趙 仝，陳玉英，王 佳，沈 浩，史成波，滕 峰

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430000)

作為現(xiàn)代城鎮(zhèn)生活必不可少的組成設(shè)施，城市污水處理廠對于環(huán)境資源合理配置、城市生態(tài)有效改善，以及“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著不可替代的作用。相比于地上污水處理廠的地上面積占用、環(huán)境美化需求等方面的問題[1]，越來越多的地下污水處理廠走入人們的視野[2]。因其尾水與地表存在一定高差，地下污水廠設(shè)置尾水提升泵成為必需，但如果尾水水流不能在多臺并聯(lián)尾水泵間合理配置，不但會增大系統(tǒng)壓損，還會導(dǎo)致水泵液擊、汽蝕等的發(fā)生，合理設(shè)置導(dǎo)流墻能夠有效減輕此類現(xiàn)象的發(fā)生。

文獻(xiàn)[3]利用模型試驗(yàn)的方法對某水電站溢洪渠道非對稱進(jìn)口導(dǎo)流墻的設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果顯示，優(yōu)化方案在溢洪渠道水力特征改善方面的作用顯著，不僅對溢洪渠道的設(shè)計(jì)施工具有較高借鑒意義，還可有力支撐溢洪渠道引渠段復(fù)雜流場的分析。文獻(xiàn)[4]采用CFD數(shù)值模擬分析二級泵房吸水井不同高度液位對吸水效果的影響，以期得到最低運(yùn)行液位的判定依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，以及有效降低最低運(yùn)行液位的設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[6—8]采用不同計(jì)算軟件對各類工程實(shí)際問題做各方面計(jì)算。結(jié)果表明：引入湍流黏度進(jìn)行數(shù)值模擬可更準(zhǔn)確的快速模擬分析該類問題，采用導(dǎo)流墻措施可有效解決水泵噪聲、震動等問題。

合理設(shè)置導(dǎo)流裝置可有效減緩因并聯(lián)提升水泵間液體分配不均導(dǎo)致的液擊和汽蝕，以及系統(tǒng)壓損增大等問題，而運(yùn)用CFD技術(shù)輔助地下污水廠尾流提升導(dǎo)流墻的合理設(shè)置省時省力，但相應(yīng)參考亟需填補(bǔ)。本文以陳江街道辦二號污水處理廠尾水提升泵房為例，利用Fluent軟件對其合理布局及導(dǎo)流墻設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化分析，為相似問題的解決提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于廣東省惠州市仲愷高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)陳江街道辦內(nèi)，服務(wù)范圍包括惠州仲愷潼僑工業(yè)片區(qū)、科技金融新區(qū)及部分潼僑中心區(qū)及部分LED產(chǎn)業(yè)園片區(qū)等區(qū)域。污水處理廠區(qū)總規(guī)模100000m3/d，總用地面積約3.1公頃，采用全埋地下式“粗細(xì)格柵+膜格柵+曝氣沉砂池+AAO+MBR+紫外線消毒”處理，廠區(qū)出水水質(zhì)按地表準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其中總氮出水指標(biāo)上限為15mg/L。

尾水泵房模型如圖1所示，污水處理廠尾水提升泵房為鋼混結(jié)構(gòu)，模型結(jié)構(gòu)尺寸為25.9m×11.0m×8.1m(長×寬×高)。泵房內(nèi)設(shè)5臺軸流潛水泵(四用一備)，單臺流量、揚(yáng)程和功率分別為1360m3/h、7mH2O和45kW。

2 數(shù)值模擬

為了得到不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流墻設(shè)計(jì)方案影響尾水提升泵性能的作用，本文使用CFD技術(shù)對泵房污水流場流速分布、壓力分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬及分析。

2.1 物理模型

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，本文首先利用revit軟件建立了水泵房的物理模型(圖1)，通過revit軟件中的附加模塊導(dǎo)入CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分等一列工作。

圖1 尾水泵房模型

2.2 數(shù)值方程及邊界條件

數(shù)值方程包括連續(xù)性方程、動量方程以及RNGk-ε模型方程，并通過修正湍流粘度考慮水流的旋流流動，同時提高直角彎頭大曲率情況下的計(jì)算精度。其中k和ε的輸運(yùn)方程分別為：

(1)

(2)

式中，ρ—流體密度，kg/m3；GK—平均速度梯度引起的湍流動能的產(chǎn)生；Gb—由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM—可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻(xiàn)；αK和αε—K和ε有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；SK和Sε—定義源項(xiàng)。以上數(shù)值模型壓力為相對壓力，進(jìn)口采取速度進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。通過設(shè)置迭代殘差10-6作為收斂判據(jù)。

