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郑州大学硕士学位论文 平流沉淀池流态的试验研究和数值模拟 摘要 随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，水资源短缺和水资源污染成为人类面临 的重大问题，解决此问题的一个重要途径是水处理工程。沉淀是水处理工程中的一个重要 环节，大量的悬浮物在沉淀过程中被去除。从某种程度上讲，沉淀过程的好坏直接影响着 整个水处理工程的好坏。本文用模型实验和数值模拟的方法研究了给水厂平流沉淀池的流 态。 对于沉淀池，前人多从理论分析和数值模拟两方面进行研究，很少有人涉及实验研究。 本文将相似理论引入沉淀池的实验研究，制作沉淀池的物理模型，建立沉淀池实验系统， 并运用p i v 技术对物理模型进行二维流场测速。通过对实验结果的分析，得出一些结论： ( 1 ) 沉淀池内的流场不能简单地看作是湍流还是层流，而是分为入口区域、沉降区域和出 口区域，每组区域的流态不同，对悬浮物的沉降也有不同的影响；( 2 ) 在沉淀池的入口和 出口存在两个水流“死区”；( 3 ) 沉淀池内湍流形成的根本原因是布水不均。通过对实验 结论的分析，本文也对沉淀池的设计和运行提出了一些建议。 本文还在总结前人对平流沉淀池的数值模拟成果的基础上，建立了沉淀池的数学模型 和悬浮物沉降模型，运用c f d 软件，通过压力校正法求解非正交网格上的各项变量，最 终模拟出平流沉淀池内的流场，并与实验结果进行比较，得出结论：模拟结果与实验结果 大体一致，数值模拟能在一定程度上代替实验研究，但仍需提高精度。 关键词：平流沉淀池；实验研究；p i v ；数值模拟；c f d 郑州大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nf l o w p a t t e r no f h o r i z o n t a ls e d i m e n t a t i o nt a n k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fq u a l i t yo fl i f e ，t h e s h o r t a g ea n dp o l l u t i o no fw a t e rr e s o u r c e sh a sb e e nb e c o m i n ga l lu r g e n ti s s u et ot h eh u m a n b e i n g so nt h ee a r t h o n eo ft h ei m p o r t a n tw a y st od e a lw i t ht h i sp r o b l e mi s t ob u i l dw a t e r t r e a t m e n tp r o j e c t s s e d i m e n t a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp r o c e s si nt h ew a t e rt r e a t m e n tp r o j e c t , a n d al a r g en u m b e ro fs u s p e n d e ds o l i d sc a nb er e m o v e di nt h i sp r o c e s s i naw a y , t h ee f f e c t i v e n e s s o ft h ew h o l ep r o j e c ti si n f l u e n c e db yt h ee f f e c to fs e d i m e n t a t i o n t h ew h o l ep r o c e s sw i l lb e i n f l u e n c e db yt h ee f f e c to fs e d i m e n t a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dw i t ht h em o d e le x p e r i m e n ta n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dh a sg i v e nt h ef l o wp a t t e r no ft h er e c t a n g u l a rs e t t l i n gt a n k si nt h e w a t e rp l a n t t h e s e t t l i n gt a n kh a d b e e ns t u d i e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o db ym o s to f t h ep r e d e c e s s o r , b u tv e r yf e wu s e dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y