白庭河 楊曉霖

（1.中國(guó)石油蘭州石化公司；2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

通過(guò)分析調(diào)研我國(guó)目前工業(yè)企業(yè)技術(shù)狀況可知，傳統(tǒng)水處理廠沉淀池池底的淤泥是在放空沉淀池中的水后，利用機(jī)械設(shè)備或人工挖出的方式清除的。 這種清除方法需中斷沉淀池的運(yùn)行，且費(fèi)用較高［1～5］。

為此，筆者提出了一套新型的沉淀池清污技術(shù)， 基本思路是在沉淀池池底布設(shè)射流噴嘴，攪動(dòng)池底的淤泥后，利用泥漿泵將高濃度的泥砂從池底抽出，送入過(guò)濾罐分離泥砂與水分，這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)并降低了清污成本。 清污系統(tǒng)的核心部分是噴嘴和吸收管，系統(tǒng)工作時(shí)一方面要求淤泥在池底能被充分?jǐn)噭?dòng)，使淤泥能被吸收管抽走；另一方面要求攪動(dòng)不能過(guò)大，以免影響到上層水質(zhì)。 因而，精確控制噴嘴和吸收管的參數(shù)是系統(tǒng)能否高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 水系統(tǒng)懸浮物清除系統(tǒng)

針對(duì)水系統(tǒng)的懸浮物性質(zhì)，充分考慮懸浮物的黏著性、沉降速率、密度和流動(dòng)性對(duì)懸浮物流體力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)清理噴掃器、懸浮物吸收管等關(guān)鍵設(shè)備，其流體力學(xué)性能必須滿足以下4個(gè)方面的要求： 保證懸浮物清除系統(tǒng)的流體力學(xué)特性能夠滿足高效率清除的原則；保證開(kāi)發(fā)的懸浮物清除系統(tǒng)在線運(yùn)行過(guò)程中確保對(duì)水系統(tǒng)的出水水質(zhì)不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生非常微小的影響；保證能夠清除干凈工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)所含的懸浮物， 而不會(huì)有大量的水通過(guò)清除系統(tǒng)增加其負(fù)荷，降低懸浮物清除的效率；要考慮懸浮物流動(dòng)過(guò)程中所需要的最小水量要求，使懸浮物在清除系統(tǒng)流動(dòng)通暢， 不會(huì)出現(xiàn)懸浮物沉積堵塞的情況。

1.2 水清污系統(tǒng)工藝流程

如圖1所示， 新型沉淀池清污系統(tǒng)由射流噴嘴、吸收管、泥漿泵過(guò)濾罐及附屬管線組成。 清污系統(tǒng)需要在實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的同時(shí)使懸浮物能被充分?jǐn)噭?dòng)，又不會(huì)因攪動(dòng)能過(guò)大而影響最上層主流場(chǎng)的流動(dòng)特性和水質(zhì)。 因此，精確計(jì)算噴嘴、吸收管的各部分運(yùn)行參數(shù)是該清污系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，水清污系統(tǒng)及其核心部件的工藝流程圖分別如圖1a、b所示。

圖1 水清污系統(tǒng)工藝流程圖

流體力學(xué)中判斷流動(dòng)是層流還是湍流，需計(jì)算雷諾數(shù)是否超過(guò)了臨界雷諾數(shù)。 對(duì)于射流流場(chǎng)，目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為Re≤30時(shí)的射流流場(chǎng)是比較理想化、平緩的層流流場(chǎng)。 雷諾數(shù)Re計(jì)算公式如下：

式中 L——流場(chǎng)特征長(zhǎng)度；

V——截面的平均速度；

ν——黏度系數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水箱、射流管、吸收管、流體輸送及測(cè)量系統(tǒng)組成。 具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)零部件基本參數(shù)

水系統(tǒng)中所含懸浮物物理性能參數(shù)如下：

粒徑D 0.085～0.095 μm

體積濃度 20～40 mg/L

密度ρ 950 kg/m3

pH值 7～9

數(shù)值模擬根據(jù)具體情況在上述范圍內(nèi)取值，保證盡可能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

本研究使用ProE進(jìn)行實(shí)體建模，并采用ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格如圖2、3所示。 總計(jì)劃分565萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查。 為研究射流器和吸收管之間所形成流場(chǎng)的準(zhǔn)確性和對(duì)周?chē)鲌?chǎng)的影響，按清污系統(tǒng)不同的運(yùn)行工況選擇運(yùn)行范圍， 數(shù)值計(jì)算條件與PIV流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)條件一致。在CFD計(jì)算模型系統(tǒng)中，x軸方向與噴咀噴射方向一致。

