蘇生會(huì) 伍悅濱 賴(lài)參森

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

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基于實(shí)驗(yàn)和模擬方法對(duì)隔板絮凝池流場(chǎng)的研究

蘇生會(huì)1伍悅濱2賴(lài)參森1

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

運(yùn)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)和數(shù)值模擬方法，對(duì)往復(fù)式隔板絮凝池的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，從流場(chǎng)的水力特性角度解釋了往復(fù)式隔板絮凝池?zé)o效能量消耗大、絮凝效率低的根本原因。

往復(fù)式隔板絮凝池，PIV實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬，能量耗散

絮凝是給水處理過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)機(jī)械或水力作用，促使水中已脫穩(wěn)的膠體顆粒碰撞聚集，形成大而密實(shí)的絮體，進(jìn)而在之后的處理單元中沉淀去除，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[1]。往復(fù)式隔板絮凝池就是通過(guò)水流在其廊道中往復(fù)流動(dòng)促使膠體顆粒不斷碰撞聚集的一種給水絮凝工藝，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工、管理方便，在水量變化較小時(shí)能夠可靠保證處理效果，因此廣泛應(yīng)用于大、中型水廠。其缺點(diǎn)是水力條件不理想，無(wú)效能量消耗過(guò)多，進(jìn)而導(dǎo)致池容積大，絮凝時(shí)間長(zhǎng)[2]。本文運(yùn)用PIV實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)往復(fù)式隔板絮凝池的流場(chǎng)進(jìn)行了研究分析，探究造成其絮凝效率低下的原因，進(jìn)而為實(shí)際工程應(yīng)用和新工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

1)往復(fù)式隔板絮凝池實(shí)驗(yàn)臺(tái)。往復(fù)式隔板絮凝池實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)是以某實(shí)際工程的池體尺寸為依據(jù)，根據(jù)弗勞德相似準(zhǔn)則，以1∶10的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，同時(shí)考慮到實(shí)際工程中的往復(fù)式隔板絮凝池廊道較多，而對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究只需要保證絮凝階段的完整即可，因此實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比實(shí)際工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，每個(gè)絮凝階段只設(shè)置兩個(gè)廊道。實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)1.50 m，寬0.81 m，高0.28 m，分為四個(gè)絮凝階段，每階段廊道寬度分別為6 cm，8 cm，10 cm和13 cm，其具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

往復(fù)式隔板絮凝池的運(yùn)行采用水循環(huán)系統(tǒng)，其流程為水泵將低位水箱中的水提升流入高位水箱，在重力作用下，水從高位水箱中流出進(jìn)入往復(fù)式隔板絮凝池的廊道中往復(fù)流動(dòng)，達(dá)到溢流水位后溢流入平流沉淀池，最后流回低位水箱。實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的流程如圖2所示。

2)粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)。粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)PIV)是通過(guò)探測(cè)流場(chǎng)中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而得到整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3]，其不需要測(cè)量設(shè)備與流場(chǎng)直接接觸就可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，特別適合廊道狹窄，渦旋運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的流場(chǎng)測(cè)量，而往復(fù)式隔板絮凝池正是屬于這種類(lèi)型[4]。因此，本文采用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)對(duì)往復(fù)式隔板絮凝池的流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

往復(fù)式隔板絮凝池工藝的原理就是依靠廊道的轉(zhuǎn)彎使得水流擾動(dòng)，從而促進(jìn)膠體顆粒的碰撞聚集，因此本實(shí)驗(yàn)將針對(duì)廊道轉(zhuǎn)彎處的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置的擺放如圖3所示，將CCD相機(jī)架設(shè)在往復(fù)式隔板絮凝池廊道轉(zhuǎn)彎處正上方，激光發(fā)射頭與模型和CCD相機(jī)成90°擺放。

通過(guò)閥門(mén)和流量計(jì)控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程在1.7 L/s的流量下進(jìn)行，測(cè)量斷面選取模型垂直方向的中心位置，即水深h=0.13 m處。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖4和圖5所示為廊道轉(zhuǎn)彎處流場(chǎng)的PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比速度矢量圖和速度云圖可以看到，在廊道轉(zhuǎn)彎處，水流方向發(fā)生了180°的急劇變化，在慣性和離心力的作用下，水流在轉(zhuǎn)彎后會(huì)主要集中在廊道外側(cè)通過(guò)，實(shí)際上相當(dāng)于減小了過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，從而使得轉(zhuǎn)彎后廊道外側(cè)流速顯著增大、水流擾動(dòng)劇烈，而內(nèi)側(cè)由于偏離了水流主流方向而流速很低，在水流主流帶動(dòng)下進(jìn)行低流速的渦旋運(yùn)動(dòng)，形成了“回流區(qū)”?！盎亓鲄^(qū)”消耗了水流能量，但在其中的絮體顆粒會(huì)由于流速過(guò)低而很快沉降，難以跟隨水流進(jìn)入后續(xù)的沉淀處理單元，從而造成了能量的無(wú)效消耗。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對(duì)往復(fù)式隔板絮凝池的PIV實(shí)驗(yàn)只能夠得到流場(chǎng)的速度數(shù)據(jù)，無(wú)法得到流場(chǎng)在能量上的數(shù)據(jù)，而數(shù)值模擬方法恰好解決了這一問(wèn)題[5]，因此，本文使用ANSYS系列軟件對(duì)往復(fù)式隔板絮凝池流場(chǎng)進(jìn)行了CFD模擬。

