（模式识别与智能系统专业论文）平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究.pdf

一一 】i | i i l l f i f | i i i | l l i l l i f | i i | l f i | i y 19 0 5 t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et w o p h a s en o wi n r e c t a n a n g u l a rs e d i m e n t a t i o nt a n k su s i n gc f d b y l ux i a n l e i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m u n i c i p a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h 0 0 1 o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs h iz h o u j u n e ，2 0 1 1 jj哺i川6m 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：翟撬锈 日期：2 0 “年 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：徽毋 导师签名：形调 日期：如f 1 年6 月7 日 日期：2 。年占月? 日 计算流体力学( c f d ) 对平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究 摘要 本文利用i m 锄实验数据对平流沉淀池中应用混合物( m i x t u r e ) 两相流模型 和i g ( 重整化群) k - 湍流模型进行了验证。将验证后的数学模型应用于设计 的平流沉淀池，采用计算流体力学软件f 1 u e n t 对平流沉淀池进行了三维两相流数 值模拟。改变沉淀池构造参数( 污泥斗数目、池底坡度、进口位置、进口挡板淹 没深度和位置、出口挡板挡板淹没深度和位置) 后分别进行数值模拟，获得池内 流态和及悬浮物分布规律，并提出改善平流沉淀池沉淀效果的方法，为实际工程 中平流沉淀池的设计提供参考。 模拟发现，进口挡板和出口挡板处流速变化剧烈，其它区域流速较小，主要 朝水平方向流动，池中主要存在四个回流区：进口挡板后方和进口下方、污泥斗 上方、出口下方以及沉淀池底部。流体遇到进口的挡板后产生下沉流速，一方面 有利于悬浮物的沉降，另一方面如果下沉流速靠近污泥斗则可能将污泥斗内的悬 浮物卷出污泥斗，不利于悬浮物沉淀。 改变污泥斗和池底坡度时，有效沉淀体积会发生较小的变化。模拟发现：单 个污泥斗体积不变时，污泥斗为1 个和2 个时悬浮物去除率相差不大，去除效果较 好；当单个污泥斗体积改变而有效沉淀体积不变时，采用1 个污泥斗沉淀效果比2 个污泥斗稍好，因此建议污泥斗数目不超过2 个；当池深一定时，池底坡度越大， 池尾部有效水深越小，尾部池底悬浮物更容易被卷起带出，导致悬浮物去除效果 变差。因此采用静水压力排泥时，池底设置0 0 1 的坡度即可，采用机械排泥时则可 直接设置为平底。 其它条件不变，分别改变进口位置、进口挡板淹没深度和位置，模拟发现要 获得较好的沉淀效果，要求进水区流速不能过大，回流尽可能小，有适当大小的 下沉流速，保证污泥斗内悬浮物不会被卷起。进口优化分析显示，最优进口构造 参数为：进口下移1 m ，进口挡板淹没深度o 5 m ，离进口距离1 m 。 其它条件不变，分别改变出口挡板淹没深度和位置，模拟发现要获得较好的 沉淀效果，要求出流均匀，池底流速小，尽量防止沉淀池中下部的悬浮物卷起。 模拟结果显示不设出口挡板时悬浮物去除效果最好，设计时考虑到需设出口挡板 以截留水面浮渣，因此建议出口优化后构造参数为：出口挡板淹没深度0 3 m ，离 出口距离0 5 m 。 关键词：计算流体力学；平流沉淀池；三维两相流数值模拟；沉淀效果 硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ed a t ao fi m 锄se x p e r i m e n ti s u s e dt ov a l i d a t et h em 1 x t u r e t w o p h a s ef l o wm o d e la n dt h er n g k - t u r b u l e n c em o d e la p p l i c a t e dm r e c t a n g u l a r s e d i m e n t a t i o nt a r 墩t h ev a l i d