張立成,楊敬林,易玉林

(1．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,長沙 410128；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,長沙 410007)

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旋流式沉沙池設(shè)計(jì)計(jì)算與模擬研究

張立成1,楊敬林1,易玉林2

(1．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,長沙 410128；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,長沙 410007)

旋流式沉沙池采用機(jī)械動力帶動旋槳在池中產(chǎn)生渦流，以渦流產(chǎn)生的離心力提高沉沙池除沙效率.現(xiàn)在有一種依靠水流的動能在圓形池中，水流不斷改變運(yùn)動方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)形成渦流的一種新型旋流式沉沙池.通過對該種旋流式沉沙池進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算得出水流量和沉沙池負(fù)荷量的關(guān)系式.再以Fluent軟件計(jì)算和模擬研究，得出了該種沉沙池所產(chǎn)生的旋渦位置并不是沉沙池中心位置，并分析出這種無動力旋流式沉沙池所形成渦流與水量是相關(guān).

旋流沉沙池；渦流；設(shè)計(jì)計(jì)算；模擬研究

0　前　言

沉沙池是一種將水中沙子沉淀下來的裝置，在工業(yè)凈化污水中應(yīng)用較多.己有研究表明沉沙池在機(jī)械動力帶動旋轉(zhuǎn)下沉沙效率較高[1-3].在農(nóng)田水利工程中有關(guān)沉沙池的沉沙效率研究不多.本文主要是從沉沙池的池中水深和水流流速及水中含沙量來進(jìn)行模擬研究.普通的條形沉沙池，含沙水流從水渠中流入沉沙池中，當(dāng)水流速度較小時(shí)，在池中流速更緩，沙粒由于自身的重力漸漸地下降最后沉入池底[4-6].若水流流速較大時(shí)，池中水流速度較快，因而部分沙石會隨水流的快速流動沖出沉沙池，沉沙效率不高.根據(jù)都江堰中的飛沙堰水流的沉沙原理可知，水在形成渦流時(shí)會使沙粒產(chǎn)生較大的離心力.沙粒在離心力作用下會沉在渦流的邊上.同時(shí)水流在流速較大時(shí)會將沙石帶走，在流速較慢時(shí)會沉積下來[7-10].根據(jù)此沉沙理論，通過Fluent軟件模擬改變?nèi)氤厮髁考昂沉縼頊y定沉沙池的沉沙效率.采用水力學(xué)及數(shù)理分析的方法探討出沙粒在不同水流量情況下沙粒運(yùn)動的軌跡方程及在不同含沙率情況下沙粒運(yùn)動的軌跡方程.

1　旋流式沉沙池設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1沉沙池有效水深

式中：h為沉沙池水深，Q為水流流量，t為水力停留時(shí)間，r為圓形沉沙池半徑.

如何控制好旋流沉沙池的流態(tài)和流速，加速沙粒的沉淀，成為旋流沉沙池設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的關(guān)鍵.

沉沙池設(shè)計(jì)的一般規(guī)定：

(1)q—沉沙池的表面負(fù)荷，取值范圍宜為130～200m3/(m2·h) ，設(shè)計(jì)取q=130m3/(m2·h).

(2)H—池深，一般采用1～2m.

(3)v—沉沙池進(jìn)渠水流流速，一般在0.4～1.0m/s；

(4)t—水力停留時(shí)間，設(shè)計(jì)取t=35s.

1.1.1沉沙池體積

旋流式沉沙池的計(jì)算公式：

V=πr2H

式中:V為沉沙池體積，m3;r為沉沙池的半徑m;H為池深，m，一般采用1～2m.

根據(jù)已知的設(shè)計(jì)流量和計(jì)算的結(jié)果校核沉沙池的水力表面負(fù)荷，確定體積是否滿足設(shè)計(jì)要求.

q=Q/(nA)

式中:q為沉沙池的表面負(fù)荷，宜為130～200m3/(m2·h)；Q為最大設(shè)計(jì)流量，m3/d；n為沉沙池個(gè)數(shù)；A為沉沙池的表面積，m2，A=πr2/4.

