（环境工程专业论文）基于fluent模拟及流态可视化实验验证的平流式二沉池流态及沉淀效果改善研究.pdf

中文摘要 摘要 目前，污水处理厂的平流式二沉池都普遍存在着流态不普的现象，这种现象 最终会导致沉淀效果和沉淀效率的下降。 本文首先用c f d 模拟软件f l u e n t 对平流式二沉池内的流态进行模拟，分析 在各种情况下的流态，说明现有平流式二沉池内水流流态不理想，并且指出通过 现有的各种入口整流措施来改善流态的效果也并不理想。 提出改善流态的关键装置一月牙形导流板。通过模拟，可以得出在进水挡 板下适当位置，加设月牙形导流板能够对流态起到较好的改善作用，改善后的流 态与“理想沉淀池”中提到的流态较为吻合 。 设计正交试验，对进水口高度、进水挡板与进水口的相对位置、进水挡板的 长度、导流板的尺寸以及导流板在进水挡板下面的位置等因素加以细部分析，得 出了在加设进水挡板和导流板的情况下，影响流态变化的最主要因素。 ： 通过流态可视化实验对f l u e n t 流态模拟加以验证，在直观上，可视化实验 的流态与模拟流态完全一致。并通过沉淀池实验模型中进行沉淀效果实验，同样 验证了改善后的流态带来了沉淀效果的提高。并在流体力学流动相似的理论上推 测出在实际大小原型沉淀池中的运行效果，证明水平流速相对于现行二沉池中的 常用流速增大了三倍的情况下，去除率仍能提高2 2 2 ，表明月牙形导流板在实际 大小的二沉池中的运行也将是成功的 ， 作为萧山污水处理厂改造工程的横向联系课题，本文的所有实验都在萧山污 水处理厂进行 关键词：平流式二沉池流态，f l u e n t ，月牙形导流板，流态可视化实验，去除率 英文摘要 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ef l o w 牟m 锄i nt h er m a n g u l a rs o c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n ko ft h e s e w a g et r e a t m e n tp l a n ti su s u a l l yn o tg o o d t h i sp h e n o m e n o nw i l le v e n t u a l l yl e a dt o s e d i m e n t a t i o ne f f e c ta n dt h ee f f i c i e n c yo f p r e c i p i t a t i o nf e l l t h i sp a p e rf i r s t l ys i m u l a t e st h ef l o ws t a t eo f t h er e c t a n g u l a rs e c o n d a r ys e d i m e n t 砒i o n t a n ku s i n gt h ec f d s i m u l a t i n gs o f t w a r ef l u e n t , a n dp r o v e st h a tt h ef l o ws t a t eo ft h e r e c t a n g u l a rs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n ki sr e a s o n l e s st h r o u g ha n a l y z i n gt h ef l o ws t a t ei n v a r i e dc o n d i t i o n s 。a n di ta l s op o i n t st h a tt h ev a r i e dc o m m u t a t i n gm 的$ u r e si nt h ee n n a 眦 r e f e r r e di nt h ep r o f e s s i o n a lb o o k s , w h i c ha r eu s e dt oi m p r o v et h ef l o ws t a t e 眦n o t f e a s i b l e 1 h ep a p e rb r i n g st h ek e yd e v i c ei ni m p r o v i n gt h ef l o w 砒a 幻- l u n a 旭g u i d ep l a t e t h r o u g hs i m u l 砒i n g , w ef i n dt h a tt h ef l o ws t a t e 啪b ei m p r o v e dw h e nt h el u n a t eg u i d e p l a t ei ss e t t i n gu pi nt h ep r o p e rp l a c eu n d e r t h ei n l e tb a f f l ep l a t e , a n dt h ef l o ws t a t ea f t e r i m p r o v i n ga g r e e sw i t ht h es t a t ei n f e r r e di ni d e a ls e d i m e n t a t i o nt a n kv e r yw e l l 。 