（市政工程专业论文）基于CFD的水电工程砂石废水旋流沉砂池的优化设计.pdf

中文摘要 旋流沉砂池是水电工程砂石废水处理工艺中一个很重要的构筑物，但是在长 期的实际运用过程中发现，由于旋流沉砂池存在着严重的排泥设旌堵塞、损坏， 及产生的沉渣难于处理等问题，使得砂石废水处理系统常因堵塞或淤死而停用， 由此给砂石废水处理带来很大的困难。 本文基于计算流体力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 对旋流沉砂池 进行了数值模拟，为提高旋流沉砂池的处理能力及优化旋流沉砂池的设计提供有 效的理论依据。 本文分别采用欧拉拉格朗日模型和欧拉欧拉模型建立了旋流沉砂池内固 液两相流动的数学模型，旋流沉砂池计算过程中采用了滑移网格技术。 首先结合小试实验，对一级处理旋流沉砂池内两相流流场，悬浮物浓度分布， 颗粒运动轨迹进行了三维数值模拟，小试实验的核心思想是“颗粒分级去除”， 即两级旋流沉砂池串联工艺，其主要目的是既提高颗粒的去除率，又便于沉渣的 处理。其中第一级的目的是去除砂石废水中易于处理的粗颗粒，结果表明：一级 旋流沉砂池在l0 5 r a p m i n 转速工况时，出水中基本不含粒径大于5 0l am 的粗颗 粒砂石，粗颗粒基本被分离出来：在实验范围内，一级旋流沉砂的去除效率随着 桨叶转速的增加而逐渐降低，模拟的到得七种转速工况下去除效率分别为 4 0 2 8 ，2 9 5 6 ，2 3 7 5 ，2 0 8 2 ，18 5 ，1 7 2 9 ，1 5 2 6 ，并通过与试验结 果对比分析，验证了模拟结果的可靠性。 其次运用建立的模型对瀑布沟实际工程进行了模拟，采用小试试验分级处理 的思想，将原有沉砂池作为第一级旋流沉砂池，对沉砂池中桨叶转速和桨叶位置 进行了优化，结果表明：当桨叶转速r = 1 0 5 r a p r a i n ，桨叶位置z = 5 9 2 m m 时，能 有效地去除砂石废水中的粗颗粒，旋流沉砂池能达到最佳的分离效果。 理 关键词：旋流沉砂池计算流体力学砂石废水滑移网格方法分级处 a b s t r a c t g r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o wi su s e dt os e p a r a t ec o a r s es e d i m e n tp a r t i c l e s f r o mt h es a n d s t o n ew a s t e w a t e r , r e d u c et h ed o s a g eo ff l o c c u l a n t ，a n dm a k et h e t r e a t m e n to ft h es e d i m e n te a s i l y h o w e v e r , i np r a c t i c e ，t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t s y s t e ma l w a y sc a nn o to p e r a t ew e l ld u et ob l o c k i n gp r o b l e m i nt h i sp a p e lt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o ni sa p p l i e df o r g r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o wi ns a n d s t o n ew a s t e w a t e r , a n di tc a np r o v i d ee f f e c t i v e i n f o r m a t i o nt oo p t i m a ld e s i g na n dt r e a t m e n to fg r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o w i nt h ep a p e r ，e u l e r i a n - l a g r a n g i a nm u l t i p h a s em o d e la n de u l e r i a n e u l e r i a n m u l t i - p h a s em o d e la r eu s e dt os e t 叩t h et u r b u l e n tm o d e lo ft h eg r i tc h a m b e rw i t h r o t a t i o n a lf l o w a r b i t r a r ys l i d i n gi n t e r f a c em e t h o di sa d o p t e d f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h es m a l l s c a l ee x p e r i m e n t ，at