i nt h i sp a p e r , t h e s i m i l a r i t yt h e o r yw a si n t r o d u c e di n t ot h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o f t h es e t t l i n gt a n k ，t h e nap h y s i c a l m o d e lw a sm a d ea n da ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h es e t t l i n gt a n kw a sb u i l d a n dt h ep i v t e c h n o l o g yw a su s e dt om e a s u r et w o d i m e n s i o n a lf l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni n t h ep h y s i c a l m o d e l s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nf r o mt h er e s u l to ft h et e s t s ：( 1 ) i nt h es e t t l i n gt a n k , f l o w f i e l dc a n n o ts i m p l yb er e g a r d e da st h et u r b u l e n to rt h el a m i n a r , b u ti ts h o u l db ed i v i d e di n t ot h e i n l e tr e g i o n ，t h es e t t l e m e n tr e g i o na n dt h eo u t l e tr e g i o n ，t h ef l u i dp a t t e r no fe a c hg r o u pi s d i f f e r e n t , a n de a c hg r o u pa l s oh a st h ed i f f e r e n ti n f l u e n c et ot h es e d i m e n t a t i o no ft h es u s p e n d e d s u b s t a n c e ( 2 ) t h e r ea r et w od e a d - z o n e so fw a t e rc u r r e n ti nt h es e t t l i n gt a n ke n t r a n c ea n dt h e e x p o r t ( 3 ) i nt h es e t t l i n gt a n k , t h eb a s i cr e a s o no ff o r m i n gt u r b u l e n ti st h eu n e v e nw a t e r d i s t r i b u t i o n t h i sa r t i c l ea l s op u t sf o r w a r ds o m ep r o p o s a l st ot h es e t t l i n gt a n kd e s i g na n dt h e o p e r a t i o nf r o mt h ec o n c l u s i o no f t h e t e s t s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o no fs t u d yr e s u l t so ns e t t l i n gt a n k sb y p r e d e c e s s o r s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp r e d i c t i n gt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n i nr 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 k si sd e v e l o p e d u s i n gs i m p l ea l g o r i t h mf o ran o n - o r t h o g o n a lc o l l o c a t e d 鲥d sv a r i a b l ea r r a n g e m e n t , t h ev a r i a b l e sc a nb es o l v e dw i t ht h ec f ds o f t w a r e t h e n , t h e c u r r e n tf i e l di sf i n a l l ys i m u l a t e d