（环境工程专业论文）利用仿真技术开发新型旋流池的研究.pdf

中文摘要 摘要 旋流池是钢铁行业热轧水处理工程中的一个重要构筑物，其作用是去除热轧 直接冷却回水中的氧化铁皮。合建式重力旋流池因清渣方便、沉淀效率较高，在 国内应用较多，其中内旋式旋流池又以占地面积较小，投资较少等优点而成为最 普遍的选择。 然而，在目前应用的合建内旋式旋流池中，还存在一些尚待研究和解决的问 题，其中比较突出的是吸水井的积泥现象、因积泥而造成的水泵泵体损害、高强 度的频繁清泥以及由此给生产管理带来的沉重负担等。 本研究以解决合建内旋式旋流池的积泥问题为出发点，把实际运行的传统旋 流池作为参考对象，通过软件模拟运行流态，研究了旋流池内流体速度场、压力 场及相关的氧化铁皮、铁屑的运动沉淀特征。通过对旋流池的理论分析，做出由 定性至定量的研究，本研究提出了相应的旋流池改进措施，并对各种改进措施进 行研究分析，较为全面和系统地研究了改进后新型旋流池的沉淀性能，获得旋流 池的优化设计参数，并得出以下结论： 传统旋流池可基本去除大于0 2 5 m m 粒径的氧化铁皮，且这些氧化铁皮主要 沉淀于旋流池底槽中。 新型旋流池取消吸水井使根本解决了积泥问题。 新型旋流池加设的穿孔板提高了氧化铁皮的沉淀效率。 新型旋流池可基本去除大于粒径为0 2 m m ，粒径的氧化铁皮。 关键词：合建式重力旋流池，内旋式旋流池，积泥问题，理论研究 a b s t r a c t s w i r lp o o li sa l li m p o r t a n ts t r u c t u r ew h i c hi su s e di nc o o l i n gw a t e rt r e a t m e n t p r o j e c to fs t e e li n d u s t r y i t c a l lr e m o v et h ei r o no x i d es c a l ei nt h ed i r e c tc o o l i n g b a c k w a t e r t h ec o m b i n e dc o n s t r u c t i o ng r a v i t ys w i r lp o o li sw i d e l yu s e di no u rc o u n t r y b e c a u s eo fi t sh i l g hs e d i m e n t a t i o ne f f i c i e n c ya n dc o n v e n i e n td r e g sc l e a r i n g c o n s i d e r i n g t h es m a l lo c c u p i e da r e aa n dl e s si n v e s t m e n t ，t h er o t a t i n g - t y p es w i r lp o o li st h em o s t p o p u l a rm e t h o d h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m sn e e d i n gt ob es t u d i e da n d r e s o l v e d s u c ha s a c c u m u l a t i o nm u di na b s o r b i n gw e l l ，p u m pd a m a g e w i t hm u d ，t h ef r e q u e n t h i g h i n t e n s i t ym u dc l e a r i n g a n di t sh e a v yb u r d e nw h i c hb r i n g t o p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t t h ef u n d a m e n t a lt a s ko ft h i sp a p e ri st or e s o l v et h ea c c u m u l a t i o nm u dp r o b l e mi n c o m b i n e dc o n s t r u c t i o nr o t a t i n g - t y p es w i r lp o o l ，t a k et h ew o r k i n gt r a d i t i o n a ls w i r lp o o l 锱r e f e r e n c e t od os o m er e s e a r c ho ns u c ha sf l u i dp r o f i l e ，p r e s s u r ef i e l d ，i r o no x i d e s c a l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs c r a pi r o np r e c i p i t a t i o nb yf