h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tt oe x p l a i nt h e f l o wi ng r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o wi n s a n d s t o n ew a s t e w a t e r , t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e ds o l i d s ，a n dp a r t i c l e t r a j e c t o r i e si nt h eg r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o wi sa n a l y z e d t h ec o r ei d e ao f e x p e r i m e n t a ls m a l l s c a l et e s ti s “s e d i m e n td i s p o s a lb yg r a d e ”t h a ti st w os t a g es e r i e s t h e yc a ni m p r o v et h et h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs a n d s t o n ew a s t e w a t e ra n db ee a s yt o d i s p o s es e d i m e n to f s a n d s t o n ew a s t e w a t e r t h ef i r s ts e r i e si st or e m o v ec o a r s ep a r t i c l ew h i c ha r ee a s yt ot r e a t m e n ti n s a n d s t o n ew a s t e w a t e r , t h er e s u l t ss h o wt h a tc o a r s ep a r t i c l e sw i t ht h ep a r t i c l es i z e e x c e e d5 0umd on o te x i s ti nt h ee f f l u e n t ；b a s e do ne x p e r i m e n t a lt e s t ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yr e d u c e sw h i l et h er o t a t i o n a ls p e e di n c r e a s i n g t h er e m o v a le f f i c i e n c y r e a c h e st o4 0 2 8 ，2 9 5 6 ，2 3 7 5 ，2 0 8 2 ，1 8 5 ，1 7 2 9 ，1 5 2 6 u n d e rs e v e n d i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e dc o n d i t i o n s g o o da g r e e m e n ti so b t a i n e db e t w e e nt h e s i m u l a t e dr e s u l t sa n dt h es m a l l - s c a l ee x p e r i m e n t s e c o n d l y , t h ep u b u g o uh y d r o p o w e re n g i n e e r i n gi so p t i m i z e d ，c o m b i n e dw i t ht h e r o t a t i o n a ls p e e da n dl o c a t i o no fb l a d eo fg r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o w t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eg r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o wc a l ls e p a r a t ep a r t i c l e sw e l lw h e nt h e g r i tc h a m b e rr o t a t i o n a ls p e e di s10 5 r a p m i na n dt h eb l a d eh e i g h ti s5 9 2 m m ，t h ec o a r s e p a r t i c l ei ns a n d s t o n ew a s t e w a t e ri sr e m o v e d k e yw o r d s g r i tc h a m b e rw i t hr o t a t i o n a lf l o w , c f d ，s a n d s t o n ew a s t e w a t e r , a r b i t r a r ys l i d i n gi n t e r f a c em e t h o d ，s e d i m e n td i s p o s a lb yg r a d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 箱 签字同期：肋。