s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nb yc o m p a r i n gw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t t h es i m u l a t i o nr e s u l t i sr o u g h l yc o n s i s t e n tw i t ht h et e s tr e s u l t t h e i i 郑州大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nr e p l a c et h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h ec e r t a i nd e g r e e ，b u ts t i l lh a st o i n c r e a s et h e p r e c i s i o n k e yw o r d s ：r e c t a n g u l a rs e t t l i n gt a n k s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；p i v ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c f d i i i 郑州大学硕士学位论文 1 引言 1 1 概述 水是生物圈中最丰富的化学物质，也是地球上最丰富的液体。地球上含有约1 4 1 0 “ 立方米的液态水，足可以均匀地以2 7 千米的深度覆盖整个地球。虽然地球上水的总储量 很大，但其中的9 7 4 7 为含盐量较高的咸水，真正能够满足人类生理和生活需要的淡水 资源仅占地球水总储量的2 5 3 。即使在这些有限的淡水资源中，也有近7 0 以冰川、 永久积雪、常年冻土和深层地下水的形式存在，分布在地表河湖、土壤和地下6 0 0 米以内， 能方便地供人类利用的淡水仅有1 0 6 5 1 07 立方千米，仅占全球淡水总量的3 0 4 和全球 水资源总量的o 7 7 ( 如图1 1 所示) 。从这个意义上说，可供人类利用的水资源其实并 不充裕。同时，由于水资源在时空上的分布不均、水资源污染及水资源在使用过程中的浪 费，世界上很多国家都面l 临着水资源短缺的问题。随着经济的发展，人类对水资源的需求 又不断增长，这加剧了水资源短缺与需求之间的矛盾。水资源短缺已经成为全球面临的重 大问题。 图1 1 可利用的淡水资源 我国水资源短缺的形势十分严峻。我国水资源总量为2 8 万亿立方米，居世界第6 位， 但人均占有量只有2 3 0 0 立方米，仅为世界人均占有量的l 4 ，排在世界第1 2 1 位，是全 郑州大学硕士学位论文 球1 3 个贫水国家之一。 近年来，我国水环境的恶化程度也随着人口的增加和城市工业化与日俱增，水污染问 题日益加剧。根据水利部发布的 2 0 0 5 年水资源质量年报，在2 0 0 5 年度全国全年总评 价的1 4 万多千米的河长中，i i i i 类水中占总评价河长的6 0 9 ，v 类水河长占1 7 8 ，劣v 类水河长占2 1 3 ；在七大水系评价的约9 5 万千米河长中，i i 类水中占总 评价河长的5 6 1 ，v 类水河长占1 9 3 ，劣v 类水河长占2 4 6 。 水污染控制已成为我国水环境保护和水资源利用过程中最紧迫的任务。如何合理有效 的解决这一问题，是我国环境工作者所面l | 缶的重大课题。 1 2 问题的提出 为了解决水资源短缺、水资源污染与需求之间的矛盾，水处理工程成为一种解决这一 问题的重要方式。 在常规水处理中，通过重力沉淀作用来去除悬浮物是目前最常用的方法。沉淀池就是 利用固、液相之间的密度差，使得密度大于液相的固相( 悬浮固体颗粒) 下沉，从而实现 固液相分离的水处理构筑物，它担负着去除原水中大量悬浮物的任务，是必不可少的主体 工艺，占工程总体投资的3 0 左右。因此，对沉淀池设计和运行的研究就成为国内外理 论和实践研究的重要对象。 目前常用的沉淀池设计方法主要有两种： ( 1 ) 无悬浮物沉淀试验资料时，按停留时间和水平流速或表面负荷计算； ( 2 ) 有原水沉淀试验数据时，按表面负荷计算。 由于原水水质的变化幅度可能很大，上述方法不能全面反映原水的特性，因此，在沉 淀池设计时常常采用经验方法，即根据规范或其它准则，参照类似实际运行沉淀池的参数， 选用较长的停留时间或较低的表面负荷率来设计，沉淀池建成后难以达到最佳运行状态。 因此，在沉淀池的设计运行中，存在很大的不确定性因素，包括流态、进口布水、出 口整流、生化反应、风速等，要消除这些不确定性因素，就必须对这些不确定性因素进行 研究。 流态对沉淀池的设计运行影响重大。就目前的现状而言，在沉淀池的设计运行中，一 般是忽略流态因素的。沉淀池的设计是建立在理想沉淀池的基础上的，它假设沉淀池的流 态是层流，流态对悬浮物的沉降没有影响或影响非常小，而工程实际中沉淀池的流态并非 2 郑州大学硕士学位论文 单一的层流，其中存在湍流，湍流对悬浮物沉降有一定的影响。在沉淀池的运行过程中， 流态更是个不能忽视的因素，它能直接影响沉淀池能否正常工作。