劉宏偉

合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司 安徽 合肥 230009

前言

輻流式沉淀池是水處理系統(tǒng)中重要的處理構(gòu)筑物，廣泛應(yīng)用于大中型水廠，其工作性能直接決定著出水水質(zhì)的好壞。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的方法研究輻流式沉淀池內(nèi)部的流場(chǎng)水力特性，進(jìn)而通過(guò)對(duì)輻流式沉淀池內(nèi)部構(gòu)造的合理設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化沉淀池的水力條件[1-2]。這些研究主要涉及了輻流式沉淀池進(jìn)水擋板位置、進(jìn)水擋板淹沒(méi)水深、浮渣擋板、集水槽布置形式和位置等對(duì)輻流式沉淀池沉淀效果的影響，而對(duì)過(guò)水孔洞的研究則沒(méi)有涉及，在實(shí)際工程運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)輻流式沉淀池沉淀效果與其配水井過(guò)水孔洞的形狀關(guān)系較大，我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)中均未對(duì)輻流式沉淀池過(guò)水孔洞形狀提出明確的規(guī)定，因此本研究以輻流式沉淀池為研究對(duì)象，通過(guò)改變過(guò)水孔洞形狀，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)流態(tài)進(jìn)行分析研究，以?xún)?yōu)化沉淀池的水力條件。

1 模型的建立

以安徽省蕪湖市某水廠中輻流式沉淀池為原型，進(jìn)水采用中心管淹沒(méi)式潛孔進(jìn)水，單池處理能力為1225m3/h，沉淀時(shí)間為1.5h，池體直徑為28m，有效水深為3m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及要求，結(jié)合工程實(shí)際中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，本研究中配水井過(guò)水孔洞的形狀分別設(shè)計(jì)為正三角形、長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形、圓形。輻流式沉淀池的池體屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算機(jī)處理量，將其簡(jiǎn)化為一半進(jìn)行模擬計(jì)算，由于本研究只考慮輻流式沉淀池內(nèi)部的水流運(yùn)動(dòng)，因此未考慮污泥斗部分，模型中未建立。

圖1 輻流式沉淀池的數(shù)值模擬模型

模型結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 邊界條件及模擬分析方法

2.1 邊界條件

根據(jù)輻流式沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)水中心管流速大于0.4m/s，模擬時(shí)，輻流式沉淀池水流進(jìn)口條件為速度進(jìn)口，速度大小為0.433m/s；出口邊界條件為自由出口；水面為自由界面，沒(méi)有剪切和滑移速度，池底和邊壁為固體壁面，壁面上流速為0，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.2 模擬方法

輻流式沉淀池內(nèi)部流場(chǎng)主要為紊流形態(tài)，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行模擬。該模型基于湍動(dòng)能k方程引入一個(gè)湍動(dòng)耗散率，是由k方程、ε方程和Kolmogorov-Prandtl表達(dá)式共同構(gòu)成的一種完整的湍流模型，在工程實(shí)際應(yīng)用中較為成熟，可以充分反映輻流式沉淀池內(nèi)部的紊流特性。

2.3 數(shù)值求解方法

模擬中運(yùn)用有限體積法進(jìn)行離散方程；速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)采用PISO算法進(jìn)行計(jì)算。假定初始時(shí)刻沉淀池內(nèi)懸浮物濃度為零，采用出水?dāng)嗝娴膽腋∥矬w積分?jǐn)?shù)作為判斷沉淀池沉淀效果依據(jù)。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 過(guò)水孔洞形狀對(duì)沉淀池內(nèi)速度流場(chǎng)的影響

①當(dāng)過(guò)水孔洞的形狀不同時(shí)，沉淀池內(nèi)污水流速并沒(méi)有較大差別。②當(dāng)過(guò)水孔洞形狀為正方形、正六邊形、圓形時(shí)，流體在沉淀池內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，懸浮顆粒沉淀時(shí)間較長(zhǎng)，池體容積利用率相對(duì)較高；過(guò)水孔洞形狀為正三角形、長(zhǎng)方形時(shí)，流體在池體內(nèi)停留時(shí)間較短，池體內(nèi)部回流區(qū)較大，池體容積利用率較低。

3.2 過(guò)水孔洞形狀對(duì)出水效果的影響

表1 不同過(guò)水孔洞形狀懸浮物去除率結(jié)果

①當(dāng)過(guò)水孔洞形狀分別為正三角形、長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形、圓形時(shí)，沉淀池內(nèi)懸浮物去除率會(huì)逐漸增大；②從表1中可以得出，孔洞形狀由正三角形到圓形，孔洞的水力半徑是逐漸增大的，造成池體內(nèi)液體湍流強(qiáng)度的減小，從而越有利于懸浮物的沉淀，使得沉淀池的沉淀效果越好，這與3.1章節(jié)分析結(jié)果相吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)過(guò)水孔洞的五種形狀不同輻流式沉淀池的數(shù)值模擬，分析其流場(chǎng)以及懸浮物的去除率可知：當(dāng)過(guò)水孔洞形狀為正方形、正六邊形、圓形時(shí)，池體容積利用率較大，懸浮物去除率較高；過(guò)水孔洞形狀為正三角形、長(zhǎng)方形時(shí)，池體容積利用率較小，懸浮物去除率較低。該研究從計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的角度分析了不同過(guò)水孔洞形狀的輻流式沉淀池內(nèi)部流態(tài)，為研究輻流式沉池內(nèi)部的流場(chǎng)流態(tài)特性提供了一種可行、有效的方法，所得到的結(jié)論對(duì)于輻流式沉淀的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義和工程實(shí)用價(jià)值。