a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e li s a p p l i e dt o t h er e c t a n g u l a r s e d i m e n t a t i o nt a n kd e s i g n e d ， a n dt h et b 口e e - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls l m u l a t l o n o t t w o p h a s e n o wi nt h er e c t a n g u l a r s e d i m e n t a t i o n t a n k i s p e r f o r m e db y t n e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef 1 u e n t t h e s i m u l a t i o ni s c a r n e do u ta t _ t e r c h a n g i n go n eo ft h es e d i m e n t a t i o nt a n kp a r 锄e t e r s ，i n c l u d i n g t h es l u d g eh o p p e r ，t h e b o t t o ms l o p e ，t h el o c a t i o no fi n l e t ，t h es u b m e r g e dd e p t ho f i n l e ta n do u tb a f i l e s ，t h e l o c a t i o no fi n l e ta n do u tb a f n e s t h en o wp a t t e r na n dd i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e d s o l l d s i so b t a i n e d ，w a y st oi m p r o v et h es e t t l i n ge f f e c to fr e c t a n g u l a rs e d i m e n t a t l o n t a n k s1 s d r e s e n t e da sw e l l ， w h i c hc a np r o v i d ear e f e r e n c e f o rt h ed e s i g no fr e c t a n g u i a r s e d i m e n t a t i o nt a n k si np r a c t i c a le n g i n e e r i n g i ti sf o u n dt h a tv e l o c i t yn e a rt h ei n l e ta n do u t l e tb a m e sc h a n g e sg r e a t l y ，v e l o c l t y i no t h e rr e g i o n sw h e r ea r em a i n l yh o r i z o n t a ln o w i sl e s s i nt h et a n kt h e r ea r em a l n l y f o u rc i r c u m n u e n c ea r e a s ：b e h i n dt h ei n l e tb a f n e ，o v e rt h es i u d g eh o p p e r ，u n d e r t h e o u t l e ta n da tt h eb o t t o mo f t h et a n k s i n k i n gv e l o c i t yf o r m e da f e rt h e f l u l de n c o u n t e r t h ei n l e tb a f n e ，o nt h eo n eh a n dh e l pt h ep r e c i p i t a t i o no fs u s p e n d e ds o l l d s ，o n t n e o t h e r h a n dm a yt a k et h es u s p e n d e ds o l i d so u to f t h es l u d g eh o p p e fi fi ti sc l o s et ot h e s l u d g eh o p p e rw h i c hi sn o tc o n d u c i v et ot h ep r e c i p i t a t i o no fs u s p e n d e d s o l l d s w h e nc h