l u e n ts i m u l a t i o n s o t h v a r e t h r o u g hq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n tm e a s u r e sc a nb em a d e b a s e do ns o m et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w eg e ts o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d s ，e x p l o r et h e d e p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e ws t y l es w i r lp o o lc o m p l e t e l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , w e g e t t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g np a r a m e t e r sa n ds o m ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( d t h e t r a d i t i o n a ls w i f tp o o lc a nr e m o v et h eo x i d i z e i r o ns h e e tw i t h g r a i n s i z e 0 2 5 r a m a n dt h e yd e p o s i t ea tt h eb o t t o m c u to ft h es w i r lp 0 0 1 t h en e ws t y l es w i r lp o o lc a n c e l sa b s o r b i n gw e l lt os o l v et h ea c c u m u l a t i o nm u d p r o b l e mt h o r o u g h l y t h ea d d i t i o n a lp e r f o r a t ep l a t ei nt h en e ws t y l es w i r lp o o li n c r e a s e s t h ed e p o s i t i o n r a t eo fo x i d i z ei r o ns h e e t 。 t h en e ws t y l es w i r lp o o lc a nb a s i c a l l yr e m o v et h eo x i d i z ei r o n s h e e tw i t h g r a i n s i z e o 2 m m k e y w o r d s ：c o m b i n e dc o n s t r u c t i o ng r a v i t ys w i f tp o o l ，r o t a t i n g t y p e s w i r lp o o l ， a c c u m u l a t i o nm u dp r o b l e m ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c h 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的量廷士学位论文国显颂盔红军缝堑垂碰逢丝盔碑互 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 t 。户 学位论文作者签名：弘致签字日期：酣曲夕= 力、 剔噬昏可弼 签字目期：矽叮f 2 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中囝博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程” ) ，愿意将本人的一士学位论文提交中围学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中困博士学位论文全文数据库、中同优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中困优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中围知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在瓦联网上传播，同意按“章程”规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学町以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 年月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：木声明及授权书堂亟装订在提交的学位论文最后一页。 