計(jì)算沉沙池的停留時(shí)間，將已知的設(shè)計(jì)流量與所得的體積代入式中確定所取結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求.

t=V/Q

1.1.2沉沙池進(jìn)水渠

v=Qmax/A

A=Bh

式中:v為沉沙池進(jìn)渠水流流速，m/s，一般在0.4～1.0m/s；A為進(jìn)水渠過流斷面面積，m2；Qmax為最大設(shè)計(jì)流量，m3/s;B為進(jìn)水渠寬度，m;h為進(jìn)水渠深度，m.

根據(jù)進(jìn)水渠的寬深校核流速是否滿足設(shè)計(jì)要求，出水渠的計(jì)算與進(jìn)水渠相同.

1.1.3沉沙池的沉沙量

V0=XQmaxT86400/106Kz

式中:X為污水沉沙量，一般采用30m3/106m3污水；T為清除沉沙的間隔時(shí)間(d)；Kz為含沙水流量總變化系數(shù).

2　建立旋流式沉沙池三維模型

模型大小尺寸底面半徑0.5m，池深0.8m.進(jìn)出口均沿池壁切線方向.將建好的三維圖劃分網(wǎng)格，要對流體進(jìn)行模擬分析，網(wǎng)格的劃分影響著計(jì)算的精確度.圖1是劃分好的網(wǎng)格圖.共劃分了25567個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn).圖2是經(jīng)200次計(jì)算后圖形的殘差曲線圖.

圖1　網(wǎng)格劃三維圖

網(wǎng)格劃分好后，采用固液兩相流方法去求求解計(jì)算.這里設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案為，不同流速影響下水流在沉沙池中的運(yùn)動狀態(tài)及沙粒的運(yùn)動狀態(tài).當(dāng)水流速度為1m/s，含沙率為10g/L時(shí).fluent模擬出的圖像和Fluent所分析出的結(jié)果圖.通過Fluent軟件分析出的水流態(tài)圖，可以看出圓形旋流式沉沙池，當(dāng)水流沿池壁切線方向流入和流出時(shí)，會形成一旋渦.這個(gè)旋渦是由于池的外形為圓形，水流在池中流動時(shí)不斷改變水流方向形成一個(gè)旋渦.一般都認(rèn)為旋流沉沙池的旋渦中心也是在圓形池的中心.

圖2　經(jīng)200次計(jì)算后圖形的殘差曲線圖

圖3 中的模擬結(jié)果表明，旋流沉沙池所形成的旋渦并不是在池的中心而是在中心偏出水口處.該水流態(tài)圖中不同的顏色表示水流速度，藍(lán)色表示水流速度慢，紅色表示水流速度快，(左邊數(shù)值是水流速度).

圖3　水流在池中的流態(tài)圖

3　調(diào)節(jié)池中水深沉沙池的流態(tài)圖

圖4、圖5、圖6分別為不同水深池內(nèi)的水流流態(tài)圖.隨著池中水的深度的下降，池內(nèi)水的流態(tài)也是不斷變化，并且旋渦狀態(tài)并不明顯.旋渦不明顯的原因是由于池中水深的下降池內(nèi)水流減緩，池中水相對比較平靜不能形成旋渦.旋流式沉沙池是依靠水在池中旋流所產(chǎn)生的離心力將沙粒集中在旋渦中心沉沙.池中水深和進(jìn)水渠的水流量相關(guān).當(dāng)水流量過小時(shí)達(dá)不到沉沙池正常運(yùn)行的工況，因而沉沙效率低.水流量過大就會從池子邊緣溢出.因此在設(shè)計(jì)旋流式沉沙池時(shí)要考慮池子進(jìn)出水流量大小.

圖4　池中水深為0.6 m時(shí)池內(nèi)的水流流態(tài)圖

圖5　池中水深為0.5 m時(shí)池內(nèi)的水流流態(tài)圖

圖6　池中水深為0.4 m時(shí)池內(nèi)的水流流態(tài)圖

4　池中沙粒軌跡

通過上述圖中比較出圖4池中水深為0.6m時(shí)所形成的旋渦較明顯.在池中水深為0.6m時(shí)沙粒的運(yùn)動軌跡是如何進(jìn)行的.再通過Fluent軟件進(jìn)一步分析.軟件模擬是采用粒徑規(guī)格統(tǒng)一的0.1mm沙粒，含沙量在10g/L進(jìn)行數(shù)值模擬.