a n g i n gt h es l u d g eh o p p e r a n d b o t t o ms l o p e ， e f f e c t i v ep r e c l p l t a t l o n v o l u m ew i l lc h a n g es m a l y i ti s f o u n dt h a tw i t ht h es a m ev 0 1 u m eo fs i n g l eb u c k e t ，t h e r e m o v a l r a t eo fs u s p e n d e ds o l i d so f o n ea n dt o ws l u d g eh o p p e r sd i f f e r sl i t t l e ，a n dt h e r e m o v a le f f e c ti sb e t t e r w h e nt h ev 0 1 u m eo fs i n g l e b u c k e tc h a n g e sa n dt h ew n o l e e f f e c t i v ep r e c i p i t a t i o nv o l u m ei si n v a r i a b l e ，t h es e t t l i n ge f f e c tu s i n g as l u d g eb u c k e t1 s s l i 曲t l yb e t t e rt h a nu s i n gt w os l u d g eh o p p e r s s o i ti sp r o p o s e dt h a tt h en u m b e ro 士 s l u d g eh o p p e r sa r en o tm o r et h a nt o w w h e nt h ed e p t ho f t a n ki si n v a r i a b l e ，t h em o r e b o t t o ms l o p et h el e s se f f e c t i v ed e p t ha n dt h ee a s i e rt ot a k eo u tt h es u s p e n s l o n s o l l d sa t t h eb o t t o mo ft h et a n k ，w h i c hc a u s et h er e m o v a lo fs u s p e n d e ds o l i d s b e c o m ew o r s e w h e nd i s c h a r g i n gs l u d g eu s i n gh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，t h e b o t t o ms l o p ec a nb es e tt o o o1 w h i l eu s i n gm e c h a n i c a ld r e d g e ，i tc a n b ed i r e c t l ys e tt ot l a t w i t h o u tc h a n g i n go t h e rc o n d i t i o n sb u tc h a n g i n gt h ei n l e tl o c a t i o n ，t h es u b m e r g e d i 玎 计算流体力学( c f d ) 对平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究 d e p t ho fi n l e tb a f n ea n di t sl o c a t i o nr e s p e c t i v e l y ，a f t e rs i m u l a t i o ni t i sf o u n dt h a tt o o b t a i nag r e a t e rs e t t l i n ge f f e c tr e q u i r i n gt h ev e l o c i t yn e a rt h ei n l e tn o tb et o og r e a t ，t h e p o s s i b l es m a l l e s tc i r c u m n u e n c ea r e a s ，h a v i n ga p p r o p r i a t es i n k i n gv e l o c i t yt oa v o i d t a k i n go u tt h es u s p e n d e ds o l i d si nt h es l u d g eh o p p e r a f t e ra n a l y s i n ga n do