9 年i f 7 月2 同 学位论文版权使用授权书 夺学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 磊武 签字r 期：2 护。罗年多月2 日 导师签名： 签字日期：加碍年6 月易r 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 水电工程施工需要大量的砂石骨料，骨料加工过程中会产生大量的生产废 水，该砂石废水是水电工程施工期主要的水体污染源，虽然该废水中污染物组分 单一，但浓度极高，悬浮固体浓度可达7 0 0 0 0 m g l 以_ l i ，远远超过污水综合 排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 第二类污染物最高允许排放浓度标准，如不加处理直 接排入水体，势必造成严重环境污染，如破坏鱼类等水生生物的生活环境，影响 下游水质，同时还会造成河道淤塞，河床抬高，降低防洪标准。我国目前水电工 程建设年需砂石料1 5 亿t ，按每生产i t 成品骨料耗水2 m 3 计，每年仅用于生产砂 石料一项就得耗用3 0 亿m 3 以上的水，同时产生1 8 3 6 亿m 3 的泥沙水【2 】。因此， 从砂石废水的水质和产生的水量上来看，砂石加工废水的处置是工程建设中不可 回避的现实问题。 目前砂石废水的处理一般采用自然沉淀法和絮凝沉淀法。自然沉淀法是废水 在沉淀池中自然沉淀，处理流程简单，基建技术要求不高，运行操作简单且运行 费用低，但是，要达到较好的处理效果，就必须要修建规模很大的沉淀池，限制 了它的使用。絮凝沉淀法运用较多，絮凝沉淀法的工艺流程是“废水一沉砂池一 絮凝反应池一达标出水回用或排放的处理流程”，废水经沉砂池把粗砂去除后， 进入沉淀池，并在沉淀池中投加絮凝剂，此种方法占地小，整个处理工艺效果好。 其中沉砂池部分目的主要去除粒径较大的粗颗粒，减轻后续泥渣处置的难度，减 少了絮凝剂的投加量，其中沉砂池部分一般选用占地面积省，除砂效果好，运行 可靠的旋流沉砂池。可见，旋流沉砂池在水电工程砂石废水处理工艺中占有重要 的地位。 影响旋流沉砂池分离性能的重要问题之一是：如何通过控制搅拌桨叶的转速 来控制流态与流速，达到最佳颗粒分级处理效果。目前对水力旋流器的研究仍然 以物理样机试验为主，由于物理样机试验成本效率低，而且试验结果不具有通用 性，随着计算机技术的发展，尽管计算方法并不能取代实验测试，但目前对于实 验测试的依赖已显著降低了，应用数值模拟的方法来解决此类问题已具有较大的 应用前景。 第一。章绪论 1 2 计算流体力学( c f d ) 概述 自从1 6 8 7 年牛顿定律公布以来，直到2 0 世纪七十年代初，研究流体力学的 主要方法有两种：一种是实验研究；另一种是理论分析方法，利用简化的流动模 型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程1 3 】。实验研究在方法和技术迅速发 展的同时，受到了实验费用、场地、安全等方面的限制；理论分析方法对研究复 杂线性流体运动规律远远不够，不能够满足2 0 世纪五十年代开始高速发展起来 的近代科学技术的要求。在这种情况下，研究流体力学的第三种重要的方法一计 算流体力学诞生了。 计算流体力学( c f d ) 是2 0 世纪6 0 年代起伴随计算机技术迅速崛起的跨及 流体力学、偏微分方程数值理论、数值分析和计算机科学等多种领域的交叉技术， 它以计算机为桥梁，在实际工程中把基本理论、模型实验和装置设计三者有机地 结合起来，开辟了用理论直接指导实验和设计工作的新途径。 计算流体力学是从实际流动现象出发，以质量守恒、动量守恒、能量守恒定 律为基础，直接建立满足流体运动规律的连续介质数学模型，采用数值计算方法， 通过计算机求解描述流体运动的数学方程，研究定常流体运动的空间物理特性和 非定常流体运动的时空物理特性，揭示流体运动的物理规律的学科【3 】。 计算流体力学求解问题的过程是按下列步骤进行的：首先确定能够描述对象 流动参量连续变化的微分方程组( 如n a v i e r - s t o k e s 方程) ，然后通过离散化方法 ( 如有限差分法或有限元法) 对连续变化的参量用离散空间和时间的值来表示， 使微分方程组变成代数方程组的形式，空间离散位置可用计算网格上的节点来描 述，最后离散方程组通过计算机求得结果。 计算流体力学是一门崭新的科学：在理论上，它研究描述流动现象的各类方 程的解；在工程应用上，它的目标是用数值实验代替尽可能多的实物实验和用计 算机设计流体动力机械。