因此，对沉淀池流态 的研究是具有重大的理论及工程实际意义。本文主要研究沉淀池的流态。 1 3 研究现状 国内外对沉淀池流态的研究较多，主要集中在理论模型和数值模拟这两方面，实体 模型试验和物理模型试验这两方面的研究较少。 早在1 9 4 5 年，c a m p 2 】就发现沉淀池内部分水流的流动属于紊流，存在着紊动掺混和 死水区，但当时缺乏合适的紊流模型，计算条件也不具备。1 9 7 7 年l a r s e n t 3 1 在实验的基础 上系统得研究了沉淀池，为一些水力过程提供了有价值的信息，同时也提出了一种沉淀池 模型，模型中运用混合长理论来描述漩涡速度。1 9 8 1 年s c h a r n b e r 和l a r o c k 4 i 第一次将 | j 一占湍流模型运用于沉淀池的模拟，系统地描述了沉淀池中的湍流。1 9 8 3 年，i m a m 和 m c c o r q u o d a l c s j 提出用有限差分的方法对沉淀池模型进行数值求解，并在l a r s e n 的研究基 础上运用染色试验对模型进行了校正，完善了l a r s e n 的实验，模拟结果和试验结果基本 致，这项研究为沉淀池模型的研究奠定了坚实的基础。此后，c e l i k t 6 1 、l y n 7 1 和a d a m s 嘲 将k s 湍流模型引入初沉池的模拟。d e v a n t i e r 和l a r o c k 9 1 将有限元方法引入到沉淀池模 型的求解。随着计算流体力学( 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 ) 的发展完善， 计算机软硬件能力的提高，对沉淀池的研究也越来越多，热点主要集中在数值模拟方面， 国内的研究也是随着这股热潮兴起的。张庄通过求解流动及悬浮物输运控制方程，提出了 沉砂池中悬浮物的数学模型，并且采用该模型对典型的圆形沉砂池内的流场、悬浮物浓度、 分布及沉淀效率进行了研究，获得了比较满意的结果【l o l 。朱炜、马鲁铭等运用计算流体 力学专业软件对平流式二沉池进行了模拟研究【1 。河海大学蔡金傍硕士也详细的分析了 平流式沉淀池挡板位置以及沉淀池的长高比对池内水流流态的影响【1 2 】。大连海事大学姚 文兵硕士运用a n s y s 对抚顺乙烯厂生活污水回用工程中的辐流式沉淀池的流场和速度 场进行数值模拟，得出沉淀池的水力特性对其沉淀效果有很大影响的结论【1 3 1 。蔡金傍、 朱亮、段祥宝建立了基于剖开算子法的沉淀池二维水流数学模型和悬浮物输运模型，应用 改进特征线法和有限元方法耦合求解该数学模型，并利用实测资料对该模型进行了验证， 表明该模型能够很好地模拟沉淀池中水流的流动以及示踪剂在池内的流动过程i 。东华 大学郭生昌硕士也对沉淀池进行了数值模拟，对沉淀池的设计及运行管理提出了一些有益 的建议1 1 5 1 。 3 郑州大学硕士学位论文 研究一个问题一般可以分为理论分析、数值模拟和实验研究三种方式，这三种方式相 辅相成，互为补充。国内外对沉淀池的研究，多集中在模型理论和数值模拟方面，而实验 却很少有人涉及，这主要是由于沉淀池所要求的试验装置复杂庞大且试验成本较高，试验 研究受到很大的限制。但是随着数值模拟越来越多的运用，模拟结果的验证就成为研究的 一个重点，试验研究就必然成为一个新的研究方向，同时理论的发展也需要实验提供依据。 近年来出现的各种先进的流体测速技术，也为试验研究提供了良好的条件。 1 4 本文的研究内容和方法 本文的研究对象为给水厂平流沉淀池，研究内容主要分为两部分： ( 1 ) 注意到目前对于沉淀池流态的实验研究较少，本文以沉淀池流态的实验研究作 为主要研究内容。为解决沉淀池不利于实验研究的难题，本文将相似理论引入沉淀池的实 验研究，制作出给水厂平流沉淀池的物理模型，建立沉淀池实验系统，并运用粒子图像测 速技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，简称p i v ) 对物理模型进行二维流场测速，得出沉 淀池内的流场分布，为沉淀池的设计运行提供依据。 ( 2 ) 在前人研究的基础上，运用计算流体力学( 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 ) 专业软件f l u e n t 对沉淀池流场进行数值模拟，将模拟结果与试验结果进行比 较，为数值模拟提供实验依据。 4 郑州大学硕士学位论文 2 沉淀池的基本理论 2 1 沉淀的基本原型埘 沉淀是依靠重力作用实现固液分离的水处理单元技术，在各种给水和污水处理工程中 普遍应用。根据污水中可沉降悬浮物质浓度的高低和絮凝性能的强弱，沉淀可以分为四种 类型，它们在水处理工艺流程中都有具体的体现： ( 1 ) 自由沉淀 自由沉淀也称为离散沉淀，是一种相互之间无絮凝倾向或弱絮凝倾向的固体颗粒在稀 溶液中的沉淀。自由沉淀由于发生在稀溶液中，且是离散的，因此入流颗粒浓度不影响沉 淀效果。平流式沉淀池的沉淀过程即为典型的自由沉淀，沉淀效果由污水的水平流速和停 留时间决定。初次沉淀池的沉淀初期属于自由沉淀，但初沉池内自由沉淀历时很短，絮体 之间很快会相互粘结，形成另外一种沉淀类型。 ( 2 ) 絮凝沉淀 絮凝沉淀是一种絮凝性颗粒在稀悬浮液中的沉淀。初次沉淀池中的颗粒在经过短暂的 自由沉淀之后，即转变为絮凝沉淀。另外，活性污泥在二次沉淀池内的沉淀初期也属于絮 凝沉淀。 ( 3 ) 拥挤沉淀 拥挤沉淀又称为成层沉淀。活性污泥在二次沉淀池中的沉淀中期以及化学絮凝体在混 凝沉淀池中的沉淀均属于拥挤沉淀。 ( 4 ) 压缩沉淀 压缩沉淀也称为污泥的浓缩，当沉降颗粒积聚在沉淀池底部后，先沉降的颗粒将承受 上部沉积污泥的重量。颗粒问的孔隙水将由于压力增加和结构的变形而被挤出，使污泥浓 度提高。因此污泥的浓缩过程也就是不断排除孔隙水的过程。活性污泥在二次沉淀池中的 沉淀后期，污泥在浓缩池内的重力浓缩均属于压缩沉淀。 2 2 平流沉淀池的构造n 刀 本文的实验要建立给水厂平流沉淀池物理模型，故在此简单介绍一下平流沉淀池的构 造。 ( 1 ) 平流沉淀池的构造 郑州大学硕士学位论文 平流式沉淀池的表面为矩形水池，如图2 1 所示。其上部为沉淀区，下部为污泥区， 原水经混凝过后的水从前部的进水区进入沉淀池，缓缓向前流动，固体悬浮物( 矾花) 慢 慢地沉到池底，最后从出水区流出，利用重力达到固液分离的效果。 一般来说，为了达到较好的沉淀效果，给水处理厂沉淀池一般都会采用整流措施，使 得整个沉淀池内的水流流动平稳以有利于沉淀。如图2 1 中的穿孔花墙，以便水流能在进 入时在整个截面上均匀分布，达到整流的目的。沉淀所积累的污泥连续或定期被排出池外。 图2 1 平流沉淀池立面图 采 ( 2 ) 进口与出口的布置 良好的进口与出1 3 的设计可以使沉淀池的水流条件有利于沉淀过程，提高沉淀池内的 水力效率，使其与理想沉淀池的模型较为接近。 ( a ) 进口的布置 图2 2 为平流沉淀池进口的一般布局，紧接沉淀池前面有一条配水渠，配水渠与沉淀 池阿有一排大小相同的配水孔相通，沉淀池进口处有一穿孔花墙，水经配水渠进入沉淀池 后再由穿孔花墙进入沉淀池内，沉淀的过程就从穿孔花墙处开始。配水渠上的配水孔的作 用是使进水均匀分布在整个池子的宽度上，穿孔墙上的配水孔的作用则为让水均匀分布在 整个池子的断面上。 b 图2 2 平流沉淀池的入口一般布置 6 b b 桶 穿于l l 佰 水位 郑州大学硕士学位论文 ( b ) 出口的布置 沉淀池出口的一般布置有以下几种： 甸蝴目饵 口)l o ，f ， 图2 3 平流沉淀池出口的一般设置 出口的布置主要考虑：( i ) 让沉淀池中的水流在整个池宽上均匀地流入出口集水构筑 物中；( 2 ) 不让水流把正在沉淀过程中的，甚至己经沉到池底的絮凝体带出池外。 出水渠的布置见图2 3 ，图2 3a 的布置只需在沿沉淀池的宽度上设一出水渠即可， 结构最简单。图2 3b 和c 两种布置除了相当于图2 3 a 的总出水渠外，另增设了出水支 渠，原因是为了减少单位长度出水渠的出水量，从而降低进入出水渠的水流上升的速度， 不致带出絮凝体。出水渠的进水形式一般有三种：( a ) 溢流堰，( b ) 锯齿三角堰，( c ) 淹没孔口。如图2 4 所示。 f 口)6 )( f ) 集水槽2 一自由堰；，话街三角堰：一淹授孔口 图2 4 出水堰布置形式 2 3 自由沉淀分析删 平流沉淀池中悬浮物的沉降类型属于自由沉降，故在此分析一下自由沉降。 颗粒在静水中的沉淀速度取决于颗粒在水中的重力只和颗粒下沉时所受水的阻力 五，直径为d 的球形颗粒在静水中所受的重力鼻，为 只= 三6 硝3 ( p p 一岛) g ( 2 - i ) 式中以及n 一颗粒及水的密度； 7 郑州大学硕士学位论文 g 一夏力刀口建厦。 颗粒下沉时所受的阻力e 与颗粒的糙度、大小、形状和沉淀速度有关，也与水的 密度和粘度有关，其关系式为 e = c d 一等等 阻z ) 式中c j 一阻力系数，与雷诺数r e 有关； 等一球形颗粒在垂直方向的投影面积。 重力与阻力之差e 只产生加速度等在下沉过程中，阻力不断增加，短暂时间后， 达到与重力平衡，加速度考为零，颗粒沉速转为常数。根据牛顿第二定律f = m 口，可得 詈d 3 乃鲁= 吾耐3 ( 砟一岛) g c d 岛譬等 ( z s ) 式中詈d 3 巳一颗粒的质量。 罄弹o - f 得沉降谏庸 ，侔量! 盟d 、 3c dp | ” ( 2 - 4 ) 上式为沉速的基本公式。式中c 。与雷诺数r e 有关，通过试验，可以得到在不同雷诺 数范围内的沉速公式，如斯托克斯公式、牛顿公式等。 2 4 理想沉淀池溉蚓 理想沉淀池是沉淀池设计的基础，是简化了的沉淀池的模型，它符合以下三个假定： ( 1 ) 颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉降速度保持不变。 ( 2 ) 水流沿着水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速 始终不变。 ( 3 ) 颗粒沉到池底即认为己被去除，不再返回水流中。 按照上述假定，理想沉淀池的工作状态见图2 5 。 8 郑州大学硕士学位论文 避d 辟 一 堡g! ! ! 