p t i m i z i n g t h ei n l e t ，t h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r sf o ri n l e ta r em o v i n gd o w nt h ei n l e t1m e t e r ， s e t t i n gt h es u b m e 唱e n c ed e p t ho fi n l e tb a f n e0 5m e t e r sa n di t sd i s t a n c ef r o mt h ei n l e t 1m e t e r w i t h o u tc h a n g i n go t h e rc o n d i t i o n sb u tv a r y i n gt h es u b m e r g e dd e p t ho fo u t l e t b a f n ea n di t sl o c a t i o nr e s p e c t i v e l y ，a f t e rs i m u l a t i o ni ti sf o u n dt h a tt oo b t a i nag r e a t e r s e t t l i n ge f f e c tr e q u i r i n gu n i f o r mo u t f l o w ，p o s s i b l es m a l l e s tv e l o c i t ya tt h eb o t t o ma n d a v o i d i n gt h es u s p e n d e ds 0 1 i d sa tt h eb o t t o mo ft h es e d i m e n t a t i o nt a n kb e i n gr o l l e du p s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nw i t h o u ts e t t i n go u t l e tb a f f l et h er e m o v a le f 先c to f s u s p e n d e ds o l i d si sb e s t w h e nd e s i g n i n gi ti si nn e e do fao u t l e tb a f f l et or e t a i nt h e s c r u f r ，s oa f t e ro p t i m i z a t i o nt h ep r o p o s e do u t l e ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r es e t t i n gt h e s u b m e r g e dd e p t ho fo u t l e tb a m eo 3m e t e r s a n di t sd i s t a n c ef r o mt h eo u t l e t o 5 m e t e r s k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a in u i dd y n a m i c s ； r e c t a n a n g u i a rs e d i m e n t a t i o nt a n k s ； t h r e e d i m e n s i o n a ln 啪e r i c a ls i m u l a t i o no ft w o - p h a s ef l o w ； s e t t l i n ge f f e c t 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 计算流体力学( c f d ) 1 1 1 1c f d 简介1 1 1 2c f d 计算软件及主要功能2 1 1 3c f d 的求解过程3 1 2 沉淀池数值模拟研究进展4 1 2 1 沉淀池基本理论4 1 2 2 沉淀池数值模拟研究进展6 1 3 课题的研究内容与意义7 1 3 1 课题的研究背景及意义7 1 3 2 课题研究内容及技术路线8 1 3 3 创新点9 第2 章平流沉淀池的数值计算方法1 1 2 1 平流沉淀池内流体运动控制方程1 1 2 1 1 连续性方程1 1 2 1 2 动量方程1 2 2 1 3 能量方程1 3 2 2 控制方程的数值离散方法1 3 2 2 1 有限差分法( f d m ) 1 3 2 2 3 有限元法( f e m ) 1 4 2 2 3 有限容积法( f v m ) 1 4 2 3 平流沉淀池的数学模型1 5 2 3 1 湍流模型1 5 2 3 2 多相流模型1 8 第3 章f l u