，，

(1.新疆工程學(xué)院，烏魯木齊 830000;2.內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

0 引 言

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，使水污染狀況不斷加劇。目前解決的辦法主要是：強(qiáng)化水處理工藝，沉淀池是污水處理過(guò)程的一個(gè)重要工具，其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的好壞將是水處理系統(tǒng)的成敗[1-2]。曾光明、秦肖生[3-4]利用渦量-流函數(shù)法對(duì)平流式沉淀池進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了擋板位置與去除率之間的關(guān)系。蔡金傍[5]通過(guò)對(duì)平流式沉淀池添加示蹤劑也得到了流速、長(zhǎng)高比與去除率之間的關(guān)系。屈強(qiáng)[6]對(duì)折流式沉淀池的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步的分析。張莊[7]提出了的沉砂池中懸浮物的數(shù)學(xué)模型并用該模型對(duì)典型的圓形沉砂池內(nèi)的流場(chǎng)、懸浮物濃度、分布及沉淀效率進(jìn)行了模擬。由于輻流式沉淀池的機(jī)械排泥，運(yùn)行較好，管理較簡(jiǎn)單，排泥設(shè)備已經(jīng)趨于定型等諸多優(yōu)點(diǎn)使輻式沉淀池在沉降潔凈水技術(shù)中越來(lái)越得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)由于流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)輻式沉降池的設(shè)計(jì)也得到了優(yōu)化。以往用來(lái)模擬的沉淀池的各種模型都是對(duì)要建設(shè)的沉淀池進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改造，很少考慮當(dāng)沉淀池的池型已定時(shí)改變水流、水質(zhì)等因素時(shí)，是否會(huì)對(duì)沉淀池的沉淀效率產(chǎn)生比較大的影響。文中主要利用CFD軟件對(duì)其輻式沉淀池進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析其在不同流量條件下固液分離效果，以期更大程度的發(fā)揮沉淀池的功能，使其經(jīng)濟(jì)低耗的運(yùn)行。

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

輻流式沉淀池的進(jìn)水管設(shè)在池中心，流出槽設(shè)在池子四周，常也被稱為中心進(jìn)水周邊出水輻流式沉淀池。文中所要研究的對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸列于表1，單位：m。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸 m

泥斗設(shè)在池中央，池底向中心傾斜，垂直擋板，用于把來(lái)流引向池底，水平擋板，用于防止進(jìn)水和污泥回流之間的短流，如圖1所示。

圖1 輻式沉淀池的三維模型圖注：1.污泥出口;2.水平擋板;3.垂直擋板 4.清潔水入口;5.處理后水出口

1.2 數(shù)學(xué)模型

中心進(jìn)水周邊出水的輻式沉淀池，r方向?yàn)槌恋沓匕霃降姆较颍瑉方向?yàn)榇怪狈较?。輻式沉淀池?nèi)的水流流動(dòng)為不可壓縮的二維軸對(duì)稱流動(dòng)。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

r方向

z方向

由于要對(duì)沉淀池在不同流量條件下的運(yùn)行狀況的流場(chǎng)進(jìn)行研究，沉淀池內(nèi)水流流態(tài)為湍流，建立k-ε湍流方程為：

湍動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)能耗散率ε

式中，

Pr是普朗特?cái)?shù)，Prt是湍流普朗特?cái)?shù)均取為0.7。

Cu,Cε1,Cε2,σk,σε為模型常數(shù)它們的的值為0.09，1.41，1.92，1.0，1.3。

渦粘性系數(shù)vt

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 沉淀池的流場(chǎng)分析

通過(guò)對(duì)進(jìn)口速度分別為0.019、0.038、0.057 m/s的三個(gè)不同流速下的速度場(chǎng)及污水體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果如圖2至圖4所示。