坚 图2 5 理想沉淀池工作模型 原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在4 一c 截面上，其水平流速为： v ：旦( 2 5 ) h o b 式中t - 一水平流速； q 一流量； 一水流截面a b 的高度； 占一水流截面a - b 的宽度。 如图2 5 所示，直线3 代表从池顶点a 开始下沉而能够在池底最远处d 点之前沉到池 底的颗粒的运动轨迹；直线2 代表从池顶a 开始下沉而不能沉到池底的颗粒的运动轨迹； 直线l 代表的一种颗粒从池顶a 开始下沉刚好沉到池底的最远处d 点的运动轨迹。设沉淀 池的水平流速v ，按直线1 运动的颗粒的沉速为，于是，凡是沉速大于的一切颗粒 都可以沿着类似直线3 的方式沉到池底；凡是沉速小于的颗粒，如从池顶a 点开始沉 淀，肯定不能沉到池底而沿着类似直线2 的方式被带出池外；可以看出，直线l 所代表的 颗粒沉速具有特殊的意义，一般称为“截留沉速”。实际上它反映了沉淀池所能全部去 除的颗粒中最小颗粒的沉速，因为凡是沉速等于或大于沉速的颗粒能够全部被去除。 对于直线1 所代表的一类颗粒而言，流速v 和”。都与沉淀时间f 有关： f ：三( 2 6 ) v f ：生( 2 7 ) “0 式中v 一沉淀区的长度； h 。一沉淀区的水深； t 一水在沉淀区中的停留时间； 9 郑州大学硕士学位论文 一颗粒的截留沉降速度； v 一水平流速。 令式( 2 6 ) 与( 2 7 ) 相等，并将式( 2 - 5 ) 代入，整理得 铲吕 ( 2 - 8 ) 式中l b 是沉淀池水面的表面积爿，因此上式右边就是单位沉淀池表面积的产水量， 可表示为 铲署 式中里，一般称为“表面负荷”或“溢流率”。 a 等于截流沉速，但含义却不同。 ( 2 - 9 ) 式( 2 9 ) 表明：表面负荷在数值上 那么，对于沉速小于为“，的一类颗粒，它们的去除率要看它们的沉淀起始点，如果 从池顶a 点开始下沉，将沿着直线2 前进而不能沉到池底。 2 5 非自由沉淀分析 对于自由沉淀，已经有统一精确的沉淀理论，而其他三种类型的沉淀( 非颗粒自由沉 淀) 还没有形成统一的沉淀理论，故国内外对连续均匀悬浮物( 如二沉池) 的沉淀模型研 究较多，大致可分为三种类型：一维模型、二维模型和三维模型。 2 5 1 一维模型 一维模型是建立在k y n c h 提出的固体通量理论基础上的“”。模型有三个基本假定： ( 1 ) 整个沉淀高度的初始浓度为均匀的，或是沿深度逐渐增加的； ( 2 ) 在悬浮物分布区域内的任一水平断面上沉降颗粒物浓度相同，且以同样的速度 下沉； ( 3 ) 颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的的函数，即颗粒重力沉降速率 由颗粒浓度决定，因此，可以忽略其他因素将颗粒沉降速率定义为一个连续的方程。这些 方程一般具有指数形式，方程中的参数可以由试验确定，其中应用最广泛的是1 9 6 8 年由 v e s i l i n d 提出的方程： 矿= k e 一一o( 2 1 0 ) l o 郑州大学硕士学位论文 式中r 为沉降速率，c 为污泥浓度，七和n 为模型参数，可以由试验测得，也可根据 s v l 值确定。”。 一维模型主要应用于包括反应池和二沉池的污水处理系统的控制与运行。在活性污泥 系统中，一般通过调整污泥回流量来控制整个活性污泥系统的运行，而一维维模型能够较 好的预测二沉池的回流污泥浓度与污泥层高。一维模型忽略了流态对沉淀过程的影响，同 时它是建立在实验的基础上的，这很大程度上限制了它的适用范围，二维模型的发展一定 程度上解决了一维模型的不足。 2 5 2 二维模型嘛捌 二维模型最早是由i m a me 和m c c o r q u o d a l ej a 等人提出的旧，它建立在一维模型 的基础上，结合计算流体力学相关理论发展起来的，主要关注沉淀池内流体的流速分布及 沉淀物的浓度。二维模型中：第一维为重力方向，第二维为水平流向，第三维垂直与第一 二维所构成的平面。假定在第三维方向上的流体流速与颗粒物浓度处处相同，则问题由三 维简化为二维。= 维模型处理问题的过程大致如下：将沉淀池进行二维网格划分，在每个 网格上建立离散方程，离散初始条件和边界条件，求解离散方程，最后综合建立整个沉淀 池的二维流场模型。与一维模型相比，二维模型除了要满足固体悬浮物质量守恒方程，还 需满足流体质量守恒方程、流体动量守恒方程、湍流动能守恒方程和湍流动能耗散速率方 程。其基本方程如下： 2 5 2 1 流动方程 建立矩形沉淀池中垂直二维非恒定流无浮力影响的不可压缩流的方程如下： 连续方程： 塑+ 塑：0 0( 2 一- - 1 1 ) 一+ = ll ， 巩勿 z 方向动量方程 面c q u + “瓦c 8 u + v 尝= 六一去罢+ 昙( q 罢) + 杀( q 考) + 瓯面相瓦+ v 瓦2 _ ，一石云+ 瓦( q 瓦) + 丽q 面) + 5 ” y 方向动量方程 扣塞+ v 塞= 一吉考+ 丢c q 品c q 抄g 竽蝇瓦枷面w 瓦2 _ ，一万毒+ 瓦( q 瓦) + 瓦( q 瓦) + g _ 芦+ 5 v ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 塑塑盔兰堡主兰壁笙苎 式中，v 分别为x ，y 方向的速度分量： p 为压力，”为紊动粘性系数； p 为混合液的液体密度，4 为清水的密度，p = 所+ c ( 1 一酊) ，g 旦二反映了不 p 均匀浓度对流场的影响，c 为污染物浓度，只为污染物固体颗粒的比重； 正，工为单位体积质量力； 瓯，鼠为源项，表示如下： 瓯= 瓦0 【q 瓦o u ) + 嘉 ) ( 2 一1 4 ) 墨= 昙 考，+ 昙c q 考， c z 一s ， 在一定条件下，把重力场的影响单独分开，将给求解带来方便。