在即将到来的产业革命中，计算流体力学在工程上的应 用将改变实验的布局和工程设计的面貌，从而将彻底改变人们对于实验和设计的 传统观念，必然带来良好的应用前景。 1 3 旋流沉砂池 本文首先对旋流沉砂池的国内外研究现状进行了简要的介绍，其次对c f d 数值模拟在旋流沉砂池研究中的运用进行了概述介绍。 2 第一章绪论 1 3 1 旋流沉砂池研究的国内外现状 国内外对于旋流沉砂池的研究最早开始于上世纪六十年代中期，主要集中在 钟氏沉砂池和比氏沉砂池。比氏沉砂池采用涡流原理，通过机械力的作用在池中 形成一个涡形水流，砂粒在靠近池心的一个环形孔口落入集砂区，有机物由于螺 旋桨的作用而与沙粒分离引向出水渠，从而实现除砂的效果。钟氏沉砂池则采用 的是重力原理来达到对砂粒的去除【4 】。 国外研究旋流沉砂池的公司主要有s m i t h & l o v e l e s s 公司和j o n e s & a t t w o r d 公司 1 4 ，其中比氏旋流沉砂池是美国s m i t h & l o v e l e s s 公司开发的成功池型，钟氏沉砂池 为j o n e s & a t t w o r d 公司1 9 8 4 年的专利产品，是众多仿比氏沉砂池中获得较大成功 的一种池型1 4 1 瑞士工程师瑞士工程 1 丽h e n r yb e n d e l 在六十年代中期首次提出了比氏( p i s t a ) 沉砂的设计理念，但是他没有成功地开发出具有高除砂率的去除细砂的设备。 s m i t h & l o v e l e s s 公司的工程师根据他的设计概念于1 9 7 3 年开发出了市场上效率 最高的除砂设备比氏旋流沉砂池，s m i t h & l o v e l e s s 拥有该比氏沉砂池在北美的唯 一销售卡又【5 1 。s m i t h & l o v e l e s s 科研开发小组【6 】在l e n e x a 市对比氏沉砂池在污水厂的 运行进行了进一步试验并对原始设计作了改进，极大地提高了除砂效率，目前的 比氏沉砂池代表了当今圆形旋流沉砂池的最高水平。 k e l l e r i7 j ( 2 0 0 1 ) 根据有关制造商提供的数据，模拟出了钟氏池中颗粒的沉 降轨迹曲线，同时讨论了驱动装置的转速和有机物分离效率间的关系。 b a c h e l 8 1 ( 2 0 0 5 ) 开发出了一种污水除砂用的圆形旋流沉砂池，该旋流沉砂池包含砂 粒分选区，砂粒收集区，池中设有桨叶和产气孔。该旋流沉砂池很好的降低了有 机颗粒随砂粒一起沉降得可能，具有很好的分离性能，分离出来的砂粒可以直接 脱水处理。桨叶产生的环向水流能保证除砂过程中有机颗粒能迅速的离开旋流沉 砂池，而不随砂粒在旋流沉砂池中沉降。该旋流沉砂池专利权属于j o n e s & a t t w o r d 公司。 k a i b a r a l 9 】( 2 0 0 8 ) 设计出了一种旋流沉砂池，该旋流沉砂池采用中心进水，且进水 区和颗粒沉降区间有旋转的桨叶，该旋流沉砂池对于s s 浓度低的污水同样具有很 高的除砂效率。 w e i s 纠1 0 1 ( 2 0 0 8 ) 发明了一种用于污水处理系统的旋流沉砂池，该沉砂池采用3 6 0 。进水，沉砂池中间有传动轴用以控制池内的流态，该旋流沉砂池由集砂斗和分 选区组成，分选区底板为水平，该旋流沉砂池能用作市政和工业污水处理工艺中 的预处理设备，去除污水中的无机颗粒。 国内目前对旋流沉砂池的研究已经得到了越来越多的重视，并取得了不少试 3 第一章绪论 验及理论成果，这方面的内容有： 李涛i l u ( 2 0 0 1 ) 从设计原理及工程实践角度对沉砂池工艺做了分析，对比了平 流沉砂池、曝气沉砂池、旋流沉砂池、钟氏沉砂池，结合自己的设计经验，对旋 流沉砂池在工程中的适用性及相关问题进行了讨论。 王雪原1 1 2 1 ( 2 0 0 1 ) 褒 p i s t a3 6 0 。旋流流沉砂池进行了详细的研究，讨论了p i s t a 3 6 0 。旋流沉砂池的工作流态、池型特点、适应条件及设计要点。 包宏民i l 副( 2 0 0 3 ) 对沉砂池的形式变化和发展过程进行了系统总结了，并全面 的介绍了与各种池型配套的除砂机械设备，特别对旋流沉砂的机理作了分析，为 旋流沉砂池除砂机械的研制提供理论基础，进一步加快了实现旋流沉砂设备国产 化得步伐。 汪家权等1 1 4 1 ( 2 0 0 7 ) 根据水力相似性原理，建立了缩小的新型旋流沉砂池模型， 并用含砂配水进行了正交试验，确定了影响砂粒去除率的各因素主次顺序及各个 因素的最佳参数。影响沉砂率的各冈素主次顺序分别为：桨片数量、水力停留时 间、搅拌桨转速和桨片距池底距离。 邱峰等i l 习( 2 0 0 8 ) 通过污水厂的水力模拟试验，研究了旋流沉砂池的四个因素 即进水水力条件、螺旋桨叶片数量、螺旋桨转速和螺旋桨片距沉砂池底部的距离 对旋流沉砂池砂粒去除率的影响，同时还研究了四个因素对有机物分离率的影 响；并通过单因素试验和正交试验，得出新型旋流沉砂池对砂粒去除的各因素的 最佳的水平条件，他们得到的最佳砂粒去除效率下四个因素的最佳参数与汪家权 等人结论一致。 