唐永東

(合肥工大建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009)

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HAC高效澄清池內(nèi)擋板安裝高度的研究分析

唐永東

(合肥工大建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009)

利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)HAC高效澄清池內(nèi)擋板安裝高度進(jìn)行研究，選取速度、速度矢量與跡線作為分析指標(biāo)，分析研究澄清池內(nèi)流場(chǎng)的水力特性，解決設(shè)計(jì)澄清池時(shí)面臨的缺乏理論依據(jù)等問題。

水力自控(HAC)；高效澄清池；擋板；安裝高度；數(shù)值模擬

0 引 言

水力自控(Hydraulic Automatic Control，簡(jiǎn)稱HAC)工藝中的高效澄清池是由江蘇省泰興市睿濟(jì)科技有限公司聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等高校水處理科研團(tuán)隊(duì)研究出的一種新型澄清池，集微渦旋絮凝、高體積濃度接觸絮凝、小循環(huán)回流活性泥渣結(jié)團(tuán)絮凝以及斜管沉淀于一體，其高效澄清池結(jié)構(gòu)如圖1所示。澄清池工藝流程為：原水經(jīng)由漸變管進(jìn)入澄清池底部的預(yù)沉室，再流入高效容積網(wǎng)格絮凝室，已經(jīng)形成規(guī)模尺度的絮粒從第二絮凝室下部均勻進(jìn)入高體積濃度活性泥渣懸浮區(qū)。在泥渣懸浮區(qū)安置擋板，使擋板周圍發(fā)生吸附絮凝與接觸絮凝，同時(shí)沉淀顆粒沿?fù)醢寤胂虏磕嘣鼭饪s區(qū)[1]。經(jīng)過斜管沉淀裝置處理后的半成品清水通過集水系統(tǒng)收集后進(jìn)入集水總渠，輸送至高效重力均粒濾池。

圖1 澄清池結(jié)構(gòu)示意圖

在泥渣懸浮區(qū)增設(shè)斜板(擋板)，可以提高澄清池的抗沖擊負(fù)荷，使新進(jìn)入懸浮區(qū)的絮粒迅速沉淀，并平穩(wěn)進(jìn)入泥渣濃縮區(qū)。目前擋板及其安裝高度對(duì)澄清效果的影響方式并不清楚，其設(shè)計(jì)參數(shù)也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

本文在1 000 m3/d規(guī)模的澄清池中，將擋板安裝角度設(shè)置為50°，模擬擋板安裝高度變化對(duì)澄清池流態(tài)的影響，并結(jié)合配水區(qū)平均上升流速分析，提出合理的擋板安裝高度設(shè)計(jì)參考值，為工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 擋板高度選擇

由圖1可見，取擋板下端距排泥斗上端距離為直壁高度，擋板上端至斜管裝置底部距離為配水區(qū)高度。HAC高效澄清池為新型池型，文獻(xiàn)[2]推薦傳統(tǒng)懸浮澄清池的懸浮層高度為2.00～2.50 m(其中直壁高度不小于0.60 m)，配水區(qū)上升流速一般為1.00～2.50 mm/s，取值范圍太大導(dǎo)致設(shè)計(jì)值更多依賴經(jīng)驗(yàn)。在對(duì)傳統(tǒng)澄清池進(jìn)行改造時(shí)，文獻(xiàn)[3]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦斜管下端距進(jìn)水口不小于1.00 m以使配水均勻，但該值僅僅依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)。

擋板安裝參數(shù)見表1所列，表中H1～H6為不同擋板安裝高度的代號(hào)。

表1 擋板安裝參數(shù) m

2 模型建立及邊界條件設(shè)置

擋板安裝高度主要對(duì)沉淀區(qū)產(chǎn)生影響，故只建立沉淀區(qū)在不同擋板安裝高度下的物理模型，并選用Standardk-ε模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件與Simple算法[4-5]，設(shè)置邊界條件[6]，其進(jìn)口速度為0.039 5 m/s，出口為自由出流，湍流強(qiáng)度為4.86%，特征長度為0.35 m。

3 結(jié)果分析

為便于繪圖，截取X=0時(shí)的沉淀區(qū)左半部剖面作為工作面，選取速度矢量、跡線、紊動(dòng)動(dòng)能與紊流粘性系數(shù)作為分析指標(biāo)[7]。