1 背景意义 1 背景意义 1 1 内旋式旋流池的使用情况及问题 旋流池是钢铁行业热轧水处理工程中的一个重要构筑物，其作用是去除热轧 直接冷却回水中的氧化铁皮，据国内外有关资料表明其去除率可达8 5 9 5 ，因此 它在热轧水处理流程中占有非常重要的地位【1 】。合建式重力旋流池因清渣方便，沉 淀效率较高，国内应用较多，其中内旋式旋流池又以占地面积较小，投资较少等 优点而成为最普遍的选择，如宝钢1 5 8 0 m m 热轧水处理、武钢2 2 5 0 m m 热轧水处理 等均采用此种型式的旋流池。 该类旋流池断面如下图1 1 所示： 图1 1 旋流池断面示意图 f i g 1 1c r o s s - s e c t i o ns k e t c ho fs w i r lp o o l 1 2 目前需要解决的问题 然而，在目前应用的合建内旋式旋流池中，还存在一些尚待研究和解决的问 题，比较突出的是吸水井的积泥现象及因积泥而造成的水泵泵体损害、高强度的 频繁清泥以及由此给生产管理带来的沉重负担。在重钢院设计的项目中，甲方曾 多次建议在设计中对此加以改进。此外，迄今为止，国内设计院在设计旋流池时， 所采取的设计依据和采用的设计参数主要参考国外有关的文献资料1 2 1 ，而这些资料 重庆大学硕七学位论文 中参数数据的确定又来自多种渠道，且以工程实践性经验数据为主，旋流池设计 参数的确定长期以来一直缺乏相应的理论依据支撑，而这些相关理论对旋流池设 计的优化具有重要的现实意义。 因此，针对这些实际问题，本课题研究将以解决合建内旋式旋流池积泥问题 为根本点，在对旋流池流体速度场、压力场及相关的氧化铁皮、铁屑的沉淀特征 的理论分析基础上，对旋流池做出由定性至定量的研究，并据此提出相应的旋流 池改进措施【3 】；同时结合工程应用的需要，对旋流池目前的设计参数，如表面负荷、 进水流速、抓渣时间、流速梯度等的确定及其对旋流池性能的影响进行较为全面 和系统的研究，以期获得旋流池的优化设计参数，发挥其在生产中的最适化效能。 2 2 旋流池仿真开发的t 作路线 2 旋流池仿真开发的工作路线 本研究中遵循的工作路线如下： 针对吸泥井积泥问题，对已经建成运行的宝钢1 5 8 0 水力旋流池进行实际运 行工况参数的收集、测试、整理。以取得计算机建模的原始数据。 根据宝钢1 5 8 0 水力旋流池详细图纸和实际运行工况的调研参数进行旋流池 的数值建模。通过计算机仿真模拟，研究传统旋流池模型的流场分布规律和氧化 铁皮的沉淀规律，并通过和氧化铁皮实际沉淀规律的比较来证明计算机仿真建模 的可靠性，同时为优化旋流池提供比较依据。 根据传统旋流池的仿真模拟结果，提出旋流池单项优化的方案，对改进后 的旋流池进行计算机仿真模拟。得到单项改进模型的流场分布规律和氧化铁皮的 沉淀规律，为旋流池集成优化提供基础数据。 根据单项优化模型的仿真模拟结果，提出旋流池集成优化方案，对集成优 化后的新型旋流池进行计算机仿真模拟，得到新型旋流池模型的流场分布规律和 氧化铁皮的沉淀规律，从而达到优化旋流池结构、提高旋流池沉淀性能并解决吸 水井积泥问题的目的。 3 传统旋流池的仿真分析 3 传统旋流池的仿真分析 3 1 旋流池计算机仿真模拟分析软件及内容 为定量考察各种设计结构参数对旋流池流场及沉淀效率的影响，本研究采用 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 ) 方法对整个流场及固体颗粒运动进行模拟计 算。通过计算机仿真模拟，研究传统旋流池模型的流场分布规律和氧化铁皮的沉 淀规律，分析内容：流速场、压力场、氧化铁皮的沉淀效率。 3 2 传统旋流池的原始模型建模 3 2 1 采用宝钢1 5 8 0 m m 热轧旋流池为模型 由于宝钢1 5 8 0 m m 热轧旋流池是我国大型热轧厂2 0 世纪9 0 年代的典型代表，其 存在的问题也具有典型的代表1 4 1 。因此，本研究中传统旋流池的建模以宝钢1 5 8 0 水力旋流池为原型，其结构和运行数据均以实际运行为准。 3 2 2 传统旋流池建模的原始模型 构筑物参数 池深度( 锥底标高)3 1 9 m 总直径 0 2 6 5 m 中心筒直径 0 6 5 m 泵房地面1 3 0 m 铁皮坑泵组 1 ) 立式斜流泵( 用于送平流沉淀池二次处理) 型号：2 4 l b s a 3 2 参数：q = 2 7 0 0m 3 h h = 3 1 6 m 共7 台，5 用2 备 2 ) 立式斜流泵( 送部分水用于冲铁皮及熔渣粒化) 型号：1 2 l b s a 一4 4 参数：q = 7 5 0 m 3 h h = 4 4 m n - - 1 4 7 6 r m i n t 1 = 8 0 共4 台，3 用1 备 实际运行参数 为保证计算机模拟的真实性，旋流池进水流量按照实际工作的水量确定，即 由原设计的1 5 0 0 0m 3 h 调整为实际运行的1 2 3 0 0m 3 h ，水泵运行台数及布置方式也 做相应调整：考虑最保守的情况，相邻的四台吸水泵同时启用。 