随着旋流沉砂池在同内新建的污水处理厂中越来越多的应用，旋流沉砂池运 行实例不断增多，国内对于旋流沉砂池的应用研究越来越成熟，这方面比较有代 表性的成果主要有以下方面： 龙干等1 1 6 1 ( 2 0 0 1 ) 通过7 0 0 0 p 1 s t a 旋流沉砂池在上海污水治理二期工程预处理 厂的应用实例，论述了旋流沉砂池的沉砂机理、旋流沉砂池在大型污水处理厂中 的设计方法及介绍了建成后的应用情况；最后讨论了该污水处理工艺中旋流沉砂 池有待进一步改进的地方，并给出了一些优化的意见，对于出水渠中泥渣淤积的 问题，龙干给出的改进方案是注意过流断面的流速，避免形成死水区域。杨卫国 ( 2 0 0 3 ) 通过对合肥市琥珀山庄污水处理厂改造工程的调试和运行实例，结合该 工程中旋流沉砂池和砂水分离器应用以及遇到的实际问题，介绍了钟氏旋流沉砂 池的工作原理、设备结构与设计改进方面的经验和具体措施。王燕红等f 1 8 1 ( 2 0 0 4 ) 通过唐山北郊污水处理厂安装的两座3 0 0 p i s t a 沉砂池的运行实例，从流态、螺 旋桨、除砂、排砂系统的维护四个方面分析了旋流沉砂池在污水处理厂中的运行 控制。水厂实际运行结果表明：旋流沉砂池进水渠应保证每天有部分时间流速大 4 第章绪论 于0 6 1 m s ，以防止泥沙在进水渠内沉降，且当废水中砂石浓度较高时，应提高 螺旋桨浆叶距池底的高度。张鸿斌拶1 9 1 ( 2 0 0 6 ) 结合钟氏旋流沉砂池在东莞市常平 西污水处理厂运用实例，对钟氏沉砂池与比氏沉砂池的优缺点进行了探讨，比氏 旋流沉砂池分选区底部必须做成9 0 。直角，导致其土建施工的难度比钟氏大， 同时作者还强调说明了旋流沉砂池较平流沉砂池的优点，以及我国对旋流沉砂池 推广使用的力度。 综合以上旋流沉砂池的国内外研究现状的分析，可以看出，国外对于旋流沉 砂设备的研究注重开发运用，已经有不少的专利产品，其中尤以s m i t h & l o v e l e s s 公司和j o n e s & a t t w o r d 公司对旋流沉砂池的研究和开发最为突出，随着旋流沉砂 池在国内污水处理行业的越来越广泛的工程运用，国内对于旋流沉砂池的理论研 究已经方兴未艾，这主要归功于这些工程实例提供的很重要的第一手实测资料， 也为小试实验提供了参考模型，但是有关基于c f d 的旋流沉砂池优化设计研究 目前报道的较少，这正是本文研究的意义所在。 1 - 3 2 c f d 数值模拟在旋流沉砂池研究中的运用 国内外以c f d 模拟技术为基础，对旋流器开展的研究工作主要集中在水力 旋流器模拟中，对带旋转叶轮装置的水力旋流亦有报道。水电工程砂石废水处理 系统中的旋流沉砂池与水力旋流器的工作原理存在着区别。前者是利用机械力控 制固液两相的流态与流速，具有复杂大变形的流态特点，而后者是利用离心沉降 原理从悬浮液中将两相( 或多相) 介质进行分离的一种设备。 国外从上个世纪八十年代中期开始对固液水力旋流器进行研究。 n o w a k o w s k i 等1 2 0 ( 2 0 0 0 ) 采用了四面体非结构网格对7 5 m m 水力旋流器的计 算区域进行了离散，同时基于滑移理论及碰撞理论推导了进料含石灰石质量百分 比为3 5 的料液中颗粒与颗粒之间及颗粒与流体之间的相互作用力项，并运用有 限元方法对固液连续性方程、动量方程和本构方程进行了求解，分析了固液两相 流流场分布。 c o l l a n t e s 等1 2 1 ( 2 0 0 0 ) 采用湍流各向同性假设的雷诺方程对1 0 0 m m 水力旋流 器圆柱段内水流流场进行了数值模拟，分析了轴向速度和切向速度的分布，并与 激光多普勒测速实验值进行了对比。 y a n g 等1 2 2 1 ( 2 0 0 4 ) 对净水厂污泥分离的水力旋流器进行了研究，采用雷诺时均 n s 方程结合重整化群k s 模型和固体颗粒的力平衡方程模拟了水力旋流器内 的三维湍流场、颗粒轨迹和分离效率，且模拟结果与实验值吻合较好。 n a r a s i m h a 等 2 3 1 ( 2 0 0 5 ) 研究了1 0 1 m m 水力旋流器，其芯管直径为3 5 r a m ，沉 砂口直径为1 0 r a m ，在低桨液浓度时，结台标准后一占模型预测水流流速，颗粒相 5 第。章绪论 运动轨迹采用分散相模型预测，并讨论了颗粒级配的影响及分离效率。 l u i z 等 2 4 1 ( 2 0 0 7 ) 采用雷诺应力模型r s m ( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ) 结合颗粒扩 散方程对他们所获专利权的改进型水力旋流器瞬态颗粒流场特性进行了研究，并 探讨了过滤介质对水力旋流器特性的影响。 n e e s s e 和d u e c k l 2 5 1 ( 2 0 0 7 ) 针对进料悬浮液浓度为2 0 0 9 l 的4 0 r a m 水力旋流器， 运用混合的连续性方程、动量方程及颗粒的扩散方程耦合k f 湍流模型，模拟 了静态和动态流场、浓度场分布。 c h u 2 6 1 ( 2 0 0 9 ) 采用计算流体力学方法结合离散元法对旋流器内的流态进行了 研究，分析了旋流器内颗粒的体积分数对旋流器运行的影响，并对旋流器内颗粒 间，颗粒和流体间，颗粒和器壁之间的相互作用力的现象进行了模拟分析。