圖2 在V=0.019 m/s下流場(chǎng)圖

圖3 在V=0.038 m/s下流場(chǎng)圖

圖4 在V=0.057 m/s下流場(chǎng)圖

仿真結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下進(jìn)口流速越小，固體的沉淀效果越好，因此，可適當(dāng)?shù)臏p小進(jìn)口流量，來(lái)提沉淀池的沉降效果。同時(shí)由于回流區(qū)域的存在，導(dǎo)致實(shí)際沉淀池的水力停留時(shí)間比理想沉淀池所計(jì)算的時(shí)間少，所以沉淀池的沉淀效果達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，如圖5至圖7所示。

圖5 在V=0.019 m/s下的體積分?jǐn)?shù)云圖

圖6 在V=0.038 m/s下的污水體積分?jǐn)?shù)云圖

圖7 在V=0.057 m/s 下的污水體積分?jǐn)?shù)云圖

通過(guò)對(duì)污水體積率的分布圖及其云圖可以看出，水平擋板對(duì)沉淀池流場(chǎng)及處理效果有很重要的影響，水平擋板的位置對(duì)沉淀池的流場(chǎng)產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在擋板位置的設(shè)置會(huì)增加沉淀池內(nèi)部的回流區(qū)域，從而減小沉淀池的有效停留時(shí)間，降低沉淀池的沉降效果。

圖8 019 m/s高度方向的污水體積分?jǐn)?shù)

圖9 V=0.038 m/s高度方向的污水體積分?jǐn)?shù)

圖10 V=0.057 m/s高度方向污水體積分?jǐn)?shù)

去除率是判斷沉淀池運(yùn)行效果好壞最重要的參數(shù)，文中通過(guò)對(duì)出口懸浮物平均濃度的模擬計(jì)算，得到了沉淀池隨時(shí)間變化的去除率，如圖8至圖10所示。

式中：η為去除率，%；Cin為沉淀池進(jìn)口懸浮物濃度kg/m3；Cout為沉淀池出口處濃度kg/m3。

圖11 不同流量下的去除率與時(shí)間的關(guān)系

沉淀池從出泥開(kāi)始，去除率逐漸下降，且在相同時(shí)間間隔內(nèi)去除率下降的幅度越來(lái)越大。速度小的沉淀池的去除率要高于速度大的，去除率下降的原因是池底懸浮物濃度的增大，使水流在池內(nèi)的停留時(shí)間越來(lái)越短造成的，同時(shí)進(jìn)口速度小的流體在池內(nèi)流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以去除率會(huì)高于進(jìn)口速度大的沉淀池，如圖11所示。

4 結(jié) 論

文中對(duì)輻式沉淀池的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到了三種流量下的沉淀池的速度場(chǎng)，污水體積率的分布情況，通過(guò)分析其變化得到了一些結(jié)論與成果，現(xiàn)歸納如下：

(1)建立了描述沉淀池內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的三維湍流的k-ε雙層模型及計(jì)算方法。

(2)對(duì)所建立的輻式沉淀池的三維模型的流場(chǎng)，體積分?jǐn)?shù)，及去除率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示進(jìn)口速度小的去除率優(yōu)于進(jìn)口速度大的。

(3)水平擋板位置的設(shè)置對(duì)沉淀池的沉淀效果有較大的影響。

[1] P，Chatellier J M Cudic.A New Model for Wastewater Treatment Plant Clarifier Simulation[J]. Water Research， 2000.34(2):690-693.

[2] 范 晶，郜 瑩，肖 洋.哈爾濱市9種濕地植物在不同HRT下凈污效果研究[J].森林工程，2012，28(6)：22-24+27.

[3] 曾光明,葛衛(wèi)華,秦肖生，等.污水廠二維沉淀池水流和懸浮物運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2002,22(4):338-341.

[4] 曾光明,葛衛(wèi)華,秦肖生，等.數(shù)值模擬方法在二維沉淀優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程，2002,20(2):10-12.

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[6] 屈 強(qiáng),馬魯銘,王紅武，等.折流式沉淀池流態(tài)數(shù)值模擬[J].中國(guó)給水排水，2005,21(4):58-61.

[7] 張 莊.沉淀池沉淀效果的數(shù)值分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998,38(1):96-99.