圖7　沙粒的粒徑運(yùn)動軌跡圖

圖7中的線條為沙粒的粒徑運(yùn)動軌跡，該沙粒的運(yùn)動軌跡近似于圓形，圓心和沉沙渦流圓心相近.線條中的不同顏色表示池中沙粒在該位置出現(xiàn)的頻率.沙粒在池中旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷地在做圓周運(yùn)動.從圖7中線條的顏色來看，沙粒在渦流中心和池壁之間運(yùn)動頻繁.沙粒在隨水流做旋流運(yùn)動時(shí)因受到離心力的作用不斷的在向渦流中心靠攏.所以池壁出現(xiàn)的頻率較低，而運(yùn)到渦流中心時(shí)沙粒的速度減慢至靜止?fàn)顟B(tài)，沉淀在渦流中心.因此渦流中心出現(xiàn)沙粒運(yùn)動軌跡較低.從圖中還可觀察出旋流沉沙出水口仍然有沙粒運(yùn)動軌跡圖，說明還是有沙粒從沉沙池中隨水流流出.旋流式沉沙池的沉沙效率也不能夠達(dá)到完全將沙粒除掉，只能在一定程度上提高沉沙效率，使流出池中水含沙量達(dá)到一種用水合格標(biāo)準(zhǔn).比方說灌溉用水是允許有一定的含沙量，但含沙量不能超過0.05%.

5　結(jié)　論

旋流沉沙池因池中流態(tài)復(fù)雜池中沙粒因顆粒小無法進(jìn)行示蹤分析，采用模擬試驗(yàn)研究比較困難.Fluent軟件是基于離散化的計(jì)算方法，利用電子計(jì)算機(jī)對流體相對不同固體邊界的內(nèi)外流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析.先簡要分析了旋流式沉沙池的設(shè)計(jì)和計(jì)算.得出旋流式沉沙池的大小與水流量是相關(guān)公式.再用Fluent軟件模擬時(shí)得出了兩個(gè)重要結(jié)論，一是旋流沉沙在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的旋渦并不是沉沙池中心而是在沉沙池水流出口附近偏向沉沙池中心的位置.關(guān)于旋流式沉沙池所形成的旋渦中心的具體位置有待進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn).二是旋流式沉沙在無外界機(jī)械動力下形成旋渦還與池中水深相關(guān).實(shí)質(zhì)上與水流量相關(guān)，通過前面的設(shè)計(jì)計(jì)算中已經(jīng)找出池中水深和水流量的計(jì)算公式.模擬中所設(shè)計(jì)池子的參數(shù)中池子半徑為0.5m時(shí)池深0.8m，池是水深0.6m時(shí)池子所產(chǎn)生的旋渦最明顯.

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StudyonCalculationandSimulationofCyclonicSettlingBasin

ZHANGLi-cheng1,YANGJing-lin1,YIYu-lin2

(1.CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China；2.TheResearchofSurveyandDesignofWaterConservancyandHydropowerofHunanProvince，Changsha41007，China)

Atpresent,thecyclonedesiltingbasinusesmechanicalpowertodrivethepropellervortexinthepool.Toimprovetheefficiencyofsandsettlingbasin,anewtypeofvortexdesiltingbasinappearsrelyingonthekineticenergyofwatertoflowincircularpoolwatertoconstantlychangethedirectionandproducerotatingvortex.Designandcalculationofwaterflowaredone,andtherelationshipbetweenthewaterflowandthesettlingbasinloadthroughthecyclonedesiltingbasinisachieved.ResearchoncalculationandsimulationwithFluentsoftwareisalsodone.Theresultshowsthatthiskindofdesiltingbasingeneratedbythevortexpositionisnotthecentralpositionofdesiltingbasin,andtheeddycurrentsformedbytheunpoweredcyclonedesiltingbasinandtheamountofwateriscorrelated.

cyclonedesiltingbasin;eddycurrent;designcalculation;simulationstudy

2015-09-18

張立成(1987-)，男，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)水利.

TV673

A

1671-119X(2016)01-0086-04