研究 结果表明这种方法能够准确的模拟出旋流器巾的流动现象，且为研究旋流器中流 场和性能与其几何结构，物质特性，操作参数之间的关系提出了一种简单的方法。 目前国内大量学者已经开始致力于应用c f d 技术对固液水力旋流器的内部 流场进行数值模拟。 任连城【2 7 1 ( 2 0 0 5 ) 采用混合模型模拟了水力旋流器的流场，同时分析了流体粘 度对旋流器结构参数的影响。 欧益宏等1 2 s j ( 2 0 0 5 ) 运用r n g k s 模型耦合混合模型对柱型水力旋流器的三 维瞬态流场进行了数值模拟，并对模拟的切向速度、轴向速度、径向速度、体积 分布进行了分析。 王志斌等( 2 0 0 6 ) 、苏阳f 3 0 】( 2 0 0 6 ) 采用雷诺应力模型对水力旋流器液相三 维流场进行了模拟。 吴春笃等 3 h ( 2 0 0 6 ) 对改进的旋流器中液相采用旋流修正的k 一占湍流模型、 离散颗粒相采用d p m ( d i s p e r s e rp h a s em o d e l ) 模型，结合暴雨径流污水处理进行数 值模拟，分析了该旋流分离器内部三维流场的动、静压力分布以及切向、轴向和 径向速度场分布。 胥思平等【3 2 】( 2 0 0 6 ) 采用r s m 湍流模型分别模拟了3 0 0 型和2 5 0 型水力旋流 除砂器内固液两相流的轴向、径向、切向速度分布及压强的分布曲线。 王柏秋【3 3 】( 2 0 0 6 ) 运用r s m 湍流模型分别耦合水流模型、混合模型，模拟了 水力旋流器内的水流流场、压力分布及水力旋流器内颗粒相的运动。 李慧【3 4 】( 2 0 0 6 ) 采用混合模型对地下水除沙的同液水力旋流器进行了模拟，研 究了多种情况下的清水流场、颗粒运动轨迹、分离效率、压降等。 刘刚f 3 5 】( 2 0 0 6 ) 采用r s m 模型耦合混合相模型对固液水力旋流器的流场、压 力场进行了研究，并优化了几何结构参数。 王卫副3 6 】( 2 0 0 6 ) 针对圆柱水力旋流器内固相体积比大于1 0 的固液两相流 6 第一章绪论 流场，在未考虑颗粒碰撞效应的条件下，采用r s m 模型耦合单相流模型、混合模 型对圆柱水力旋流器内液流及固液多相流进行了动态三维模拟，对水力旋流器动 态分离过程进行了机理分析。 梁政等1 3 7 1 ( 2 0 0 7 ) 分别采用r s m 模型、r n gk s 模型和k s 模型对水力旋 流器液相流场进行了模拟，分析表明r s m 模拟值与实测值吻合较好。 赖艳萍等【3 8 】( 2 0 0 7 ) 采用r n g k f 模型对水力旋流器的液相流场及压力分布 进行了模拟。 以上研究都是针对普通水力旋流器的数值模拟研究，同时国内对带旋转叶轮 装置的水力旋流器亦有报道。 王超【3 9 ( 2 0 0 8 ) 在普通水力旋流器的基础上增加了旋转叶轮装置，自行设计了 三种结构的旋转叶轮式动态水力旋流器，并对实验样机进行了系统的实验测试和 数值模拟计算。在对实验样机进行模拟计算时，对三种实验样机模型进行简化， 建立了稳态流动的n s 方程和连续方程，计算得到了三种实验样机内三维流场的 基本信息，在综合分析的基础上，对旋转叶轮式动态水力旋流器提出了进一步的 改进方案。 综上所述，目前旋流器数值模拟主要集中在水力旋流器，对带旋转叶轮装置 的水力旋流器亦有报道，而对于旋流沉砂池的数值模拟研究尚较少。水电工程砂 石废水是高悬浮物浓度固液两相流，废水处理工艺中的旋流沉砂池内流场具有复 杂大变形的流态特点，这些正是旋流沉砂池数值模拟过程中数学建模及模拟研究 的难点。 1 4 本文研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 针对水电工程砂石废水处理系统旋流沉砂池内砂、水运动的特点，建立 水流和颗粒相的e u l e r i a n e u l e r i a n 模型e u l e r i a n l a g r a n g i a n 模型，采用有限体积 法对物理方程进行离散，运用s i m p l e 方法对压力和速度进行耦合计算。 ( 2 ) 采用中国水电顾问集团成都勘察设计研究院的旋流沉砂池工艺模型试验 1 5 0 】作为计算实例。对小试规模一级旋流沉砂池内的流场和悬浮物分布进行数值模 拟，分析一级旋流沉砂池内的水流流场、砂石颗粒浓度分布、颗粒运动轨迹等规 律并给出最优工况，并将得到的砂石的去除效率与实验值进行对比。 ( 3 ) 结合实际工程，应用c f d 技术对瀑布沟工程中的旋流沉淀池进行优化设 计，从而提出工程规模处理构筑物的优化设计参数，为水电工程砂石废水旋流沉 淀池的工程设计和运用管理提供技术基础和科学依据。 7 第一章绪论 本文对旋流沉砂池的数值模拟研究主要分成四个步骤，具体流程图如图1 1 所示： 建立数学模型，确 定离散，求解方程 上 对小试实验数值模 拟 上 对模拟结果分析， 并与实验结果对比 验证 王 结合实际工程，应 用c f d 方法，对工 程实例优化 图1 1 旋流沉砂池数值模拟流程图 8 第_ 二章旋流沉砂池的数学模型 第二章旋流沉砂池的数学模型 目前对于湍流颗粒两相流模拟的数学模型主要有e u l e r i a n l a g r a n g i a n ( 欧拉 拉格朗日) 模型和e u l e r i a n e u l e r i a n ( 欧拉欧拉) 模型两大类。