2.1 建立模型

使用ANSYS ICEM CFD軟件建立往復(fù)式隔板絮凝池的物理模型，為方便與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，幾何模型尺寸與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化六面體進(jìn)行劃分，建立往復(fù)式隔板絮凝池模擬計(jì)算的網(wǎng)格模型。

2.2 初始條件設(shè)定

初始條件的設(shè)定如表1所示。

表1 初始條件設(shè)定表

2.3 模型驗(yàn)證

選取與實(shí)驗(yàn)測(cè)量斷面相同的某一特征位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)而根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，分析往復(fù)式隔板絮凝池流場(chǎng)的能量消耗情況。

如圖6所示為數(shù)值模擬和PIV實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比情況，從圖6中可以看到，往復(fù)式隔板絮凝池流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與PIV實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫奈呛?，從而?yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度，為進(jìn)一步利用數(shù)值模擬方法分析往復(fù)式隔板絮凝池流場(chǎng)特性提供了有力支撐和可靠依據(jù)。

2.4 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬計(jì)算得到的往復(fù)式隔板絮凝池流場(chǎng)的湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε能夠表征流場(chǎng)在能量耗散上的分布情況，如圖7所示為往復(fù)式隔板絮凝池流場(chǎng)的湍動(dòng)能及湍動(dòng)耗散率分布，從圖7中可以看到，水流在往復(fù)式隔板絮凝池中流動(dòng)的能量消耗主要就位于廊道轉(zhuǎn)彎后的一段區(qū)域內(nèi)，而在之后水流逐漸趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生的能量消耗很小。而對(duì)于絮凝過(guò)程來(lái)說(shuō)，流場(chǎng)能量耗散過(guò)大或過(guò)小都不利于絮體的形成，過(guò)大容易造成已形成的絮體在強(qiáng)烈的水力作用下破碎，過(guò)小則由于水流擾動(dòng)不夠而難以促進(jìn)膠體顆粒的碰撞聚集。因此，由圖7可以看到往復(fù)式隔板絮凝池在廊道轉(zhuǎn)彎后的前半段廊道能量消耗過(guò)大，易造成絮體的破碎，而在廊道后半段流場(chǎng)的能量消耗又過(guò)小，不足以提供膠體顆粒碰撞聚集的動(dòng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

1)利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)往復(fù)式隔板絮凝池廊道轉(zhuǎn)彎處流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，準(zhǔn)確地獲得了絮凝池廊道頭部的水流結(jié)構(gòu)特征。由PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，往復(fù)式隔板絮凝池的結(jié)構(gòu)使得水流方向在轉(zhuǎn)彎處發(fā)生了180°的急劇變化，雖然這種結(jié)構(gòu)促進(jìn)了水流的擾動(dòng)，能夠在一定程度上促進(jìn)膠體顆粒的碰撞聚集，但也會(huì)由于過(guò)于劇烈的水力作用使得已形成的大的絮體破碎，尤其是對(duì)于絮凝后期已形成了大的絮凝顆粒。同時(shí)，廊道轉(zhuǎn)彎處所形成的“回流區(qū)”也會(huì)消耗很多能量，而這些能量消耗中有很大一部分的能量并沒(méi)有對(duì)絮凝產(chǎn)生作用，這就是往復(fù)式隔板絮凝池水力條件差，無(wú)效能量消耗大的根本原因。

2)CFD計(jì)算結(jié)果與PIV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度高，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性。進(jìn)而利用數(shù)值模擬方法研究了往復(fù)式隔板絮凝池能量耗散的分布情況，結(jié)果顯示廊道前段能量消耗過(guò)大，而后段能量消耗又過(guò)小，從而從能量角度上解釋了往復(fù)式隔板絮凝池絮凝效率低下的原因，對(duì)未來(lái)的工程設(shè)計(jì)和新工藝研發(fā)具有重要的參考價(jià)值。

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[2] 嚴(yán)煦世,范瑾初.給水工程[M].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 吳龍華，唐洪武，嚴(yán)忠民，等.DPIV技術(shù)在絮凝池流場(chǎng)特性研究中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(1)：38-41.

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On baffled flocculation tank’s flow field based on experiment and simulation method

Su Shenghui1Wu Yuebin2Lai Cansen1

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignInstitute,Tianjin300051,China;2.CollegeofMunicipalEnvironmentalEngineeringCollege,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

The paper adopts the particle image velocimetry technique and numeric simulation method to research the flow field of baffled flocculation tank, by analyzing the experimental results and numerical simulation results, interprets the reasons for the large energetic consumption and low flocculation efficiency of the tank from the hydraulic features of the flow field.

baffled flocculation tank, PIV test, numeric simulation, energy consumption

1009-6825(2016)20-0123-02

2016-05-08

蘇生會(huì)(1989- )，男，助理工程師

TU991.2

A