3.1 紊動(dòng)動(dòng)能與紊流粘性系數(shù)分析

紊動(dòng)動(dòng)能與紊流粘性系數(shù)是表征紊流強(qiáng)度的指標(biāo)，研究分析沉淀區(qū)的紊動(dòng)動(dòng)能與紊流粘性系數(shù)，能更好地了解沉淀區(qū)的紊流條件[8]。

(1) 紊動(dòng)動(dòng)能比較。如圖2所示，擋板安裝高度的變化對(duì)紊動(dòng)動(dòng)能分布有一定影響。隨著擋板安裝高度的增加，沉淀區(qū)右上部的紊動(dòng)動(dòng)能值在減少，這說明沉淀區(qū)的紊動(dòng)強(qiáng)度隨著擋板安裝高度的增加在逐漸減小。其重要原因是隨著高度增加，越來越多的水流經(jīng)由擋板左側(cè)通道到達(dá)澄清池出口，使沉淀區(qū)右上部出現(xiàn)一定程度的短流，紊動(dòng)強(qiáng)度自然會(huì)下降[9]。

圖2 H1～H6安裝高度下的紊動(dòng)動(dòng)能等值線圖

比較擋板左側(cè)與右側(cè)通道可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)通道處的紊動(dòng)動(dòng)能比右側(cè)通道紊動(dòng)動(dòng)能大，這是因?yàn)檫M(jìn)入沉淀區(qū)的水大多經(jīng)由擋板與左側(cè)池壁處的通道進(jìn)入沉淀區(qū)上部區(qū)域，再從澄清池出口流出池外。而沉淀區(qū)上部區(qū)域沒有大范圍的渦旋，僅有少量水流從擋板與右側(cè)池壁的通道進(jìn)入沉淀區(qū)底部，這種水流分配結(jié)果導(dǎo)致?lián)醢遄髠?cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度高，而右側(cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度低。H6安裝高度下的擋板與右側(cè)池壁通道的紊動(dòng)動(dòng)能值相對(duì)較高，這并不是因?yàn)橛懈嗨鲝某恋韰^(qū)上部經(jīng)由該通道流入下部所引起。從H6安裝高度下的跡線圖看，幾乎沒有水流經(jīng)由通道流入下部，紊動(dòng)動(dòng)能的少許增加是因?yàn)镠6安裝高度下，擋板下部區(qū)域的渦旋范圍更大，由于下部渦旋作用范圍接近該通道，引起通道處的紊動(dòng)動(dòng)能有少許增加。

(2) 紊流粘性系數(shù)比較。如圖3所示，其結(jié)論基本與紊動(dòng)動(dòng)能云圖中得出的結(jié)論一致，而在紊流粘性系數(shù)云圖中，更能明顯地看到沉淀區(qū)左側(cè)的高紊流粘性系數(shù)分布帶，這一帶的紊流粘性系數(shù)較大，紊動(dòng)較強(qiáng)烈。

圖3 H1～H6安裝高度下的紊流粘性系數(shù)云圖

3.2 流場(chǎng)跡線圖分析

如圖4、圖5所示，擋板的不同安裝高度，不僅改變整個(gè)沉淀區(qū)的流速分布，而且在沉淀區(qū)下部產(chǎn)生渦旋，經(jīng)擋板整流以后，在沉淀區(qū)的上部渦旋較少，流速分布較好。但是，不同安裝高度下，擋板上部區(qū)域流場(chǎng)跡線也不盡相同。

圖4 不同安裝高度下的速度矢量圖

圖5 不同安裝高度下的跡線圖

由圖5還可看出，水流經(jīng)入口進(jìn)入沉淀區(qū)后，會(huì)沿著澄清池外側(cè)壁到達(dá)澄清池出水口，形成一定程度的短流。隨著擋板安裝高度的增加，越來越多的水流沿左側(cè)池壁直接到達(dá)出水口，使沉淀區(qū)右上部區(qū)域的短流情況更嚴(yán)重[10]。而在H1～H4的安裝高度下，擋板的整流作用使水流能夠較均勻地分布在擋板上部區(qū)域；H5、H6安裝高度下的擋板整流效果較差。因此，應(yīng)該選擇較低的安裝高度，減小水流短流的影響。

