用CFD技術(shù)從節(jié)能和攪拌效果兩方面研究了圓盤渦輪式槳葉對攪拌槽混合特性的影響.王斌帆[4]應(yīng)用Fluent軟件中提供的MRF模型和標準k-ε模擬了雙曲面攪拌器在方形攪拌池中的工作流場，得出了與現(xiàn)場試驗結(jié)果相符的模擬數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模擬方法的有效性.蘭雅梅等[5]基于橫軸水輪機發(fā)電裝置研究了導(dǎo)流罩對能量利用率的影響，揭示了導(dǎo)流作用對提升水力機械性能的重要意義.但目前在雙曲面攪拌器槳葉附近能量傳遞過程及雙曲面攪拌器該如何導(dǎo)流等方面尚缺乏研究.

目前，攪拌池通?？膳鋵Χ喾N攪拌器械使用，優(yōu)化攪拌池不僅工期長，成本高，且容易使攪拌池失去通用性，因此，優(yōu)化攪拌器是目前最優(yōu)的選擇.

在水處理過程中，分散型攪拌占有主要地位.污水攪拌池內(nèi)介質(zhì)不需要形成劇烈湍流(若在絮凝池中劇烈攪拌還可能會破壞絮體)，只要求池內(nèi)保持均質(zhì)，因此應(yīng)該使用分散攪拌.普通化工攪拌設(shè)備如推進式攪拌器、框式攪拌器等強度和效率均低于雙曲面攪拌器，不適用于大容量的污水混合.污水攪拌池由于反應(yīng)強度低，池子容積大，介質(zhì)停留周期長，所以維持污水穩(wěn)定高速流動，防止淤泥堆積顯得非常有必要，因此建議采用專門的污水攪拌設(shè)備進行水處理，雙曲面攪拌器就是其中的一種.當雙曲面攪拌器旋轉(zhuǎn)時，特有的彎曲槳葉帶動水流運動，攪拌器下端流體速度高，可以攪起污泥，使污泥呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，防止污泥在底部聚集.因為攪拌器轉(zhuǎn)盤為平滑曲面且轉(zhuǎn)速低，水體沿著攪拌器轉(zhuǎn)盤表面運動，黏滯阻力小，可以降低輸入系統(tǒng)的能量，節(jié)約能耗的同時防止污泥和絮體被打碎破壞.

文中選用某公司直徑為2 000 mm的雙曲面攪拌器，采用9 m×9 m×5 m方形攪拌池，通過對比雙曲面攪拌器不同的翼型、槳葉數(shù)量、安裝高程下流場狀態(tài)，利用湍流模型進行分析，選出適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的雙曲面攪拌器，以期為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)

在本次數(shù)值模擬中，對尺寸為9 m×9 m×5 m的方形攪拌池進行三維定常湍流計算.攪拌池內(nèi)中心位置布置1個雙曲面攪拌器，攪拌器底面位置距離池底1 000 mm，攪拌器安裝示意圖如圖1所示.

圖1 雙曲面攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖

單槳葉攪拌器轉(zhuǎn)盤直徑2 000 mm，槳葉末端高度為65 mm，轉(zhuǎn)盤上均勻布置8個槳葉，每個槳葉所夾角度為45°，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.疊加槳葉雙曲面攪拌器轉(zhuǎn)盤直徑2 000 mm，疊加槳葉末端高度為65 mm，轉(zhuǎn)盤上均勻布置6個疊加槳葉，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 疊加槳葉雙曲面攪拌器

旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，并將沿Z軸方向設(shè)為正方向，單槳葉攪拌器轉(zhuǎn)速為50 r/min，疊加槳葉攪拌器轉(zhuǎn)速為-50 r/min.攪拌池內(nèi)介質(zhì)為常溫常壓的水，利用NX軟件為攪拌器建立1個直徑2 100 mm，高810 mm的圓臺區(qū)域，圓臺上表面與攪拌器上表面重合.攪拌器安裝示意圖如圖3所示.以下簡稱單槳葉雙曲面攪拌器為單槳葉攪拌器，疊加槳葉雙曲面攪拌器為疊加槳葉攪拌器.

圖3 攪拌器安裝示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD軟件對流體計算域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會對計算時間的長短和計算結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響.

由于雙曲面攪拌器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文中模擬采用自適應(yīng)較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格示意圖如圖4所示，并對槳葉等關(guān)鍵部位進行加密[6]，如圖5所示.直到最小網(wǎng)格質(zhì)量均達到0.3，且計算域的體積加權(quán)平均速度改變量不超過5%，則認為最后一次加密前的網(wǎng)格數(shù)為最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)，消除了網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響[15].此算例中，水體部分權(quán)值取0.98，轉(zhuǎn)輪體部分權(quán)值取0.02.