e n t 对平流沉淀池的数值模拟2 2 3 1 数值模型的验证2 2 3 1 1i m a m 实验2 2 3 1 2i m a m 实验数值模型的建立2 3 v 计算流体力学( c f d ) 对平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究 3 1 3 模拟结果与实验数据对比分析2 3 3 2 平流沉淀池三维模型的建立2 5 3 2 1 平流沉淀池尺寸确定2 5 3 2 2 网格的划分2 6 3 2 3 边界条件2 8 3 3 平流沉淀池数值模拟结果及分析2 9 3 3 1 平流沉淀池内三维速度场分析2 9 3 3 2 平流沉淀池内悬浮物分布3 2 3 4 本章小结3 3 第4 章平流沉淀池构造对沉淀效果的影响3 4 4 1 污泥斗和底坡对沉淀效果的影响3 4 4 1 1 污泥斗个数对沉淀效果的影响3 4 4 1 2 平流沉淀池底坡对沉淀效果的影响3 9 4 1 3 平流沉淀池的有效沉淀体积分析4 1 4 2 进口对沉淀效果的影响4 1 4 2 1 进口位置对沉淀效果的影响4 2 4 2 2 进口挡板淹没深度对沉淀效果的影响4 5 4 2 3 进口挡板位置对沉淀效果的影响4 9 4 2 4 平流沉淀池进口的优化分析5 3 4 3 出口对沉淀效果的影响5 3 4 3 1 出口挡板淹没深度对沉淀效果的影响5 3 4 3 2 出口挡板位置对沉淀效果的影响5 7 4 3 3 平流沉淀池出口的优化分析6 1 4 4 本章小结6l 结j 沦6 3 参考文献6 5 致j 射6 8 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 计算流体力学( c f d ) 1 1 1c f d 简介 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是利用离散 化的数值方法及电子计算机对流体流动和热传导等物理现象进行数值模拟 和分析的科学。它的目标是在工程上尽可能用数值实验代替实物实验，用计 算机模拟自然环境、设计生物体和工程机械装置。c f d 还可与c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 联用，对某些构筑物进行优化设计。 流体运动问题中各参数的变换规律均可由一组控制方程来描述。计算机未发 明前，流体力学家们通过对控制方程进行大量简化后得到了一些线形问题解析解。 由于实际流体的流动问题大都是复杂的非线性问题，自变量多，边界条件复杂， 往往无法求得精确的解析解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接 求解控制方程组的梦想逐步得到实现，并由此催生了以计算机数值模拟为基础的 计算流体力学这门学科。计算流体力学的基本思想为：将原来在时间域及空间域 上连续的表示物理量分布规律的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点 上的物理量值的集合来代替，并通过一定的原则和方式( 包括质量守恒定律、动 量守恒定律和能量守恒定律) 建立起关于这些离散点上物理量之间关系的代数方 程组，然后求解代数方程组获得各物理量的近似值【2 】。c f d 通过建立流体运动基 本控制方程组，对流动问题进行数值模拟，得到问题中各基本物理量( 如速度、 压力、温度、浓度等) 在流场内各位置的分布，以及这些物理量随时间的变化情 况，确定流场中各物理量的分布。 c f d 具有适应性强、应用面广的优点。它不受物理模型和实验模型的限制， 能利用计算机进行各种数值试验和方案比较，模拟过程有较高的灵活性和可重复 性，耗时少、投资小，且能够模拟特殊尺寸以及实验和真实条件中无法达到的理 想状态，如某些特殊尺寸，高温、有毒、易燃等情况，对结果通过可视化后处理， 可以用比较直观的方法图像和动画等显示出来。 同时，c f d 也具有一定的局限性。首先，数值模拟解法依赖于在物理上合理、 数学上适用，且适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，它是一种近 似的离散计算方法，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限数量 离散点上的数值解，并存在一定的计算误差；数值模拟不像物理模型试验一开始 计算流体力学( c f d ) 对平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究 就能给出流动现象并定性地描述，它往往需要通过原型观测或物理模型试验提供 某些流动参数，并需要验证所建立的数学模型，保证数值模拟结果的准确性；而 且程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。 