对于两相流中的流体 相，两类模型均使用e u l e r i a n 方法，对于颗粒相，前者是将颗粒看作是离散相， 离散相被安排在流体相计算的指定间隙中独立完成；后者是将颗粒也看作流体， 颗粒相与流体相被处理成相互贯穿的连续介质。 现有研究表明，采用数值模拟的方法可准确描述沉淀池水流中的流态以及固 相分布，这对保证沉淀池的稳定运行和出水水质起着至关重要的作用，而计算流 体力学( c f d ) 为这一方法提供了一种新的思路。c f d 以n s 方程组与各种湍流模 型为主体，是描述水电工程、环境、化工等诸多领域内流场、流态问题的有效工 具。i m a m 加4 1 1 、蔡金傍【4 24 3 1 、王晓玲【删等相继利用c f d 对沉淀池进行了模拟研 究，并将模拟结果与试验结果对比，证明了c f d 的有效性及其相对于其他常用数 值方法在精度上的优势。但是目前的研究大都侧重于描述沉淀池中的水流流场， 而对于池中固相的行为和分布研究甚少。因此，为了追踪沉淀池内固相的运动轨 迹，深入研究固相的行为及分布规律，本文建3 、上t e u l e d a n l a g r a n g i a n ( 欧拉拉格 朗日) 模型，对于流体相的计算采用e u l e r i a n 方法，对于固相则采用l a g r a n g i a n 方 法中的随机轨道模型；但是随机轨道模型不容易全面的考虑颗粒的质量、动量湍 流扩散过程，为了获得复杂流场内的固相浓度的空间分布，本文又采用了 e u l e r i a n e u l e r i a n 两相流模型对其进行模拟。 2 1 e u l e r i a n l a g r a n g i a n 两相流模型 e u l e r i a n l a g r a n g i a n 模型对于流体相采用常规的e u l e r i a n 方法进行描述，在 e u l e r i a n 坐标系中考察流体相的运动情况；对于颗粒相，考虑砂石颗粒尺寸不同 的情形，采用随机轨道模型追踪颗粒的运动轨迹：对流体相和颗粒相的受力情况 进行耦合，两相间的相互作用将在源项中加以考虑。 2 1 1 流体相控制方程 由于沉淀池内的水流流动十分复杂，为便于对其内部流动细节进行细致研 究，在建立e u l e r i a n l a g r a n g i a n 模型之前，对实际使用的沉淀池作一些简化，即： ( 1 ) 不考虑由于流体与壁面的摩擦而产生的热效应。 9 第章旋流沉砂池的数学模犁 ( 2 ) 入口水流的流速均匀，流动处于湍流状态。 ( 3 ) 假设流场恒温，不考虑能量传递。 对于流体相的运动过程采用连续性方程、动量方程、湍动能k 输运方程和湍 动能耗散率占输运方程来描述。 ( 1 ) 连续性方程： 导岛冉( 聃) = 。 式中：岛为流体相的密度，k g m 3 ；材，为流体相的瞬时速度，m s 。 ( 2 ) 动量方程： ( 2 一1 ) 昙( 岛“，) + v ( 岛“，“，) = 一跏+ 岛g + v ( f + ，) + ( 2 2 ) 其中：f 是时间，s ：p t 为流体相的密度，k g m 3 ；“，为流体相的瞬时速度， _ ， m s ；f 、，分别是流体相层流和湍流应力，n m 2 ；p 是压力，p a ；g 为重力矢 量，m s 2 。 紊动应力采用涡粘度模型： ，= v u + ( v u ) + 卜( 詈v “) 】j 一詈局灯 ( 2 - 3 ) 式中：，为湍流强度，m 3 m s ；为湍流粘性系数，n s m 2 ，由下式确定： 肛c 幽专 ( 2 - 4 ) & 为动量源项，n m 3 ，在考虑流体相与颗粒相的相互碰撞作用的影响下， 提出动量源项的表达式如下： 晶= 一旦( “，一“，)( 2 5 ) 其中：气为颗粒相的平均驰豫时间；k = 箐若( 1 + i 1 r e y ) - l ，以为颗粒的 粒径，m ；肛为颗粒相的密度，k m 3 ；为流体相的粘性系数，p a 嘶垂旨的 1 0 第_ 章旋流沉砂池的数学模型 相对雷诺数为r e s 岛以i “，一哕彳；“，、分别为流体相、颗粒相的瞬时速度， m s 。 ( 3 ) 高雷诺数七一占方程： 湍动能k 方程： 昙c 岛七，+ 考卜妒一( + 丛o , j 堡a x j j = “尸一届占一；( 以等+ 所刁善q 呦 湍动能耗散率方程： 昙c 局s ，+ 毒 岛“户一( + 尝) 考 = c t 丢 以p 一；( 以詈+ 向后 等 。2 7 ， 乜吼车t 2 即鼍 其中： 雎2 勺考 ( 2 - 8 ) 岛为流体相的密度，k g m 3 ；、分别为流体相层流、湍流的粘性系数， p a s ，由下式确定： r， k 2 弘2 乙u p l 一 占 以上模型中的湍流参数见表2 1 4 5 - 4 7 】。 