当流动边界预先确定 亦即流场没有可动边界时，重力将只影响流动的压强分布，而对流速分布没有作用。单位 质量流体的重力为： 以= 一v i i = 一v 劝= g v ( 2 1 6 ) 式中n 和 分别为流体元的重力势能和位置高度，假想在这边界预先确定的区域内的 流体被瞬间“冻结”，停止运动，则此区域内各点只存在由重力决定的流体静压强 只g ，y ，z ) ，且满足静力平衡方程： v p , = 所= 一p g v h 或v ( n + p g h ) = 0 ( 2 一1 7 ) 但实际上在此边界确定的区域内流体是运动的，各点压强p g ，y ，z ，f ) 将因运动影响而 不同于相应的流体静压强见k y ，z ) 。可令 p = p s + p a ( 2 1 8 ) 式中只即为由重力所决定的那一部分压强或称压强的静力效应部分，简称静力压强； 而n 则为由运动所引起的静力部分压强的修正值，称为压强的动力效应部分，简称动力 压强。 根据上述分解，可将方程的压强梯度力和重力两项合并成仅含未知数p a 的一项： 以一吉印一1 p v ( p + 硝) 一1 p v ( p ，饥+ 鳓) = 丢即。 ( 2 _ 1 9 ) 从而可以将质量力项合并到压力项中处理，为方便起见，在以下各式中，将p a 仍记 1 2 郑州大学硕七学位论文 作p 。由于动量方程中的紊动粘性系数u f 不是一个常数，因此，两个源项s 。和鼠不能忽 略。e 将在紊动模型中计算。 在平流式沉淀池中一般入流污水密度与清水密度差别不大，在本文中忽略了密度差别 影响，并将质量力项合并到压力项中处理，因此，最终所使用的恒定流无浮力影响的不可 压缩的动量方程如下： “罢+ v 罢= 一上罢+ 丢( q 罢，+ 杀c q 詈，+ 瓯c2一-zup ， “一+ v = 一一土+ i d + lu ，) + s 。 【j 钡mm 咖 蹴 卵卯 “塞+ v 象= 一三考+ 昙( q 塞) + 品( q 雾，+ 瓯c2一-21p ， “一+ v = 一一二+ “，一l + i d 一l + j lj 取似卯似m卵卯 2 5 2 2 紊流方程 应用k - 8 紊流模型计算紊动粘性系数q ， 的关系，即： _ | 2 q2 q 了 其中k 和占由其半经验输运方程确定： k 输运方程： 该模型建立了与紊动动能k 和紊动耗散占 ( 2 2 2 ) 要+ “芒+ v 嬖：一al 一v , i a k j + 晏( 旦婺) - i - e 一占 (223)aa f缸 缸x 、盯。缸7 咖、盯。西 占输运方程： 等+ 尝+ v 塞= 丢c 毒参+ 若c 旦争托只l c ：c 2 一- 2 4 0 r , kk ， + 一+ v i - l ) + 一i o 一) + c 。只一一c ，一 l， 西缸 融缸、仃。缸7 勿、咖7 2 其中只为紊动动能产生项，即： 只；2 ( 罢) ：+ 2 ( 妻) ：+ ( 祟+ 妻) ：】 ( 2 2 5 ) 式中，气，c 。，巳，吒，巳为经验常数，本文采用标准七一占紊流模型推荐值， 分别取0 0 9 、1 4 4 、1 9 2 、1 0 及1 2 2 。 2 5 2 3 悬浮物输运方程 沉淀池中的悬浮颗粒在动水中除了有跟随水流的运动以及紊流扩散外，还有相对于水 流的垂线沉降速度矿，其浓度c 的控制方程为； 1 3 郑州大学硕士学位论文 犯+ “誓+ v 誓：晏( 要) + 昙( 誓+ v , o (226)tt + “i + ”i 。瓦【i ) + 瓦( 石+ r , c p 式中、一分别为工和y 方向紊动物质扩散系数； k 一为悬浮颗粒的沉降速度，可由一维模型中的经验方程求得。 与一维模型相比，二维模型的主要功能是模拟分析流场和沉淀过程。二维模型在描述 二维断面上流体流速的分布和固体颗粒物浓度分布上具有较好的效果。现在二维模型多用 于沉淀池的设计和改造中，例如池型的确定、尺寸比例的确定、进水口布水、出水口整流、 挡板的位置尺寸等。二维模型的应用对计算机性能要求较高，同时有模型中许多参数需要 确定，限制了模型的广泛应用，但随着计算流体力学商业软件的发展，这些问题一定程度 上得到解决，二维模型越来越多得运用到实际中。 2 5 3 三维模型 三维模型的机理与二维模型类似，只是将二维模型中简化掉的第三维纳入模型之中， 参数增多，方程增加，模型更加复杂。与之同时，模型在描述沉淀池流场方面更为全面、 精确。同二维模型一样，计算机性能和数值计算技术限制了三维模型的使用。 1 4 郑州大学硕士学位论文 3 沉淀池的物理模型实验 3 1 实验的整体思路 先根据室外给水设计规范g b5 0 0 1 3 2 0 0 6 设计一组平流沉淀池，对设计好的平流 沉淀池按比例缩小成沉淀池模型，建立沉淀池实验系统。