在H1～H4安裝高度下的跡線圖中，有部分水流經(jīng)由擋板右側(cè)通道從沉淀區(qū)上部進(jìn)入到沉淀區(qū)的下部，這有利于泥渣在上下區(qū)的流動(dòng)交換，使接觸絮凝的效果更好。而在H5、H6安裝高度下的跡線圖中，沒有發(fā)現(xiàn)這樣的交換情況。

在流場(chǎng)跡線圖中，擋板下部均形成了一個(gè)大范圍的渦旋，影響到整個(gè)斜板下部區(qū)域。大渦旋使沿?fù)醢寤逻M(jìn)入懸浮區(qū)的沉淀顆粒、懸浮區(qū)原有的大顆粒與新進(jìn)入該區(qū)的絮粒迅速碰撞，同時(shí)進(jìn)行吸附絮凝、接觸絮凝與沉淀過程[11]。直壁高度越低，渦旋越靠近擋板下部區(qū)域的左上角，其影響范圍越小，擋板的消能作用?。恢北诟叨仍酱?，渦旋越靠近擋板下部的中心區(qū)域，其影響范圍也越大，但擋板的消能作用不能充分發(fā)揮。

在擋板上部，直壁高度較小時(shí)同樣會(huì)形成渦旋，且隨著直壁高度的增加，渦旋中心逐漸脫離擋板，向斜板上部的中心區(qū)域移動(dòng)，并且渦旋強(qiáng)度逐漸減小，在H6圖中消失。

綜上所述，當(dāng)擋板設(shè)置的直壁高度為0.80～1.10 m時(shí)，沉淀區(qū)流態(tài)更為合理。

4 結(jié)束語

沉淀區(qū)擋板安裝高度的變化，對(duì)流態(tài)影響非常大；直壁高度、配水區(qū)高度可分別作為控制擋板下部、上部水力條件的設(shè)計(jì)參數(shù)。從數(shù)值模擬結(jié)果看，直壁高度主要控制擋板下部直壁區(qū)域水力條件，而配水區(qū)高度則是衡量擋板頂端至斜管裝置底部之間配水區(qū)的重要指標(biāo)。直壁高度小，擋板下部紊動(dòng)強(qiáng)度大，但是渦旋范圍小；直壁高度大，擋板下部渦旋范圍擴(kuò)大，但是紊動(dòng)強(qiáng)度降低，兩者效果都不理想。當(dāng)直壁高度為0.80～1.10 m時(shí)，流體紊動(dòng)強(qiáng)度與渦旋影響范圍能夠達(dá)到最好的平衡狀態(tài)，從而使泥渣懸浮區(qū)的接觸絮凝效果最好。配水區(qū)高度小于1.40 m時(shí)，配水區(qū)上升流速較大；而當(dāng)配水區(qū)高度超過2.00 m時(shí)，高度增加而流速減小的幅度非常小，即此時(shí)再增加高度，效果并不理想。所以，當(dāng)配水區(qū)高度為1.40～2.00 m時(shí)，配水區(qū)的上升流速最為合理。

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遺失聲明

安徽省路港工程有限責(zé)任公司許在旺同志的安全生產(chǎn)考核合格證書遺失。證書編號(hào)：皖建安B(2010)0068267。特此聲明作廢。

安徽省路港工程有限責(zé)任公司楊萬東同志的安全生產(chǎn)考核合格證書遺失。證書編號(hào)：皖建安C(2009)0020561。特此聲明作廢。

安徽省路港工程有限責(zé)任公司姚安軍同志的安全生產(chǎn)考核合格證書遺失。證書編號(hào)：皖建安C(2010)0103237。特此聲明作廢。

2016年4月1日

安徽振風(fēng)建設(shè)有限公司建筑業(yè)企業(yè)資質(zhì)證書(正本)遺失。證書編號(hào)：A2014034082603。特此聲明作廢。

2016年4月7日

2016-04-29

唐永東(1964-)，男，安徽肥東人，合肥工大建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司工程師．

X703.1

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1673-5781(2016)03-0349-03