表2 1k f 湍流模型参数 2 1 2 颗粒相控制方程 ( 2 - 9 ) 为简化求解过程，在建立多相流动数学模型之前，根据沉淀池内流体相及颗 第一章旋流沉砂池的数学模型 粒相流动的实际情况对其做了一定的简化和假设，即： ( 1 ) 颗粒为密度恒定的球形颗粒，在运动过程中无破碎、变形等现象。 ( 2 ) 沉淀池入口水流流速均匀，颗粒进口速度等于流体相的流速，且均匀分 布于入口。 ( 3 ) 温度恒定，不考虑能量传递。 考虑颗粒尺寸不同的情况，对颗粒尺寸进行分组，即采用“计算粒子”的概 念，将颗粒群分成k 。组，每组称为一个计算粒子，它包含m 个具有相同速度和 位置的颗粒。将单位体积内k 类粒子的数量用n 础表示，则颗粒相的连续性方程 为： 警冉n p k u s ) = o a ( 2 - 1 0 ) 在拉格朗日坐标系中考虑颗粒运动时，对计算粒子的动力方程可由牛顿第二 运动定律给出： 朋，孥：， 朋。_ 二27 ， 3 d t - ( 2 - 1 1 1 式中：m ，为颗粒相的质量，为颗粒相的瞬时速度，m s ；f 为颗粒相 所受力的合力，包括曳力瓦、压强梯度力c 、虚拟质量力匕、颗粒相之间的 碰撞力瓦，由于考虑了流体相与颗粒相的相互碰撞作用，因此f 还包括颗粒 相与流体相的相间作用力c ，e f 的表达式为： f = 露+ c 研+ + 日+ 瓦 曳力瓦= 1 c p ，a i u , - u , l ( u i - - u s ) 压强梯度力 c = 一g ( b 一屏) 虚拟质量力l = 乜肛圪警 ( 2 一1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 式中：材，、蹦，分别为颗粒相、流体相的瞬时速度， m s ：c d 为曳力系数， 取0 4 4 ：a 为迎流面积，a = 万d 2 4 ，m 2 ；d 为颗粒相的平均直径，m ；c a 。为 虚拟质量力系数，取0 5 ； 圪为颗粒体积，m 3 ：肛、局分别为颗粒相、流体相 的密度，k g m 3 。 1 2 第_ 章旋流沉砂池的数学模犁 颗粒相之间的碰撞力 只- 2 ( 1 + p ) v ( 织( c 孑) ) 颗粒相与流体相的相间作用力 e = 丛( 一“，) t r s ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中：口。为颗粒相的容积系数，无因次：l 为颗粒脉动能，m 2 s 2 ；c 口为 颗粒相的脉动速度，i c ii ) = k t p l m p ，m s ；m ，为颗粒相的质量，k g ；f 坶为 颗粒的平均驰豫时间： = 卺( 中1 2 3 ) - l ( 2 - 1 8 ) d 。为颗粒的粒径，m ；织为颗粒相的密度，k g m 3 ；为流体相的粘。t t 系数， p a s ；颗粒的相对雷诺数为r e ，= 岛以l “，- u , l l u ；局为流体相的密度，k g m 3 ； “，、u 。分别为流体相、颗粒相的瞬时速度，m s 。 颗粒在湍流中运动，其轨迹还要受湍流作用的影响，湍流与颗粒之间的相互 作用可以用随机轨道模型进行计算，该模型属于一种较为完全的拉格朗日处理 法，它可直接由轨道形式的颗粒瞬时方程组出发，考虑流体湍流对颗粒的作用， 用随机的方法来研究颗粒的运动，其特点是既考虑了颗粒的湍流扩散作用，又不 需要采用颗粒湍流扩散系数的概念，具有模拟复杂流动能力强、计算相对简单等 优点。由于模拟结果能得到沉淀池内砂石颗粒的分布情况及运动轨迹，因此较为 适用于沉淀池内固一液分离的模拟研究。 随机轨道模型的基本假设为： 1 、颗粒群与流体相间存在滑移； 2 、颗粒群按初始尺寸的分布分组，由各自的初始位置出发，沿各自的轨道 运动，各组之间互不关联，沿轨道可以追踪颗粒的速度、位置的变化； 3 、颗粒群存在湍流扩散 4 、颗粒群作用于流体的质量、动量源分布于整个流体单元。 随机轨道模型根据r e y n o l d s 平均法，将流体相的时速度“，写成平均量u ，与 脉动量“，( f ) 之和，即： 1 3 第二章旋流沉砂池的数学模型 u t = 虿+ 砧，( f ) ( 2 1 9 ) 其中的时均速度由前面流体相流场计算程序给出，假定颗粒相与湍流之间的 相互干扰过程等价于颗粒与一系列小漩涡的干扰过程，若湍流模型为k 一占模型， 且颗粒在每个小漩涡上速度的脉动分量满足高斯分布前提下，脉动速度由以下公 式给出： “7 m ( 力2 娟秒2 ( 2 - 2 。) 式中：二为一个满足正态分布的随机数，1 f 1 ，k 为流体相的湍流动能， m 2 s 2 。这样通过将瞬时速度在分段时间内积分就可以计算湍流对颗粒扩散的随机 性影响。 颗粒相轨迹方程是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解的，将颗粒相 的受力方程( 2 1 1 ) 在一定的时间步长内积分即可得到颗粒的速度u 。，代入下式后 再沿各个坐标方向积分即可得到颗粒轨迹。 出： 云副酊 ( 2 2 1 ) 通过此方法计算砟组“计算粒子”内的颗粒轨迹，即可得出颗粒相在流体 相中的运动规律和砂石颗粒的去除效果。 e u l e r i a n - l a g r a n g i a n 模型能实现对离散相颗粒的行为及特点的描述，但是在 模型中各个离散相轨道的计算相互独立，所以并不能获得