3 2 3 计算机建模的一些设定条件和参数 铁皮沟宽1 3 5 0 m m ，坡度0 0 2 ，粗糙系数0 0 1 3 。 重庆大学硕+ 学位论文 轧机直接冷却水回水水温：4 3 ，由此查得水的物性参数为：密度p = 9 9 2 2 k g m 3 ，动力粘度p = 0 0 0 0 6 3 2 1k g ( m s ) 。 氧化铁皮的密度按照3 o x l 0 3k g m 3 考虑。 根据以上参数首先对旋流池流场进行计算，在此基础上，计算氧化铁皮轨迹 模拟。 对上述固液两相流问题，采用大型c f d 软件f l u e n t 进行求解计算，并完成计算 结果的处理。 3 3 数值建模 旋流池流池内是一个复杂的三维湍流流动过程，其流动控制微分方程为： 挚：0 连续性方程：工。 ( 3 1 ) 动量方程：每c 暇2 南m 等+ 筹一够舞 _ 舞b 2 ， k 方程：去c 肌”= 去卜够筹) + g k + g b - 伊 n 3 ， 方程一8 x , ( p u 2 去卜岳，卜矽叮c 2 b 4 ， 有效粘度坳根据下式计算： k 2 万2 删+ p c j , 了 ( 3 5 ) 此处i ，t m o l 表示分子粘度。方程组中系数口k = 1 0 ，口s = 1 3 ，c 1 - 1 4 4 ，c 2 ，= 1 9 2 ， g k 和g b 等的计算参见有关文献。在流场近壁区，采用双层非平衡壁面函数法进行 处理。旋流池中与大气连通的水平液面为自由液面。 对于旋流池中氧化铁皮运动的模拟，应用连续流中离散相颗粒运动模型对池 中不同粒径的颗粒运动轨迹进行预测计算，从而计算出沉淀效率。连续介质中离 散相的轨迹计算基于对颗粒力平衡方程的积分求解。在x 坐标方向液流中颗粒的力 平衡方程为： 学2 ( ，) + g j ( 砟一p ) 砟似 霄一1 8 x c d r e 式中f d 为单位质量颗粒所受到的液流阻力， u 砟缉 2 4 ；u 表示液流速 度，u p 表示颗粒速度，肛为液体动力粘度，p 为液体密度，砟为颗粒密度，d p 表示 颗粒直径。 6 3 传统旋流池的仿真分析 r e p d p 1 “p - u i 雷诺数r e 的定义如下： 一 ；对于光滑的圆形颗粒，阻力系 c 。：“+ 旦+ 皂 数c d 拱y 式计算： “ r e r c 。上式中常数a 由m o 戚或a 1 蛐d e r 的文献 确定。公式( 36 ) 右端第二项表示重力的影响。右端第三项为附加力，诸如颗粒加速 的虚拟质量力和压力梯度引起的力、剪切升力等存此不再赘述。 对以上固体颗粒的力平衡方程，采用时间积分的方法进行求解。为简化问题， 此处不考虑颗粒与掖流之间的热、质交换，即不考虑颗粒与连续相之间的相互影 响。利用c f d 分析软件中的离散相模拟模型进行计算时，假定一定数量或质量流 率的颗粒均布在旋流池入口截面上，出口边界均设定为“吸附”边界，通过颗粒轨迹 计算得到壁面和出口截面各自吸附的液滴流量由此计算出沉淀效率“。 根据宝钢1 5 8 0 热轧旋流池的实际结构进行建模，并利用f l u e n t 软件的前处理模 块进行旋流池几何建模并进行网格划分。为了节省内存空间，采用分块网格划分 的方法。整个区域划分为1 5 块，在规则区域爆量利用六面体单元进行区域离教， 以减少离散单元数，罄个区域划分约7 6 3 8 1 3 个混合型单元。其模型网格划如下圈 3 1 所示： 圉31 旋流池模犁阿格划分不意图 f i g 31f i n i t e d e m e n t m o d e l o f s w i r lp o o l 3 4 传统旋流池流场分布与分析 3 4 1 流体力学基础 水力旋流池是通过流体压力产生水流旋转运动进而进行固渡分离的构筑物。 旋流池内流体流动的速度可分为三个方向上的速度分量：切向速度、轴向速度与 径向速度。在中心筒中，较大的切向速度产生了较大的离心力，有助于固液的分 重庆大学硕士学位论文 离；对于轴向速度而言，它的主要作用在于分析水流旋流方向，为预测流体质点 或分散相颗粒进入旋流池以后的运动轨迹【6 1 。因此，对流速分布的充分了解对于描 述分散相粒子的运动轨迹和预测分离效率都是有必要的。 若流体以静压力p o 、初速度u 0 沿切向进入旋流池，为分析简单起见不计压头 损失，则就入口处与螺旋形流线上的另一点列出的伯努利方程为： p 0 p + u 0 2 2 = p p + u 2 2 按通常的研究方法，在柱坐标系内，旋流池内的流体速度可以分解为径向速 度1 1 1 、切向速度u e 及轴向速度u z ，则 u 2 = u r 2 + u 0 2 + u z 2 沿切向输入的流体在不计损失的情况下，其旋转动量矩将保持不变，应有： u o r = 常数 由此可以分析得到，当回转半径r 减小，切向速度会增大。而在进口处，u 0 = u 0 ，r = r ( r 为旋流池中心筒半径) 。