t h r o u g hd e s i g n i n go r t h o g o n a la 叩豇i m 朋| t s ，a n a l y z i n gt h ei n l e th e i g h t , t h er e l a t i v e p o s i t i o no f i n l e tb 棚ep l a t ea n dt h ei n l e lt h el e n g t ho f i n l e tb a f f l ep l a t e , t h es i z eo f g u i d e p l a t e ，a n dt h ep o s i t i o no f g u i d ep l a t eu n d e r t h eb a m e p l a t e ，a n ds oo n , w e 啪g e t t h em o s t i m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n go nt h ef l o ws t a t ei nt h ec o n d i t i o no fi n l e tb a , m ep l a t ea n dt h e g u i d ep l a t e s i m u l a t ea n dt e s tt h ef l u e n tf l o ws t a t et h r o u g ht h ev i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t s i n t u i t i v e l y , t h ef l o ws t a t ei nt h ev i s u a i 缸翟主i o ne x p e r i m e n t sa g r e e sw i t ht h es i m u l a t i n gf l o w s 眠a n dt h es i t u a t i o n , w h i c ht h es e d i m e n t a t i o ne f f e c tb r o u g h tb yi m p r o v i n gt h ef l o w s t a t ei se n h a n c e d , i st e s t e dt h r o u g hd o i n gt h ee x p e r i m e n t si nt h ee x p e r 删m o d e l so f s e d i m e n t a t i o nt a n la n dt h eo p e r a t i n ge f f e c ti n t h ea c t u a ls e d i m e n t a t i o nt a n ki s c o n j e c t u r e do u tt h r o u g ht h es i m i l a rt h e o r yo ff l o w , t h er e m o v a le f f i c i e n c yc a nb es t i l l i n c r e a s e db y2 2 2p e r c e n t si nt h ec o n d i t i o nt h a tt h el e v e lv e l o c i t yi st h r e et i m e sb i g g e r t h a nt h en o r m a lv e l o c i t yi nt h es e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k , a n di ti n d i c a t e st h a tt h e l u n a t eg u i d ep l a t ew i l lb ea p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n t h ea c t u a ls e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k a st h el a t e r a ls u b j e c to f t h em o d i f i c a t i o nw o r k so f t h ew a s t e w a t e ru e a t m e n tp l a n ti n x i a o s h a n t h ee x p e r i m e n t sr e f e r r e di nt h ep a p e rw e r ea uc o m p l e t e di nt h ew a s t e w a t o r i l l 重庆大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：t h ef l o wp a t t e r ni nt h er e c t a n g u l a rs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k ，f l u e n t , c r e s c e n td e f l e c t o r , f l u i d i z a t i o nv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t ，r e m o v a lr a t e 1 v 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- f 进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废态堂 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谢意。 靴敝储粥。彳池 签字醐h 即 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密( ，) ( 请只在上述一个括号内打。”) 学位论文作者签名： 签字日期：认弦、7 年 帮监 够月坪捆 导师签名：己讶 签字日期：砌声乒月浑日 l 绪论 l 绪论 1 1 概述 1 1 1 水资源及水污染现状【1 1 【2 】【3 1 水是地球上最丰富的一种化合物。