圖2 單個(gè)射流器內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格圖

圖3 多個(gè)射流器外部流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格圖

2.2 邊界條件及控制方程

入口處采用速度進(jìn)口邊界條件［2～4］；出口處采用自然出流（outflow）邊界條件［3，4］。

以固液兩相流為介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)， 根據(jù)具體情況選用歐拉湍流模型中的分散湍流模型［5］，其中，控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算［6］，相關(guān)系 數(shù) 取 值 為Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。 在保證計(jì)算精度的前提下盡可能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)流項(xiàng)的離散采用一階迎風(fēng)格式，耗散項(xiàng)采用中心差分格式， 設(shè)定收斂精度為10-5；壓強(qiáng)-速度方程的迭代求解采用SIMPLE算法。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用流體動(dòng)力學(xué)方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）進(jìn)行數(shù)值模擬，得出循環(huán)水池水平面和豎直面上的速度分布如圖4a、b所示。 由圖4b可看出，水池沿垂直于池底從頂面到底面流動(dòng)的污水出現(xiàn)了流動(dòng)分層，最上層為層流，中下層為紊流及湍流。

圖4 水平面和豎直面上的速度分布

射流吹掃器所產(chǎn)生的流場(chǎng)渦旋沿射流方向，從射流吹掃器出口到對(duì)應(yīng)的吸管吸口之間距離的2/3處出現(xiàn)流場(chǎng)波峰，說(shuō)明懸浮物清掃系統(tǒng)的射流吹掃器對(duì)此波峰之上的系統(tǒng)沒(méi)有影響，完全滿足污泥清掃系統(tǒng)在線運(yùn)行過(guò)程中對(duì)出水不造成影響的要求。

該流體介質(zhì)以兩相流為介質(zhì)進(jìn)行模擬，固體顆粒的密度大于水的密度，所以下層一般為沉淀的混合液體，而上層為清水，滿足循環(huán)用水的需求， 中下層正是利用了噴管和吸管相互作用，清理出了沉淀液，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行處理，通過(guò)這樣循環(huán)系統(tǒng)的工作達(dá)到了循環(huán)清污的目的。

3 PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

3.1 PIV測(cè)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由離子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Imaging Velocimetry，PIV）測(cè)速系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分組成（圖5）。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

PIV測(cè)速系統(tǒng)由光路成像系統(tǒng)、 圖像記錄系統(tǒng)和數(shù)字圖像分析顯示系統(tǒng)幾個(gè)子系統(tǒng)組成［7］。

光路成像系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)中采用2臺(tái)YAG激光器，激光器工作頻率為15～200 Hz，激光波長(zhǎng)532 nm，激光束直徑5 mm，脈沖寬度3.5 ns。 每個(gè)脈沖最大能量為200 mJ，2臺(tái)激光器脈沖時(shí)間間隔的調(diào)整范圍均為200～0.1 ns，可以滿足其從低速到高速流動(dòng)的測(cè)量要求。

圖像記錄系統(tǒng)。 CCD的分辨率為2048×2048像素，采集速度為7.5 幀/s，結(jié)合了跨幀技術(shù)和數(shù)據(jù)矩陣快速傳輸技術(shù)。 CCD的2次曝光時(shí)間分別為250、125 μs。 實(shí)驗(yàn)采用1個(gè)球面鏡和1個(gè)柱面鏡組成的光學(xué)組件，將激光變?yōu)樗枰钠狻?在CCD的采集區(qū)域內(nèi)， 片光源的厚度約為1.0 mm，采集區(qū)域大小約為300 mm×300 mm。

數(shù)字圖像分析顯示系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)中PIV測(cè)速系統(tǒng)的控制和圖像分析由Insight6.0軟件實(shí)現(xiàn)，其工作平臺(tái)是Windows NT。

3.2 PIV測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了保證驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中模擬沉淀池的水箱尺寸和數(shù)值模擬的尺寸一致，沿長(zhǎng)度方向的兩個(gè)側(cè)面和底面使用玻璃材料， 用于PIV測(cè)速［8，9］。 寬度方向的兩個(gè)側(cè)面采用鋼板，便于進(jìn)出水管的焊接固定。 同樣，噴射管與吸收管均采用與數(shù)值模擬時(shí)相同的參數(shù)［10，11］。 吸收孔與噴嘴安裝在同一水平面上，管中心線距池底距離為200 mm。