这样，旋流池内部任一点r u o ，所以必有l l u 0 ，从而p ，、 ， 、 0 0 2 3 、 - 0 2 3 7 0 0 0 6 4 轴向速度等值线图( 前视图) 图3 5 一号水泵y 方向切面分速度等值线分布图 f i g 3 5t a n g e n tc o m p o n e n tv e l o c i t yi s o l i n ed i s t r i b u t i o nm a pi ny d i r e c t i o no f n o 1p u m p 3 传统旋流池的仿真分析 岛 巷 啼 灌 争 切向速度等值线圈( 前视3 6 崮) 二号东泵y 方向切面分速度等值线分布剖 r i g 36t a r l g tg o m p o n e l l t v e l o c i t y i s o l i n ed i s t r i b u t i o n m a p i n yd i r e c t i o no f n o2 p 岫p 重庆大学硕士学位论文 径向速度等值线图( 左视图) c o m o m # “t g e 呲v e l o c i t y ( m ，5 l 切向速度等值线图( 左视图) 0 2 1 轴向速度等值线图( 左视图) 图3 7 三号水泵y 方向切面分速度等值线分布图 f i g - 3 7t a n g e n tc o m p o n e n tv e l o c i t yi s o l i n ed i s t r i b u t i o nm a p i nyd i r e c t i o no f n o 3p u m p 3 传统旋流池的仿真分析 径向速度等值线图( 左视图) 3 0 1 1 c o r r t c u r ；“l a d i a lv e l o c i t yf m ，；) 轴向速度等值线图( 左视图) c o n t o u r ；o tt a a g e 呲i a lv e l o c i t y 【m j 5 】 切向速度等值线图( 左视图) 图3 8四号水泵y 方向切面分速度等值线分布图 f i g 3 8t a n g e n tc o m p o n e n tv e l o c i t yi s o l i n ed i s t r i b u t i o nm a pi ny d i r e c t i o no f n o 4p u m p c o o u r ：o ia x i a lv e l o c i t y 【m ，5 ) 径向速度等值线图( 前视图) 1 3 c o m o q r ；o l ll a d i a lv e l o c i t 5 , 【m ，；】 轴向速度等值线图( 前视图) 重庆大学硕士学位论文 ：瓣 i 隧逶慈 逶饕i 雾擎 三号水泵y 向切面台速度等值线圈 ( 左视圈】 四号水泵y 向切面台速度等值线图 ( 左视图1 3 传统旋流池的仿真分析 逶亲 队。一号至。嚣嚣鼻黥慧篱舄g 嚣爨艘等值线分布。 啦3 ”7 a n g c n t 一”“喘鬻黑窖i 。s “，。b u ： o i l ”6 ”“ 一号水泉y 向切q 沙 妇v q _ 。 【_ 5 j川州 三号水泵y 向切面台速度等值图( 左视图)四号水泵y 向切面台速度等值图( 左视图) _ # 麟淼瓣辫麟黧馘 $m。囊“_ l；llll篓辫；i黜霹i 重庆大学硕士学位论文 圈像分析 1 ) 一号至四号水泵y 向切面流速分布分析 根据图3 - 5 图3 1 1 的等值线图，町知一、二、三、四号水泉y 向切面的速度分 布规律是类似的，为避免重复本报告只对一号水泵y 向切面的速度分布进行详细 的说明和分析，二、二三、四号水泵y 向切面的速度分布规律可以此类推。 在水力旋流池内的三维旋流运动中，切向速度具有撮重要的地位，这不仅是 因为切向速度在数值上要太于其余两向速度，更重要的是切向速度产生的离心力 是旋流池内两相分离的基本前提。对一号水泵y 向切面的切向速度分布进行分析， 可以发现在中心筒部分，流体切向流速的绝对值随着半径的减小由25 0 2 m s 减小到 0 0 2 1 m s ，其水流方向为负；当半径接近0 时，水流方向变为正向，其速度值为 0 0 4 3 m s 。在沉淀区下区，流体切向流速的绝对值随着旋流沉淀池半径的减小从旋 流池近壁面处的0 0 8 4 m s 开始逐渐增大，在某一径向距离处达到最大值0 9 7 5 m s 而后随着半径的进一步减小开始逐渐下降，在半径接近为0 的位置切向流速的绝对 值降为最小值00 9 4 m s 。在沉淀区上区，流体切向流速的绝对值随着旋流沉淀池半 径的减小，由00 8 4 m s 增大到0 5 3 0 m s 。沉淀区下区和沉淀区上区的水流方向都为 负向，即为顺时针旋转m 。 对一号水泵y 向切面轴向速度分布而言，在中心筒部分，流体轴向速度随着半 径的减小从- 11 8 9 1 n s 变为- 0 0 6 4 m s ，轴向速度方向向下。随着半径的进一步减小， 在旋流池半径的中部地带通过零速度点，随后轴向速度的方向转为向上，轴向速 度值随着半径的减小而逐渐增大，当半径接近0 时，轴向速度值增为0 3 6 9 m s 。在 沉淀区下区，轴向速度随着半径的减小从0 1l o m s 减小为0 0 2 3 m s ，此时轴向速度 方向向上。