2.3 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

采用ANAYS軟件中的MESH工具對尾水泵房模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，速度及壓力梯度較大局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，區(qū)域網(wǎng)格系統(tǒng)既存在正四面體，亦存在正六面體網(wǎng)格。雖然密集網(wǎng)格有利于改善計(jì)算精度，但需占用較多計(jì)算機(jī)資源。本文利用多套網(wǎng)格對網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了考核，考核結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過比較，本文最終選擇150萬網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值計(jì)算分析。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

3 結(jié)果與分析

對于流場的判定，速度矢量圖最為直觀，經(jīng)過模擬得到速度矢量圖，如圖3所示。從圖3(a)—(b)中可以看出，在不加設(shè)導(dǎo)流墻時，水泵出口水流相互影響，污水流動紊亂，容易誘發(fā)單臺泵附底渦或者附壁渦，也容易造成其他水泵空化的風(fēng)險。而污水流動速度過快，容易使其相互撞擊，增加水泵軸承的負(fù)荷和結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而影響水泵運(yùn)行壽命。而在加裝較短的導(dǎo)流墻時，如圖3(c)—(d)所示，其污水在水泵出水口經(jīng)導(dǎo)流墻導(dǎo)流，流動較為平穩(wěn)，且污水水流出水均勻水泵之間相互影響減弱，水泵可以較安全平穩(wěn)運(yùn)行。在加裝長導(dǎo)流墻之后，如圖3(e)—(h)所示，各水泵進(jìn)、出水流速均勻，平穩(wěn)，且水泵可安全運(yùn)行無噪聲、震動等現(xiàn)象。

圖3 速度矢量圖

本文分別對不同高度的無導(dǎo)流墻設(shè)置和1.8、3.5m及4.1m長度導(dǎo)流墻作用水泵出口變化流速和尾水池不同高度壓力情況行了計(jì)算分析，其結(jié)果如圖4—5所示。圖4可以看出，在未加裝導(dǎo)流墻的情況下，水流流動紊亂，速較快。而在加裝導(dǎo)流墻之后，水泵流速相較于未加裝導(dǎo)流墻的流速減緩，其出水更加平穩(wěn)，且隨著導(dǎo)流墻高度的增加，污水離開水泵后流速逐漸減小。當(dāng)導(dǎo)流墻達(dá)到一定高度時(3.5m)，其平緩尾水池流速及改善水泵的作用趨緩。

圖4 不同導(dǎo)流墻長度流速變化曲線

從圖5可以得知，在高度0.5m之下，因水泵吸水做功，故其呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)污水離開水泵之后，其在管道內(nèi)水壓逐漸上升。在不加裝導(dǎo)流墻的前提之下，前期污水流動壓力增長平緩，后期因水流紊亂導(dǎo)致其壓力變化略大，不利于尾水泵房正常工作。而在加裝導(dǎo)流墻之后，后期壓力增加較為平緩，隨著導(dǎo)流墻長度的提升，其壓力較無導(dǎo)流墻情況下增長有所延緩。

圖5 不同導(dǎo)流墻長度壓力變化曲線

相比之下，安裝1.8m高度的導(dǎo)流墻之后，仍不能完全解決水泵出水產(chǎn)生的一系列問題；安裝3.5m導(dǎo)流墻之后對于氣旋、氣蝕現(xiàn)象有明顯改善；安裝4.1m高度導(dǎo)流墻與3.5m高度導(dǎo)流墻效果相類似。故最終決定選取安裝3.5m高度導(dǎo)流墻。

4 結(jié)語

隨著各類數(shù)值工具的發(fā)展，對水利設(shè)施進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化已經(jīng)成為水利工程一個不可缺少的環(huán)節(jié)。對水工設(shè)備的優(yōu)化不僅限于其運(yùn)行狀況，更發(fā)展到導(dǎo)流墻等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。在本文數(shù)值計(jì)算研究中，分別對尾水泵房導(dǎo)流墻設(shè)置了3種不同高度的導(dǎo)流墻，最終結(jié)果如下：

(1)加設(shè)一定高度和長度的導(dǎo)流墻后，水流分布較為均勻，水泵之間影響減弱，其改善尾水池流場分布及水泵工作的效果隨導(dǎo)流墻高度和長度的增加，先顯著、后平緩。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果，該項(xiàng)目采用推薦3.5m導(dǎo)流墻高度，運(yùn)行一段時間后反饋，漩渦、汽蝕現(xiàn)象明顯改善，并滿足出水水質(zhì)要求。