3.3 示蹤粒子的選擇

實(shí)際條件下，懸浮物由直徑大小不等的顆粒組成。 根據(jù)工業(yè)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，懸浮物的粒徑主要集中在80～100 μm。 分析水中顆粒的受力可知，顆粒受到流體力（包括摩擦力及壓差阻力）FD和重力mg兩個(gè)作用力。

流體力FD可由下式計(jì)算：

其中，A為顆粒的迎風(fēng)面積，ρ為流體密度，V為顆粒速度，CD為阻力系數(shù)，是Re的函數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)Re＞1000后可視為CD與Re無(wú)關(guān)， 本實(shí)驗(yàn)滿足雷諾數(shù)大于1 000的條件。

考慮到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯繎腋∥镱w粒在水中的速度分布狀態(tài)，故根據(jù)相似理論的動(dòng)力學(xué)相似原則確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)，保證實(shí)驗(yàn)中示蹤粒子的受力等于實(shí)際條件下顆粒的受力。

設(shè)懸浮物顆粒在實(shí)際流體中的流體阻力為FD，示蹤粒子在實(shí)驗(yàn)流體中的流體阻力為FD′。 由流阻計(jì)算式（2）可推得：

其中，rs、ri分別為懸浮物顆粒半徑與示蹤粒子半徑；ρfs、ρfi分別為實(shí)際流體密度與實(shí)驗(yàn)流體密度。

設(shè)懸浮物顆粒重量為Mg， 示蹤粒子重量為mg。若要滿足懸浮物顆粒重量與示蹤粒子重量相等的條件，則顆粒密度與半徑應(yīng)滿足：

其中，ρps、ρpi分別為懸浮物顆粒密度與示蹤粒子密度。

聯(lián)立式（3）、（4），可得到密度條件的滿足式：

式（5）反映了顆粒密度與流體密度之間的關(guān)系。 由于實(shí)驗(yàn)中不易保證懸浮物密度與示蹤粒子的密度相等，因此采用改變流體密度的方式以滿足式（5）。

3.4 單噴嘴作用下射流流場(chǎng)及渦量場(chǎng)

圖6為單噴嘴作用下射流流場(chǎng)， 從圖中可看出，流體自噴嘴噴出后以約25°的角度擴(kuò)散開(kāi)。 這個(gè)角度與噴嘴的混合管相同，流體的縱向速度遠(yuǎn)小于軸向速度。 這一測(cè)量結(jié)果與水下淹沒(méi)射流的研究結(jié)論一致，在水下淹沒(méi)射流中射流邊界基本上為一直線。

圖6 單噴嘴作用下射流流場(chǎng)

以Re=40000為例，從圖7可看出，以約2 m/s的速度從噴嘴噴出的流體速度很快上升到最大約8 m/s后開(kāi)始下降。 速度下降過(guò)程分為兩個(gè)階段，在距離噴嘴0.05～0.10 m的范圍內(nèi)為快速下降過(guò)程，隨后進(jìn)入速度平穩(wěn)下降的階段。 當(dāng)距離噴嘴0.50 m時(shí)軸線上流體的速度約為0.3 m/s。 而當(dāng)Re=12000時(shí)，在距離噴嘴0.25 m處軸線上流體速度接近0.1 m/s。

圖7 噴嘴在不同雷諾數(shù)下軸向速度分布圖

將3條曲線自0.10～0.50 m區(qū)間的數(shù)據(jù)類(lèi)比于水下淹沒(méi)射流軸向速度公式回歸可得：

式中 u0——噴口出流速度；

um——軸向速度。

從圖8可看出， 離噴嘴距離越遠(yuǎn)流速下降得越快，當(dāng)Re=12000時(shí)，噴嘴軸線上（即z=0）速度為0.55 m/s， 而當(dāng)距離噴嘴中心1.0 m的深度 （即z=1.0 m）時(shí)，水流速度衰減為0.09 m/s。 受到池底壁面的影響，水流不再呈現(xiàn)出軸對(duì)稱的形式。 當(dāng)水深位于1.0 m以上的區(qū)域時(shí)，流速小于0.10 m/s。