随着半径的继续减小，轴向速度方向变为朝下，轴向速度从一00 6 4 m s 变化为_ o6 7 0 m s ( 绝对值逐渐增大) ，然后又逐渐变化为_ o0 6 4 m s ( 绝对值又逐渐减 蓑鬻嬲；ll；_te篁 3 传统旋流池的仿真分析 小) 。当半径进一步减小时，轴向速度方向又变为朝上，其值从0 0 2 3 m s 增大到 0 3 6 9 m s 。不难发现，中心筒存在一个零轴速包络面，沉淀区下区存在两个零轴速 包络面。中心筒零轴速包络面外侧的液体向下流动，形成外旋流，零轴速包络面 内侧的液体向上流动形成内旋流。沉淀区下区形成三个旋流，从半径由大n 4 , 的 方向【3 j ，分别形成向上、向下、向上的旋流。在沉淀区上区，流体轴向流速的绝对 值随着旋流沉淀池半径的减小，由0 0 2 3 m s 变化为一0 0 6 4 m s ，再逐渐变为0 1 5 0 m s ， 可以看出，沿半径由大n d , 的方向，分别形成向上、向下的旋流。 同样可以分析得到一号水泵y 向切面径向速度分布规律：在中心筒部分，随着 半径的减小，流体径向速度由0 0 4 7 m s 逐渐增大n o 1 5 9 m s ，在半径接近为o 的位置 径向速度又有所降低，其值为0 1 0 3m s ，径向速度的方向是由轴心指向器壁，内 旋流区的径向速度变化幅度比外旋流区的变化幅度要大。在沉淀区下区，流体径 向速度的绝对值的范围约在0 0 0 9 m s n 0 3 8 2 m s 之间，从分布上来讲，比较杂乱， 无明显规律。在沉淀区上区，流体径向流速随着旋流沉淀池半径的减小，由 0 0 0 8 m s 变化为0 2 3 l m s ，径向流速的方向指向轴心。另外，从图中还可以发现， 径向速度的数值要比轴向速度和切向速度要小一至两个数量级。 一号水泵y 向切面合速度分布类似于切向速度分布，即合速度的大小和方向变 化规律和切向速度的大小和方向变化规律是一致的。中心筒中流体合速度绝对值 范围在0 1 2 1 m s n 2 5 4 2 m s 之间( 不包括中心筒的进水口部分，进水口瞬间水流速度 可达到3 4 1 8 m s ) 。沉淀区中流体合速度绝对值范围在o 1 8 2 m s 至u 1 2 7 1 m s 之间；其 中从沉淀区上区接近吸水井围堰的区域到吸水井围堰处的合速度绝对值由 0 2 9 5 m s 增n o 6 4 4 m s ，流速递增的原因在于过流断面从沉淀区上区接近吸水井围 堰的区域到吸水井围堰处是逐渐减小的，这种速度递增，不利于粒子在沉淀区的 沉淀。 这里再分析一下吸水井中流体的合速度分布( 水泵吸入口附近的流速分布不在 这里分析) ：沿半径减小方向，吸水井中流体的流速先从0 0 6 1 m s 增大n o 4 2 4 m s ， 然后又逐渐减d , n o 0 6 1 m s ；沿着y 坐标增大的方向，吸水井中流体流速从0 0 6 1 m s 增大n o 4 2 4 m s 。 2 ) 6 8 度y 向切面流速分布分析 对6 8 度y 向切面的切向速度分布进行分析，可以发现在中心筒部分，流体切向 流速的绝对值随着半径的减小由2 2 4 8 m s 减+ n o 0 2 1 m s ，水流方向为负；当半径 接近0 时，水流方向变为正向，其速度值为0 0 4 3 m s 。沉淀区下区和沉淀区上区的 流速分布分析同一号水泵y 向切面的沉淀区下区和沉淀区上区的流速分布分析。 对6 8 度y 向切面轴向速度分布而言，在中心筒部分，流体速度值随着半径的减 小从0 9 3 0 m s 变为0 0 6 4 m s ，速度方向向下。随着半径的进一步减小，在旋流池 半径的中部地带通过零点，随后轴向速度的方向转为向上，速度随着半径的减小 而逐渐增大，当半径接近0 时，速度值增为0 3 6 9 m s 。沉淀区下区和沉淀区上区的 1 7 重庆人学硕士学位论文 流速分布分析同一号水泵y 向切面的沉淀区下区和沉淀区上区的流速分布分析。 6 8 度y 向切面径向速度分布同一导水泵y 向切面径向速度分布。 就6 8 度y 向切面台速度而言，其中心简中流体台速度绝对值范围在0 1 2 1 m s 至0 22 4 0 m s 之间。沉淀区中流体合速度绝对值范围在01 8 2 m s 到1 1 5 0 m s 之间：其中 从沉淀区上区接近吸水井围堰的区域到吸水井围堰处的合速度绝对值的变化规律 与一号水泵y 向切面的分布规律类似。吸水井中流体的合速度在沿着半径减小方 向，逐渐从00 6 1 m s 增大到0 2 4 2 m ，s 然后又减, b u o 0 6 1 m s 。沿着y 坐标增大的方 向，吸水井中流体流速从00 6 1 m s 增大到0 4 2 4 m s 。 3 1 水泵入口y 方向切面速度等值线分布图 一号水泵入口y 向切面速度等值线图 ( 前视图) 燃 蟒1 02 啦7 ，7 = 号水泵 口y 向切面速度等值线图 r 前视图1 三号水泵入口y 向切面速度等值线圈四号水泵入口y 向切面速度等值线圈 (左视酗)c左视图) 图3i 2 水泵入口y 方向切面速度等值线分布圈 f i g 31 2 t 蛆g e m v d 吲竹洲i 鹏d i s l t i b u l i o n m a p i n yd i r e c t i o n f o r e n n y o f p u m p ；缪， 驯纛鬟懂髓戆攀j鬻 戮羞黼誉兹勰 熏_l=_- 蠡势，漶峨 鋈黧瓣激，i 3 传统旋流池的仿真分析 图3 1 2 表明一、二、三、四号水泵入口的流速分布规律类似。 