圖4 攪拌器計算網(wǎng)格示意圖

圖5 網(wǎng)格局部加密

表1 模型網(wǎng)格單元數(shù)以及網(wǎng)格質(zhì)量

1.3 控制方程和求解算法

圖6為多重參考系模型，采用此模型將計算域分成攪拌槳區(qū)域和槳外區(qū)域[8].槳外區(qū)域采用靜止坐標系，攪拌槳區(qū)域采用運動參考系.要求2部分網(wǎng)格之間彼此獨立，在交界面處于相對靜止.

圖6 多重參考系模型

數(shù)值模擬在Fluent軟件平臺上進行，為精準地模擬轉(zhuǎn)盤區(qū)域的湍流流動狀態(tài)，捕捉攪拌池內(nèi)流動特性，攪拌過程中設(shè)置相應(yīng)潛水攪拌機運行環(huán)境，包括重力加速度、池面大氣壓力；攪拌葉片、攪拌軸設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速條件；選用標準k-ε湍流計算模型；SIMPLEC算法進行速度-壓力耦合求解；計算區(qū)域的邊界由固體邊界、水池上表面組成；水池上表面采用對稱邊界條件；所有壁面、軸、攪拌器槳葉及攪拌器表面均采用無滑移壁面邊界條件；運動參考系區(qū)域和禁止區(qū)域的接觸面設(shè)為INTERFACE類型，以保證計算過程中兩區(qū)域之間能量傳遞；計算收斂判斷依據(jù)為各變量殘差絕對值小于10-5.

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖7為攪拌器工作表面靜壓p分布情況，紅色表明此處靜壓較大，藍色則反之.轉(zhuǎn)盤邊緣處靜壓大于背面，因此背面相對速度較大.槳葉出口處的靜壓分布呈中心對稱，這歸因于雙曲面攪拌器的槳葉均勻布置在轉(zhuǎn)盤表面，使得攪拌器能穩(wěn)定工作.由圖7可以看出，疊加槳葉攪拌器深紅區(qū)域面積遠大于單槳葉攪拌器，說明其更有利于形成高強度的射流.

圖7 攪拌器工作表面靜壓分布

雙曲面攪拌器的槳葉的橫截面積自上而下逐漸變大，在轉(zhuǎn)盤X=0.75 m處靠近轉(zhuǎn)盤末端且橫截面大小與末端相近，此處截面包含了轉(zhuǎn)盤和槳葉2個部分，便于準確分析和預(yù)測流出轉(zhuǎn)盤的射流狀態(tài).圖8為2個雙曲面攪拌器在相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)盤X=0.75 m處Y-Z截面速度v矢量圖，箭頭方向為流速方向.在攪拌過程中，沿轉(zhuǎn)盤表面運動的水體被迎水面擋住，并沿徑向射出攪拌器，上層水體掠過槳葉形成螺旋射流沿徑向射出，此射流的強度是影響攪拌器徑向攪拌范圍的關(guān)鍵，經(jīng)Fluent計算，單槳葉池內(nèi)平均流速為0.570 m/s，疊加槳葉池內(nèi)平均流速為0.710 m/s.單槳葉攪拌器在XD=0.75 m處射流強度WD=0.30 J/kg，疊加槳葉攪拌器在XDJ=0.75 m處射流強度WDJ=0.53 J/kg.在單槳葉攪拌器迎水面附近，分別由圖8a，8c可以看出，由于單槳葉攪拌器迎水面垂直于流體流速，水流垂直撞擊槳葉，流體動能迅速轉(zhuǎn)化為靜壓，在迎水面和背水面交界處形成約4 000 Pa的壓力差，巨大的壓力差使得小范圍內(nèi)水體快速掠過槳葉上表面，在背水面形成旋渦.對比結(jié)合圖8a，8c可以看出，單槳葉背水面的旋渦呈圓臺狀，圓臺底部半徑過大，部分水流回流到迎水面，這些回流水流與被迎水面加速的水體撞擊，從而損失大量能量，改為疊加槳葉后背水面垂面，迎水面為螺旋線的凹側(cè)且與轉(zhuǎn)盤呈銳角的斜面且背水面后增加一斜面可對攪拌后的水體起到整流作用，增大了攪拌器的徑向攪拌范圍.