圖8 在x=0.6 m處，不同Re下沿深度z方向速度分布

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變噴嘴和吸收口的數(shù)量、安裝相對(duì)位置的方式來(lái)改變噴嘴及吸收口各自之間的相對(duì)位置。 實(shí)驗(yàn)測(cè)定了1個(gè)射流吹掃器對(duì)應(yīng)兩個(gè)吸口之間的流場(chǎng)分布、3個(gè)射流吹掃器對(duì)應(yīng)6個(gè)吸口的流場(chǎng)分布、12個(gè)射流吹掃器對(duì)應(yīng)24個(gè)吸口的流場(chǎng)分布，從而確定最佳的噴嘴與噴嘴之間的距離為200 mm。

3.5 12個(gè)噴嘴作用下射流流場(chǎng)及渦量場(chǎng)

從PIV測(cè)試結(jié)果看，3種工況下的流場(chǎng)分布比較類(lèi)似，文中僅給出12個(gè)射流吹掃器對(duì)應(yīng)24個(gè)吸口的流場(chǎng)分布，如圖9所示。

圖9 水平分布位置云圖和速度云圖

當(dāng)噴射口流速為2.2 m/s、吸入口流速為1.3 m/s時(shí)，噴嘴水平面處的渦量云圖與速度矢量圖如圖10所示。 可以看出，射流吹掃器的水平平面內(nèi)各射流吹掃器與射流吹掃器之間的擾動(dòng)和射流吹掃器之間的距離準(zhǔn)確性。 結(jié)合圖9、10可以得出，全部射流吹掃器所產(chǎn)生的流場(chǎng)渦旋相互連接，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中每個(gè)射流吹掃器之間在水平平面沒(méi)有間隙，滿足懸浮物清掃系統(tǒng)將懸浮物攪起沿射流方向流動(dòng)的要求。

圖10 垂直渦旋云圖

由數(shù)值模擬的圖4和PIV流場(chǎng)測(cè)試的圖9、10可以得出，全系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中射流吹掃器所產(chǎn)生的流場(chǎng)沿射流方向，從射流吹掃器出口到對(duì)應(yīng)的吸管吸口之間距離的2/3處出現(xiàn)流場(chǎng)波峰，射流吹掃器所產(chǎn)生的流場(chǎng)與射流吹掃器CFD流場(chǎng)模擬一致，進(jìn)一步說(shuō)明懸浮物清掃系統(tǒng)的各射流吹掃器所產(chǎn)生的流場(chǎng)之間沒(méi)有擾動(dòng)，且全系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中懸浮物清掃系統(tǒng)的射流吹掃器對(duì)系統(tǒng)的影響范圍在垂直平面內(nèi)有高度限制，完全滿足懸浮物清掃系統(tǒng)在線運(yùn)行過(guò)程之中對(duì)出水水質(zhì)不會(huì)造成影響的要求。

4 實(shí)例

某煉油化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的平流式隔油池屬平流式沉淀池的一種， 其主要目的是隔油，針對(duì)水停留時(shí)間短，沉淀作用不突出和因生產(chǎn)要求每年清理一次， 大約一間隔油池每年排泥60 t的問(wèn)題，將在此實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)排污量占過(guò)濾總量的百分比改為隔油池的進(jìn)水量與過(guò)濾量之比較為合理。 目前，隔油池的進(jìn)水量為450 m3/h，實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)濾量為80 m3/h，進(jìn)、出水濁度分別是90、60 mg/L，懸浮物去除率在25%左右，污泥污水池的濁度由88 mg/L降至7 mg/L，污泥清掃系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)達(dá)到了非常理想的結(jié)果。 圖11所示為隔油池排泥實(shí)驗(yàn)記錄懸浮物去除率和濁度。

圖11 隔油池懸浮物去除率和濁度

5 結(jié)束語(yǔ)

由于本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線清掃，從而循環(huán)水系統(tǒng)的懸浮物清除可以在工業(yè)生產(chǎn)不停止運(yùn)行的情況下進(jìn)行操作。 在此系統(tǒng)運(yùn)行工況下，當(dāng)選取懸浮物吸收管的個(gè)數(shù)為清泥噴掃器個(gè)數(shù)的一倍、噴嘴間距為200 mm時(shí)，噴嘴的攪動(dòng)作用最佳，使得沉淀池中的流體產(chǎn)生分層，然后通過(guò)過(guò)濾器后最終達(dá)到了清污的目的。 此時(shí)，射流吹掃器所產(chǎn)生的流場(chǎng)渦旋沿射流方向，在射流吹掃器出口到對(duì)應(yīng)的吸管吸口之間距離的2/3處出現(xiàn)流場(chǎng)波峰，保證了沉淀池上層有一定高度的清水，滿足了工業(yè)循環(huán)用水的需求。