在水泵吸入口流速由0 4 2 4 m s 开始逐渐增大，这里假定水泵吸入口流速起始点 的值为0 4 2 4 m s ，这和上面吸水井中流速分布分析相匹配，在吸水井中，各水泵y 方向切面的最大流速为0 4 2 4 m s 。速度等值线梯度的变化随着至水泵吸入口距离的 减小而越趋明显，即等值线逐渐变密。速度最大值出现在水泵入口的最小断面， 其值为4 8 4 2 m s 。 典型切面速度矢量图与分析 一号水泵y 方向速度矢量图与6 8 度y 方向切面速度矢量图如图3 1 3 和图3 1 4 所 示。 由于一、二、三、四号水泵y 向切面的速度分布规律是类似的，为避免重复， 本报告只对一号水泵y 向切面的速度矢量图进行详细的说明和分析，二、三、四号 水泵y 向切面的速度矢量图可以此类推。 由速度矢量图可以看到，在水泵所在y 方向切面上，从中心筒至沉淀区下区存 在一个从中心筒壁面自上而下然后再经过中心筒轴线向上的涡流，在沉淀区还存 在一个沿沉淀区外壁面上升并沿沉淀区内壁面下降的涡流，在a 点拐角处为这两个 涡流的交界点。这种水流方向使小粒径铁皮不易沉积下来，而易重新被带入中心 筒上部或被带入沉淀区上区。所以水力旋流池的沉淀区的流速控制很为重要，不 能过高而导致小粒径铁皮的沉积失败。根据合速度等值线分布图来看，本模型中 沉淀区下区水流的速度值在0 1 8 2 r n s 型j 1 2 7 1 m s 之间，沉淀区上区水流的速度值在 0 18 2m s - - 0 6 0 5 m s 之间。 吸水井中水泵入口两侧形成强烈的湍流水流，在水泵所在y 方向切面上，吸水 井中也存在两个涡流，流向为沿水泵两侧下降，沿吸水井侧壁上升。此涡流的流 速在0 4 2 4 m s 以下。从减少吸水井积泥的角度来看，增加该速度有利于带走吸水井 的积泥。 1 9 重庆大学硕士学位论文 ：繁 l 一心： 、tp l 拳、辩 麓、蟹i i 雾瀵 一号泵y 方向切面水泵入口速度矢量图一号泵y 方向切面a 区域速度矢量图 ( 前视图)( 前视图) 图31 3 一号水泵y 方向速度矢量圈 f i g 3 1 3 v e l o c i t yv e c o 鲫i n yd i r e c t i o n o f n o1p u m p - _ - 再 1，- 3 传统旋流池的仿真分析 暖 睡 6 8 度y 方向切面速度矢量创( 前视幽) - 黧 l 翳 6 8 度y 方向切面a 区域速度矢量图( 前视图) 6 8 度y 方向切面b 医域速度火星圈( 前视图) 图31 46 8 度y 方向切面速度矢量酗 f i g3 1 4 t a n g e n t v e l o c 畸v e c 协g r a r n i n 6 8d e g r e e y d i r e c t i o n 各切面压力等值分布圈与分析 各切面压力等值线分布圈如图31 5 所示。 1 ) 一、二、三、网号泵y 方向切面投部分横切面压力等值图分布分析 根据一号水泵y 方向切面压力等值图可以得到，从中心筒旋转轴沿着半径增大 方向，压力( 相对静压力) 从小增大。 中心筒和沉淀区的压力分布明显分为四个区域，其范围分别为：2 9 24 9 9 51 2 6 p a ：51 2 6 3 0 27 5 0 p a ：3 0 27 5 0 6 0 03 7 5 p a ；6 0 03 7 5 8 9 80 0 0 p a 。在中心筒 的上部靠近轴线处，存在负压区域。 旋流沉淀池的中心筒至沉淀区的压力梯度足随半径增大而由低到高分布，根 据伯努利方程，在同一流线上，压力较大的地方流速较小，从而可以推导得到中 心筒中流体的的速度值较大，沉淀区下区中流体的速度值次之，在沉淀区上区中 流体的速度值虽低。 中心筒中流体速度较大将有利于在离心力场中形成连续相流体与分散相颗粒 f 铁皮) 之间的速度差。沉淀区流速较低对于旋流池的铁皮沉淀也是有利的。吸水井 中的压力值范围( 除去水泵入口区域形成负压外1 在3 0 27 5 0 6 0 03 7 5 p a 之_ 问。 二四号泵y 向切面的压力梯度分布类似于一号泵。 黎 銎一 _ 重庆大学硕士学位论文 根据6 8 度y 方向切面压力等值图可以得到，中心筒至沉淀区压力梯度范围也分 为四个区域，其值的范围和一号水泵y 方向切面的压力梯度范围相同。 吸水井中的压力值范围也在3 0 27 5 0 6 0 03 7 5 p a 之_ 问和一号水泵y 方向切面 压力梯度分布所不同的是该切面中由于没有水泵，所以没有形成水泵入口的较强 的负压和流速，因此在该切面较易形成铁皮的沉积。 2 ) 水泵入口压力等值线分布图分析 由图31 6 可知，在水泵入口附近，压力由正值逐渐减为负压，到水泵入口的位 置，迅速形成很强的负压( 可以达到2 0 5 3 09 9 p a ) ，把水流吸入泵体。 