此外，c f d 涉及到大量的数值计算，需要较高的计算机软硬件配置。 近几十年来，c f d 有了很大的发展，所有涉及流体运动、热交换、分子输运 等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅 作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食 品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。c f d 的典型应用场合及相关 的工程问题包括以下几方面： ( 1 ) 泵、风机、水轮机等机械内部的流体运动； ( 2 ) 飞机、航天飞机等飞行器及汽车的设计； ( 3 ) 洪水波及河口潮流计算； ( 4 ) 风荷载对高层建筑物稳定性及结构性能的影响； ( 5 ) 温室及室内的空气流动及环境分析； ( 6 ) 电子元器件的冷却； ( 7 ) 换热器性能分析及换热器片形状的选取； ( 8 ) 河流中污染物的扩散； ( 9 ) 汽车尾气对社区环境的污染； ( 1 0 ) 食品中细菌的转移。 对这些问题的处理，以前主要先进行理论研究，然后通过大量的物理模型实 验进行理论验证，耗时较久，且由于仪器精度的限制，结果的精确性有待提高。 而现在采用c f d 的方法，借助计算机即可较快地分析解决上述问题，并可有目的 性地运用较少的物理模型实验来验证。目前c f d 技术已发展到可以分析三维粘性 湍流及旋涡运动等复杂问题的程度。 1 1 2c f d 计算软件及主要功能 前期流体问题的数值模拟主要采用编制流体计算程序的方法进行研究，商用 c f d 软件推广使用后，大大减少了数值模拟研究的工作量，使复杂的流体问题的 模拟成为了可能，计算结果实现可视化，计算精度也能得到较好的保证。 2 0 世纪7 0 年代，第一个c f d 计算软件在美国诞生，直到2 0 世纪9 0 年代，c f d 软件才得到广泛推广使用。目前应用较多的计算流体力学商用软件有：英国c h a m 公司开发的p h o e n i c s 程序、a e a t 公司开发的c f x 软件、f l u e n t 公司开发的f l u e n t 软件以及c d 公司发行的s t a r c d 软件。这些软件将复杂的流体力学过程进行集 成，用户通过一定的接口输入有关变量的参数，最后获得流体运动的求解结果。 所有的商用c f d 软件都包括了前处理、求解和后处理三个环节，与之对应的程序 2 硕士学位论文 模块称为前处理器、求解器和后处理器。下面主要介绍本研究选用的国际上较为 流行的商用c f d 软件f 1 u e n t 。 f l u e n t 可以解决绝大部分流体的运动、热传递以及化学反应等问题。它具有 强大的网格支持能力、先进的物理模型和网格技术、多种数值计算方法以及强大 的前处理和后处理功能，在航空航天、汽车和船舶设计、材料加工、计算机、生 物医药、建筑等领域都有广泛的应用。f l u e n t 针对各种复杂的流动和物理现象， 采用不同的离散格式和数值方法，在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等 方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题【3 】。 c f d 商业软件均包括三个基本。g a m b i t 软件是一款f l u e n t 公司自行研发的用于 建立模型几何形状和计算区域并生成网格的前处理软件，它具有完善的几何建模 能力，能够生成满足c f d 计算精度要求的高质量网格。求解器是流体计算的核心， f l u e n t 系列软件的求解器主要有：f l u e n t 4 5 、f l u e n t 6 2 1 6 、f i d a p 、p o l y n o w 、m i x s i m 、 i c e p a k 等。其中本研究使用的f l u e n t 6 2 1 6 求解器是目前最为通用的c f d 求解器。 f i u e n t 求解器本身附带有比较强大的后处理功能，能够以输出图形和动画的方式 描述流体的计算结果，此外也可使用t e c p l o t 软件对数据进行更加高级的可视化后 处理。 1 1 3c f d 的求解过程 采用计算流体力学( c f d ) 方法求解流体运动的一般步骤为： ( 1 ) 分析所求问题中流体的运动特性，对流动问题进行合理的假设和简化， 建立力学模型。如分析流体是否为连续介质，是否可压缩，是否为理想流体，是 否为定常流动等。 ( 2 ) 建立流体运动的控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程，如 果不考虑热交换问题就只包括前两种方程，如果流动为湍流则应增加湍流方程。 ( 3 ) 建立数值模型并划分计算网格，网格的划分是计算结果是否能收敛及是 否能反映实际流体流动情况的关键。 ( 4 ) 根据所求解的问题确定数值模型的边界条件和初始条件，初始时刻流体 各物理变量的分布情况即流体的初始条件，研究流体瞬态问题时必须给定初始条 件，而稳态问题则不需，边界条件体现了在求解区域的边界上流体变量或其导数 随地点和时间的变化规律，所有流体的流动问题都要给出边界条件。 ( 5 ) 选择数值离散方法，建立离散方程，对边界条件和初始条件进行离散。 ( 6 ) 给定判断解收敛的控制参数，求解离散方程，如果解收敛则可得出数值 计算结果，如果解发散则返回第5 步，甚至必要时还需返回第3 步对数值模型和网 格进行适当修改才能再继续计算。 ( 7 ) 通过等值线图、矢量图、流线图、云图等可视化的方法将最后所获得的 3 计算流体力学( c f d ) 对平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究 速度分布、压力分布、能量耗散等物理量显示出来。 其求解过程如图1 1 所示。 流体特性分析，建立力学模型 土 建立控制方程 上 建立数值模型，划分网格 1 l 确定边界条件与初始条件 j r 砖古宣醣音壬晕l 廷业丙默力往1 1 l 离散边界条件与初始条件 上 给定求解控制参数 1 l 求解离散方程 厶否 鬈：岁沙 是f 显示和输出结果 圃11 ，1 c n 的世能：寸壬曼 1 2 沉淀池数值模拟研究进展 1 2 1 沉淀池基本理论 辞海中把“溶液中不易溶解的物质沉到溶液底层”的过程称为沉淀。在水 处理中，沉淀特指比重大于水的悬浮颗粒依靠重力的作用，从水中分离去除的过 程。根据悬浮颗粒性质、浓度以及絮凝性能的不同，沉淀又可分为自由沉淀、絮 凝沉淀、拥挤沉淀和压缩沉淀【4 1 。 ( 1 ) 自由沉淀：悬浮颗粒浓度小于5 0 m g l ，互相之间不发生碰撞，互不干 扰地在重力作用下完成沉淀的过程。例如沉砂池中砂粒的沉淀和初次沉淀池中低 4 硕士学位论文 浓度的悬浮物沉淀。 ( 2 ) 絮凝沉淀：悬浮颗粒浓度为5 0 5 0 0 m g l ，互相碰撞从而发生絮凝，粒 径与质量逐渐增大，加速向下沉淀的过程。例如二次沉淀池中活性污泥的沉淀。 ( 3 ) 拥挤沉淀：悬浮颗粒浓度大于5 0 0 m g l ，互相干扰碰撞，并且最后形成 一个整体共同向下沉淀的过程，悬浮物与水之间会出现清晰的固液分界面。例如 二次沉淀池下部污泥的沉淀过程和浓缩池中污泥浓缩的初始阶段。 ( 4 ) 压缩沉淀：是拥挤沉淀的继续，悬浮颗粒细小，力度较均匀，浓度又很 高( 大于5 0 0 0 m g l ) 时【5 1 ，在重力作用下，下层颗粒受到上层颗粒的压力被挤出 间隙水，底部的悬浮颗粒被压实浓缩。例如二次沉淀池污泥斗中和浓缩池中污泥 的浓缩。 沉淀池就是利用沉淀的方法将悬浮物从水中分离去除的构筑物，在自来水厂 和污水处理厂中均有应用。根据工艺布置的不同，可将污水沉淀池分为初次沉淀 池和二次沉淀池。其中布置在污水厂生物处理( 活性污泥法或生物膜法) 构筑物 之前，处理悬浮物质和b o d 5 的为初次沉淀池；位于生物处理构筑物之后，主要 用于沉淀活性污泥或腐殖污泥的为二次沉淀池。根据水流方向的不同，可将沉淀 池分为平流沉淀池、辐流沉淀池、竖流沉淀池和斜流( 斜管、斜板) 沉淀池。各 种型式沉淀池的优缺点及其适用范围如表1 1 所示。 表1 1 不同型式沉淀池优缺点及适用范围 平流沉淀池因其成熟的工艺、较少的投资和良好的适应性，在给水处理厂和 污水处理厂，甚至工业水处理中均得到了广泛的使用。 平流沉淀池是基于理想沉淀池理论进行设计计算的。它基于以下三点假设： ( 1 ) 沉淀池中的污水沿水平方向流速相等；( 2 ) 在池子入口处悬浮物颗粒沿横 截面均匀分布并处于自由沉降状态，水平方向颗粒流速与水的流速相等；( 3 ) 悬 浮物颗粒沉到池底即认为已被去除【4 j 。 5 计算流体力学( c f d ) 对平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究 1 2 2 沉淀池数值模拟研究进展 沉淀池是自来水厂和污水厂中最重要的水处理构筑物之一。国外学者对沉淀 池内流场实验测量和数值模拟研究起步较早，始于2 0 世纪7 0 年代，我国对沉淀 池的数值模拟研究始于2 0 世纪9 0 年代末期。早期的沉淀池数值模拟研究一般是 将三维的沉淀池模型简化为二维，应用单相流模型进行求解，将池中的悬浮物颗 粒视为流体的组分，通过悬浮物扩散方程来计算出悬浮物的浓度场，且未考虑流 体与颗粒的相互作用及热量传递。随着大型商业c f d 软件的开发以及计算机技术 的发展，沉淀池的数值计算方法日趋成熟，建立沉淀池的三维模型并应用多相流 模型( 沉淀池中一般为两相流) 进行求解以获得悬浮物的流场和浓度分布已成为 可能，且可考虑到悬浮物与水流的相互作用及热量传递，数值模拟研究的重点已 逐渐转移到实际工程中沉淀池的模拟和优化设计以及沉淀池模型的实验验证当 中。 