计算不同相似准数下的流量，选 取合适的流量，运用粒子图像测速技术对沉淀池流场进行研究。 3 2 沉淀池实验系统的建立 3 2 1 平流沉淀池的设计规范嘲 设计平流沉淀池的主要指标是表面负荷或停留时间。其设计步骤可归纳如下； ( 1 ) 按照表面负荷q a 的关系计算出沉淀池表面积爿。 沉淀池长度为： 工= 3 6 v r 式中v 一水平流速，m i n i s ； 工一沉淀池长度，m ； r 一停留时间，h 。 水平流速一般为1 0 2 5 m s ，停留时间一般为1 5 3 h 。 沉淀池宽度b 为： b ：a 三 ( 2 ) 选择沉淀池的高度，一般为3 0 3 5 m 。沉淀池的每格宽度( 或导流墙间距) ， 宜为3 8 埘，最大不超过1 5 m ，长度与宽度之比不得小于4 ；长度与深 度之比不得小于1 0 。 ( 3 ) 平流沉淀池宜采用穿孔墙配水和溢流堰集水，溢流率不宜超过3 0 0 m3 ( m d 1 。 穿孔墙过孔流速一般在0 1 m l s 以下。 ( 4 ) 沉淀池尺寸确定后，可校核水流的稳定行参数，满足不出现异重流条件： 弗劳德数f r 在1 0 。一l o - ，雷诺数r e 在4 0 0 0 1 5 0 0 0 。 3 2 2 沉淀池原型的设计 本文以一日产水量为1 x 1 0 5 m3 的水厂为例，设计一组平流沉淀池。水厂本身用水占5 郑州大学硕十学位论文 。采用两组池子。设计依据为室外给水设计规范g b5 0 0 1 3 2 0 0 6 。 ( 1 ) 每组沉淀池的设计流量q ： d ：三x ! ! ! ! ：兰! ：堕：2 1 8 7 5 珊，h ：0 6 0 8 m 3 s 一 22 4 ( 2 ) 设计参数的选取 表面负荷q ：q = q a = 0 6 m m s = 5 1 8 m 3 ( m 2 - d 1 停留时间r ：r = 1 5 水平流速v ：v = 1 4 m m s ( 3 ) 沉淀池尺寸计算 沉淀池表面积4 ：爿：垒：2 1 8 7 5 x 2 4 ：1 0 1 3 5 m 2 口5 1 嚣 沉淀池长工：l qt3 6 x 1 4 x 1 5 = 7 5 6 m ，采用7 6 m 沉淀池宽b 。：b 。：等：粤等：1 3 3 m ，采用1 4 m 。沿纵向设置一道导流墙，故将每组池 l，o 子分为两格，每格宽b = b o 2 = 1 4 2 = 7 m 。 沉淀池有效水深h ：h ：丝：! ! ! ! ：! ! ! ：! ：3 1 埘 b l1 4 7 6 沉淀池实际高度：保护高度取0 5 m ，缓冲层及排泥区高度取1 4 m ，沉淀池实际高度为 h 。= 3 1 + o 5 + 1 4 = 5 m 沉淀池采用穿孔墙布水，穿孔墙上的孔口流速采用o 1 m l s ，孔口总面积为 q o 1 = o 6 0 8 0 1 = 6 0 8 m 2 ( 4 ) 校核 长宽比：l b = 7 6 7 4 1 长高比：l h l = 7 6 5 1 0 i 水流截面积国：m = b h = 7 x 3 1 = 2 1 7 m 2 水流湿周z ：z = b + 2 h = 7 + 2 x 3 1 = 1 3 2 m 水力半径r ：r = c o z = 2 1 7 1 3 2 = 1 6 4 m 弗劳德数乃：f r ：生：1 2 。l o 一， r g 1 6 4 9 8 1 1 6 郑州大学硕士学位论文 雷诺数r e ：r e v r 1 4 _ x 1 6 4 = 2 2 9 6 0 ( 温度为2 0 。c ) i ，0 o l 以上校核均符合规范要求。 ( 5 ) 沉淀池原型( 每组中的一格) 最终尺寸 长度为7 6 m ，宽度为7 m ，高度为5 m 。布水采用穿孔墙，出水采用溢流堰。 3 2 3 相似理论 实验可以分为原型实验和模型实验两种，实际上大多数实验都是在模型上进行的。为 了使模型实验与原型实验相比较，并能利用他的数据推算到原型实验，必须保证模型实验 与原型实验物理相似。所谓物理相似就是两个物理现象在对应点上，所有的无量纲特征量 都相等或者说对应的特征量的比值处处相等。物理相似的含意包括了几何相似、运动学相 似和动力学相似。 3 2 3 1 几何相似 几何相似就是形状相似。两个集合相似的现象中，对应( 空问) 点之间的长度比毛处 处相等。岛称为长度比例尺。集合相似似乎不难实现，但要真正实现完全集合相似很不容 易，例如缩小了尺度的物理模型要具有与实物相似的表面粗糙情况势必要大大提高模型的 表面光洁度，有时无法实现。又如用水槽来模化一条长河时，如按比例缩小，水槽中水深 就会很浅，以致需要考虑表面张力，并且壁面的粘性影响也很难相似，这都导致模化结果 与实际流动不符。 3 2 32 运动学相似 运动学相似就是运动相似。两个运动相似的现象中，除各对应( 空间) 点之间具有相 同的长度比例尺t 外，其对应的时间还应具有相同的时间比例尺七。运动相似时所有运动 学特征量都相似，这就是说，一个现象中的运动学特征量可以通过其运动相似的现象中的 同一特征量乘以一个比例常数得到。例如对于速度，加速度，速度环量的比例常数分别为 k l f k t ，k l 憾，砰i k , 。 3 2 3 3 动力学相似 一般流体力学问题中动力学相似就是力和热都相似。两个动力学相似