由于水泵口形成强负压，使得吸水井中产生较为激烈的涡流( 涡流方向已在矢 量图分析中明确) ，在客观上有利于消除吸水井积泥。 图3 1 5 和图31 6 见下。 阳 蒌譬 燃、 嶙l 一号泵y 方向切面压力等值图( 前视图)二号泵y 方向切面压力等值图( 前视图) 乙 l 篡 鲚：0 爱t 1 6 t + o 麟k 号泵y 方向切面压力等值图( 左视嘲)四号泵y 方向切面压力等值图( 左视图) 黧瑟懑瑟瑟_*jjnh_ 蠢麓薰罴篡器 |i_ 3 传统旋流池的仿真分析 一b ” r 一一b 一 一号水泵入口压力等值线例二号水泵入口压力等值线圈 一一。1 m ：二：一： ：= = ：= ：j 一6 4 一一一 7 一” 一， 一”9 ：= = ：= ：；、“”3 r b ”d ) 。* ”q 号水泵人口压力等值线圈四号水泵 口压力等值线圈 囝31 6 水泵入口压力等值线分布图 f i g 31 6 p r e s s u 坨i s o l i n e d i s l f i b u t i o n m a p f o r e n t r y o f p u m p 拈 iumiiihiij 重庆大学硕士学位论文 3 5 典型切面交线的速度与压力分布与分析 3 5 1y = 2 5 m 与二号水泵y 方向切面交线 由图3 1 7 看出，横坐标从0 至3 3 m 这段对应于中心筒，很显然流体在中心筒轴 线处速度较小，随半径增加速度呈抛物线增长，在中心筒近壁面处获得较大速度。 中心筒轴线处的压力也是处于较小水平，相对静压接近0 ，随半径增加压力也呈抛 物线增长，在中心筒近壁面处获得较大压力。 横坐标从3 8 m 至9 5 m 这段对应于吸水井，流体在吸水井近壁面的速度很低， 在吸水井水泵布置区域附近速度较大，在水泵吸入口速度值剧增。由于吸水井的 壁面附近流体速度较低，所以吸水井中的积泥主要沉积在这个区域，而在水泵附 近由于流速较大，积泥较少。吸水井内的压力分布比较平缓，当然在水泵吸入口 获得很大的负压，接近2 8 0 0 p a 。 横坐标从9 7 m 至1 2 8 m 这段对应于沉淀区上区，流体的速度基本相同。此段压 力分布较为平缓。 图中存在的间断位置对应吸水井的壁面。 3 0 0 c 0 0 0 2 s o t 0 0 复e 0 0 v d o c i t 5 i i 5 0 e * 0 0 k g n i t u d e ( m ，；) 1 0 0 e * 0 0 5 o o e 0 1 0 o o e + 0 0 1 5 0 e + 0 3 0 0 e + 0 3 5 t o a 0 0 0 e + 0 0 - 5 0 0 e + 0 a 文甙i c t r e 5 5 u 一0 0 e + 0 3 幢a 5 c a i l 5 0 a * 0 3 - a o o t + 0 3 - a s 0 t 0 3 3 0 0 e * 0 3 0a4681 0伯1 4 0 2681 01 2 1 4 p o # i t i o a 【m ) f o - ，i t i o m ( m ) 合速度分布图压力分布图 图3 1 7y = 2 5 m 与二号水泵y 方向切面交线图 f i g 3 1 7t a n g e n ti n t e r s e c t i o nm a pf o ry ；2 5a n dy d i r e c t i o n 3 5 2y = 5 m 与二号水泵y 方向切面交线 由图1 8 看出，横坐标从0 至3 2 m 这段对应于中心筒，流体在中心筒轴线处速度 较小，随半径增加而呈抛物线增长，在中心筒近壁面处获得较大速度。中心筒轴 线处的压力也是处于较小水平，相对静压接近o ，随半径增加也呈抛物线增长，在 接近中心筒壁处获得较大压力，由于横坐标在3 0 m 到3 2 m 这段所对应的中心筒的 半径有突然增大，所以该段静压略有下降。 横坐标从4 5 m 至1 2 2 m 这段对应于沉淀区，沉淀区近内壁面处的流体速度比近 外壁面处的流体速度要大，不过从内壁到外壁流体速度变化平缓。此段压力分布 3 传统旋流池的仿真分析 亦较为平缓。横坐标从3 2 m 至4 5 m 这段对应于分割中心筒和沉淀区上区的钢筋混 凝土构筑物。 0 s o e 0 0 a 3 5 e + 0 0 a 0 0 e * 0 0 1 ? 5 e + 0 0 5 0 e * 0 0 v c i o c h d 2 5 e 0 0 m j 口斑u d e 7 ( m “o o e 0 0 7 s o e - 0 1 5 o o e 0 1 2 5 0 e 0 1 0 o o e 0 0 r 、 1l 0268 1 0 1 80 a681 01 81 4 t o ；h i o n 【m j3 o s i t i o n 【m j 合速度分布图压力分布图 图3 1 8y = 5 m 与二号水泵y 方向切面交线图 f i g 3 1 8t a n g e n ti n t e r s e c t i o nm a pf o ry = - 5a n dy d i r e