圖8 X=0.75 m處槳葉附近速度矢量圖

圖9為攪拌池頂部壓力云圖，紅色區(qū)域為高壓區(qū)，反之為藍色.圖10為2種攪拌器Y=0 m截面速度矢量圖，可以看出2種攪拌器工作時在攪拌池內(nèi)均生成了多個軸向攪拌流場，在單槳葉的流場內(nèi)主要有2個旋渦，這是因為水體做離心運動，沿轉(zhuǎn)盤徑向高速流出后，受重力影響沖擊池底時產(chǎn)生附壁現(xiàn)象，然后沿壁面向上運動.

圖9 攪拌池頂部壓力云圖

圖10 2種攪拌器Y=0 m截面速度矢量圖

在攪拌池頂部，由于中心區(qū)域流速大于池壁處流速，結(jié)合圖9攪拌池頂部壓力云圖可知，水體順壓力差沿螺線向池中心運動，同時繼續(xù)向轉(zhuǎn)輪區(qū)域流動，這種運動使得中心液面下凹形成旋渦，導(dǎo)致空氣混合入水體，影響混合效果，但池中心上部由于距離攪拌器較遠，此處水流接收到的能量少，流速較低，空氣混合進水體效率低，故污水表面復(fù)氧程度不大.大尺度渦邊界上形成剪切力，能量不斷傳遞，在豎直方向上形成一個完整的渦流.

在疊加槳葉流場內(nèi)主要存在4個旋渦，是由于水體沿轉(zhuǎn)盤徑向流出時速度過大，散射出轉(zhuǎn)盤的水體直接撞擊攪拌池壁面，分為2層，上層掃掠墻壁高速向上運動，到達水池表面后順壓力差流向攪拌軸；下層水體因流速不足而向下運動，到達墻壁后沿池底返回至攪拌區(qū)域，形成上下2個渦流.轉(zhuǎn)盤下部分小渦貼近池底，且流速較大，增強了攪拌器下方流體的湍動能，池底不斷被高速水流沖刷，有效防止了淤泥沉積和聚集.

表2 各截面平均流速

圖11 2種攪拌器底部不同截面速度沿徑向變化

圖12為各安裝高程H下中心截面速度云圖，高速為紅色，低速為藍色.由速度云圖可以看出，攪拌池內(nèi)流速與攪拌器安裝高程呈不規(guī)則變化.當攪拌器安裝過高時，攪拌池內(nèi)水體流速明顯降低，這是由于轉(zhuǎn)盤中射流出的水體在向池底運動的過程中因受黏滯阻力影響，損失大量能量.在圖12e中點A處流速為5.64 m/s，在池底點B處流速為0.28 m/s.

在圖12c中點C處流速為5.03 m/s，在池底點D處流速為0.57 m/s.對比各速度云圖高亮區(qū)域面積，優(yōu)選出H=0.9 m，H=1.0 m，H=1.1 m這3種安裝高程.

圖12 不同安裝高程中心截面速度云圖

圖13 Z1到Z2參考線示意圖

圖14 不同安裝高程下Z1到Z2區(qū)域湍動能比較

表3 不同安裝高程下Z1到Z2區(qū)域湍動能k

3 結(jié) 論

1) 射流方向是影響攪拌器攪拌范圍的重要因素，對射出轉(zhuǎn)盤的螺旋射流提前進行整流可以有效提升攪拌器的攪拌范圍.雙曲面攪拌器槳葉的迎水面作為直接與來流撞擊的面，其最優(yōu)應(yīng)為螺旋線的凹側(cè)且與轉(zhuǎn)盤呈銳角的斜面，背水面最優(yōu)為與轉(zhuǎn)盤垂直的垂面.背水面后增加一斜面可對加速后的水體起到整流作用，為雙曲面攪拌器整流提供一種新的方法.

2) 疊加槳葉攪拌器工作時，高速水流不斷沖刷池子底部，有效增加了池底平均湍動能，減少了低速區(qū).此種疊加槳葉的設(shè)計方法可以作為一種新的雙曲面攪拌器優(yōu)化方案，為工程實際提供參考.

3) 當雙曲面攪拌器的槳葉為疊加槳葉，安裝高程H=1.0 m時，池內(nèi)平均流速達到0.710 m/s，較優(yōu)化前高0.140 m/s;攪拌池底部區(qū)域平均湍動能達到0.021 J/kg，較優(yōu)化前高0.008 J/kg.因此，疊加槳葉安裝高程為1.0 m時流態(tài)最優(yōu)，攪拌效果最好.