陶　赟　繆昊君　許金天　劉　琦（東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

高新技術

新型翼片式斜板沉淀池的數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

陶赟繆昊君許金天劉琦
（東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

本文介紹了一種新型的翼片式斜板沉淀池的工作狀態(tài)，使用固液兩相流方法通過Fluent模擬，并設置含沙量為變量，模擬了在含沙量80kg/m3和140kg/m3時沉淀池中泥沙濃度隨時間的變化，結果 表明含沙量較小時有更好的泥沙去除效率。并觀測了速度模擬結果，其表明泥沙在翼片間呈環(huán)流，泥水在斜板末端呈異向流分離。

翼片式斜板；Fluent模擬；橫向環(huán)流

我國的經濟發(fā)展日新月異，70年代后主要是斜管、斜板及復合型沉淀池，但是去除效率低。2006年之后執(zhí)行的《城市污水處理廠污染物排放標準》1 級A排放標準中的濁度（SS）由原來的30mg/L提高到10mg/L，其他行業(yè)標準也隨之提高。因此，對傳統(tǒng)沉淀工藝的技術改良，提高沉淀效率迫在眉睫。為了研究顆粒物在斜板內的沉降過程及沉淀池的沉淀效率，本文采用計算機數(shù)值模擬的方法加以驗證。

1 實驗裝置與方法

1.1 物理模型

本試驗裝置由斜板和翼片構成，其中斜板豎向排布，如圖2所示。其結構參數(shù)包括沉淀池長a、沉淀池寬b、沉淀池高c、兩斜板之間間距d、上斜板與墻面距離e，斜板的長度g、斜板的寬度h，斜板與X方向的傾角α、斜板與Y方向的傾角β。本試驗裝置采用上層進水，下層出水的方式，實體裝置底端還將增加一個排泥斗。

圖1　

圖2表示翼片式斜板的工作原理。廢水從兩斜板之間的間隙流入，經過翼片作用后流入下一組斜板，翼片與斜板之間是主流區(qū)，從主流區(qū)進入翼片口為渦流區(qū)，翼片內為環(huán)流區(qū)。環(huán)流區(qū)流速緩慢，接近于層流狀態(tài)，有利于顆粒沉降，而且絮凝體顆粒在環(huán)流離心力的作用下也會邊沉降邊甩向翼片和斜板。另一方面，由于渦流區(qū)的存在，渦流中的絮凝顆粒旋轉前進，部分被前面翼片阻擋在環(huán)流區(qū)，其余被后面翼片擋入環(huán)流區(qū)沉降。

圖2

1.2 實驗方法

沉淀池的原理是利用固體顆粒的自然沉降達到去除效果，本試驗采用液固兩相流模型。因兩相流的流動現(xiàn)象復雜，影響因素多樣，主要通過數(shù)值模擬、實驗研究和數(shù)據處理三方面研究兩相流。課題分別采用軟件Gambit和Fluent兩款軟件建立物理模型和分析模型。

1.3 實驗參數(shù)

設計模擬水量0.5L/min，斜板長g=105cm，寬h=42cm，斜板與X方向的傾角α=30°，斜板與Y方向的傾角β=60°，兩斜板之間間距d=9.5cm，上斜板與墻面距離e=2.5cm。

顆粒粒徑小于0.05mm的占88.7%，小于0.01mm的占38.3%，小于0.0053mm的占14.3%，小于0.0015mm的占7.3%。由Table 1所示，中值粒徑D50=0.025mm。

模擬實驗分為兩組，以含沙量為變量，分別為80kg/m3和140kg/m3，對應體積分數(shù)分別為5.0%和8.3%。

圖3

2 實驗結果與討論

2.1 濃度變化

進出水口及斜板底邊濃度隨時間變化：

根據圖4，圖5數(shù)據表示，泥沙不會在斜板處淤積。底部的濃度數(shù)據變化顯示，砂體積分數(shù)越大，沉降速率越快，但當體積分數(shù)5%時，沉降濃度與初始濃度比值1.26，而8.3%時比值只有1.125，有所下降。

2.2 速度分析

待沉淀池模型流態(tài)穩(wěn)定后：

圖4

圖5

根據圖6，圖7，得到5%砂體積分數(shù)下的x與y方向泥沙速度矢量圖，其中可以看出泥沙顆粒在沿斜板流動的過程中，Vx max=0.0384m/s，Vy max=0.10m/s。x方向上的最大流速產生于主流區(qū)（層流區(qū)），而y方向上則產生于湍流區(qū)。這表明清水流帶著泥沙大致沿斜板均勻向下流動，同時在翼片間形成向下流動的橫向環(huán)流，當運動到斜板末端時，清水流高速逆向折入下層斜板，泥沙滑落至泥沙通道做垂直向下運動，形成順時針垂向異重流。

圖8，圖9表示了砂體積分數(shù)為8% 時x與y方向的泥沙流速。與5%的時候相比，泥沙因受重力影響，流速更快，Vx max=0.029m/s，Vy max=0.96m/s。

2.3 實驗結論

本文通過分析沉淀工藝的基本理論，提出一種新的沉淀池池型，即在斜板沉淀池的基礎上加設翼片構成新型翼片式斜板沉淀池。

（1）該池型充分利用了斜板的“淺層沉淀”特性，并運用了渦流的特性，去除效率有所提高。利用 Fluent 商業(yè)軟件對新型翼片式斜板沉淀池進行液固兩相流數(shù)值模擬，采用固液二相流模型，得到與數(shù)值模擬一致的結果。

（2）實驗以含沙量為變量，比較了不同含砂量條件下的沉淀情況，直觀地分析斜板沉淀池內的沉淀規(guī)律，相較于普通的斜板沉淀池，新型翼片式斜板沉淀池加快了顆粒物的沉降，縮短了沉降路徑。

（3）限于自己對二相流和湍流的認識還遠遠不足，混合液中顆粒受力復雜，模擬過程中部分參數(shù)設定有待進一步研究。

圖6 x方向泥沙流速

圖7 y方向泥沙流速

圖8 x方向泥沙流速

圖9 y方向泥沙流速

[1]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]秦麗華.沉淀工藝的研究進展[J].山西建筑，36（14）.

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