1 2 2 1 沉淀池流场实验研究 比较经典的沉淀池实验测量有：l a r s e n 【6 】( 1 9 7 7 ) 采用超声波测速技术对平 流沉淀池及平流沉淀池模型进行了测量，获得了池中大量的流速数据；i m a m 等【7 ，8 】 ( 1 9 8 3 ) 采用激光多普勒测速法对沉淀池模型进行了测量，获得了池内二维速度 场分布；a d 锄s 和r o d i l 9 】( 19 9 0 ) 改变沉淀池进口方式，对矩形沉淀池进行了二 维实验测量和理论计算；d e i n i n g e r 等【1 0 】( 1 9 9 8 ) 利用超声波测速仪获得了辐流沉 淀池二维速度场实测数据。后人对沉淀池的数值模拟研究大都以上述经典实验的 实测结果作为模型验证的依据。 1 2 2 2 沉淀池单相流数值模拟 国外对沉淀池的单相流数值模拟：i m a m 和m c c o r q u o d a l e 【8 】( 1 9 8 3 ) 引入涡 量流函数方程对矩形沉淀池内不可压缩牛顿流体进行了二维数值模拟；c e i l k 和 r o d i 【j ( 1 9 8 5 ) 第一次提出采用湍流模型模拟矩形沉淀池；a d a m s 和r o d i 【9 】( 1 9 9 0 ) 引入了k - 湍流模型对矩形沉淀池内不可压缩流体进行了二维模拟；s i p i n gz h o u 和m c c o r q u o d a l e 【1 2 j ( 1 9 9 2 ) 建立了平流二次沉淀池的二维k - 湍流模型，模拟了 池中流速分布及悬浮物的浓度分布，提出了悬浮物浓度与流体密度的关系式； k r e b s 等【1 3 ，1 4 j ( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 建立了悬浮物颗粒运动方程，采用k 吒湍流模型对二 次沉淀池进行了二维数值模拟；k i m 等【1 5 】( 2 0 0 5 ) 采用非稳态的方法，建立k - 湍流模型对平流二次沉淀池进行了二维数值模拟。 国内对沉淀池单相流数值模拟：曾光明等【1 6 q 8 】( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 采用涡量流函 数方程和浓度迁移方程，建立了平流沉淀池二维模型，对沉淀池内不可压缩粘性 流体进行了数值模拟，并对平流沉淀池进行了优化设计；郭生昌( 2 0 0 4 ) 【1 9 】假定 6 硕士学位论文 沉淀池内流动为层流，建立二维不可压缩流场的控制方程，应用“多相欧拉模型 对平流沉淀池进行了计算和分析，同时对沉淀池构造进行了优化模拟；蔡金傍等 【2 0 宅2 】( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 建立了平流沉淀池的二维水流模型和悬浮物输运模型， 运用有限元法对数值模型进行求解，同时对平流沉淀池挡板位置、长高比及进水 口流速进行了优化模拟研究；屈强等【2 3 ，2 4 】等( 2 0 0 5 ) 利用f l u e n t 软件，采用k 吨 两方程湍流模型分别对折流式沉淀池、平流式初沉池进行了数值模拟，分析了其 中流场分布特点并提出了沉淀池改造建议；朱炜等【2 5 】( 2 0 0 5 ) 利用p h o e n i c s 软件对平流式二沉池内流场进行了数值模拟，并讨论了不同回流比对二沉池流态 的影响。 上述沉淀池的研究基于单相流模型，通过编写程序或c f d 软件计算出沉淀池 中水流的速度场，悬浮物视为流体的组分，通过悬浮物扩散方程来计算出悬浮物 的浓度场。 1 2 2 3 沉淀池多相流数值模拟 实际沉淀池内运动的流体包含了水流和悬浮物两种，特殊情况下还应考虑到 空气，沉淀池中的流体是多相流。目前已有不少学者实现了对沉淀池内多相流( 指 水流和悬浮物的两相流) 的模拟。屈强等【2 6 】( 2 0 0 6 ) 利用f l u e n t 软件，采用k 两方程湍流模型和混合物( m i x t u r e ) 两相流模型对辐流式二沉池进行了二维数值 模拟，获得了池中污泥的分布情况；王晓玲等【2 7 ，2 8 1 ( 2 0 0 7 ，2 0 0 9 ) 利用s t a r c d 软件，采用k 两方程湍流模型和欧拉两相流模型对平流式和辐流式沉淀池进行 了三维数值模拟，获得了沉淀池内的水流和悬浮物流场分布，并利用前人的实测 数据对数值模型进行了验证。我国对多相流的研究目前还处于探索阶段，沉淀池 数值模拟中应用的多相流模型一般只包含水流和悬浮物两相，所选用的模型包括 混合物( m i x t u r e ) 两相流模型和欧拉两相流模型。 1 3 课题的研究内容与意义 1 3 1 课题的研究背景及意义 平流沉淀池属于矩形沉淀池，水流为水平流向。平流沉淀池在给水处理厂、 污水处理厂和工业水处理中均有应用。 给水处理中沉淀主要的作用是去除水中固体悬浮物( s u s p e n d e ds o l i