全球约有四分之三的面积覆盖着水，地球 上的水总体积约有1 3 亿8 6 0 0 万立方千米，其中9 6 5 分布在海洋里，淡水只有 3 5 0 0 万立方千米左右。若扣除无法取用的冰川和高山顶上的冰冠，以及分布在盐 碱湖和内海的水量，陆地上淡水湖和河流的水量不到地球总水量的1 。降落到地 上的雨、雪水，其2 3 左右为植物蒸腾和地面蒸发所消耗，可供人们用于生活、生 产的淡水资源每人每年约l 万立方米但是，由于地球上人口分布与淡水资源分 布不成比例，加上水资源污染和使用过程中的浪费，世界上许多国家和地区存在 着淡水资源紧张的情况，不少国家和地区不借成本昂贵，设立海水淡化装置或采 取其它措施来缓和淡水供应矛盾随着经济的不断发展，人们对淡水的需求不断 增加，在不久的将来，淡水资源紧缺的问题将成为世界各国普遍面临的严峻问题。 战略家预言2 1 世纪是石油让位于水的世纪”，以缺水、水域污染和饮用水质量下 降这“三大挑战”为核心的水危机，将成为2 l 世纪的最大危机 我国水资源短缺的形势十分严峻，虽然水资源总量为2 8 万亿立方米，居世界 第6 位，但人均占有量只有2 3 立方米，仅为世界人均占有量的1 4 ，排在世界 第1 2 1 位，是全球1 3 个贫水国家之一；由于江河湖库水域普遍受到不同程度的污染， 特别是工业较发达的城镇附近的严重水域污染使得我国的水资源问题更加突出 据估计约5 0 的城市地下水受到污染，约有7 8 城市附近的河段已不适宜作为饮 用水源，水质恶化更加剧了全国饮水资源匾乏，至今全国缺水城市达到3 0 0 多个 据水利部对全国7 0 0 余条河流约1 0 0 0 0 0 千米河段开展的水资源质量评价结果表 明：4 6 5 的河段受到污染( 相当于，v 类) ；l o 6 的河长严重污染( 己超v 类) ，水 体己丧失使用价值。9 0 以上的城市水域污染严重。从地区分布来看，支流水质一 般劣于干流，千流下游水质一般劣于上游，城市工矿区河段水质最差。南方河流 水质整体上优于北方河流，中西部地区水质整体上优于东部发达地区在全国七 大流域中，太湖、淮河、黄河流域均有7 0 以上的河段受到污染：海河、松辽流域 污染也相当严重，污染河段占6 0 以上全国有1 4 的人口饮用不符合卫生标准的 水 目前，解决城镇水污染问题的最根本和有效的途径是建立污水处理厂，以及 配套的污水管网设施。我国在建立污水处理厂方面成绩卓著，已建成百余座大型 污水处理厂，但在控制水污染方面形势不容乐观。许多已建成的污水厂由于污水 重庆大学硕士学位论文 处理效率不能尽如人意，迫切需要改进处理流程，如何优化主要污水处理反应容 器的设计和运行己是当务之急。 1 1 2 分析设计污水处理单元的新方法 污水处理的主要目标是去除水中的悬浮物或者溶解态的污染物，如胶体粒子、 颗粒物质、b o d , c o d 等。从水中去除污染物的途径有物理、化学、物化、生物 的方法等，而在这么多方法中，物理处理方法已经成为大多数废水处理流程的基 础，成为去除悬浮物的主要方法。通过重力沉淀作用来去除悬浮物( s s ) 是目前最常 用的物理方法，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，占到总体投资的3 0 1 4 。 但是在实际工程和运行中，对各种污水处理单元设备，包括最基本的物理处 理单元的工作机理并不是研究得很清楚，对某些处理的过程和机理作了过多的假 设和简化，并不是和实际的机理十分符合，有进一步研究的潜力和需要。 目前用于分析处理单元内流态并帮助优化设计的工具有；计算流体动力学 ( c f d ) ；数字颗粒成像变速法( d p i v ) 激光效应风速风向测定仪( l d a ) ；激 光诱导荧光( l i f ) 。计算流体动力学用于模拟处理单元中的流体流动图像以及放大 分析。数字颗粒成像速度法利用激光束照明拍摄能漂浮的天然荧光颗粒的运动， 用于直观理解处理单元内的流体运动p j 。 近几十年来，随着计算机技术水平的提高，对于流体流态的研究出现了一种 以计算机为主的、全新的方法仿真，顾名思义，仿真就是对真实的模仿。仿 真可分为物理仿真和数字仿真( 数值模拟) 。物理仿真是通过对过程建立的物理模型 来进行；数字仿真( 数值模拟) 是通过对过程建立的数学模型来进行。由于数字仿真 ( 数值模拟) 具有简易、迅捷和巨大的包容性，以及相对试验而言的低成本和互补 性等优点。计算流体力学( c f d ) 便属于数字仿真。同时，对环境工程而言，是以污 染物的处理和处置为主要内容的，而通过对环境工程的仿真，可以了解污染物处 理过程的机制，提高污染物的处理效率，降低污染物的处理费用。这对环境保护 具有重要的作用。 目前我国在环境工程设施的工艺开发、工程设计和运行管理中，还没有广泛 地应用仿真技术，因而存在一个环境工程仿真的潜在市场。开发这个市场具有重 要的经济价值和社会价值。随着社会的发展，计算机水平的提高，数字仿真( 数值 模拟) 在环境工程中，也将日益成为一种重要的研究方法和发展方向嘲。 本课题试图通过计算流体力学c f d 数值模拟的方法，探究沉淀池内流态的情 况，发现当前沉淀池中存在的流态问题，寻求解决或者改善的途径，并通过流态 可视化实验以及实测实验加以验证。 2 l 绪论 1 1 3 沉淀池的设计依据及存在的问题 沉淀池按照池内水流方向的不同可以分为平流式沉淀池、辐流式沉淀池和竖 流式沉淀池。 平流式沉淀池池的的工作原理和设计依据都是基于h a z e n 和c a m p 提出的理 想沉淀池这一假设。理想沉淀池的假设条件是【7 ： 水流在池内沿水平方向作等速运动； 在入流区，颗粒沿断面均匀分布并处于自由沉淀状态，颗粒的水平分速等 于水平流速； 颗粒沉到池底即被认为去除。 平流理想沉淀池的假设理论见图1 1 。 q 氏搋区 出孤匹一 a c 形； r污泥区n t 图1 1 平流理想沉淀 豢 f i g 1 1i d l c 舡咀叫缸曲n 蛆啦i 衄 q 1 原水进入沉淀池，在进水区被均匀分派在a b 截面上，直线i 代表从池顶a 点开始下沉而能够在池底最远处d 点之前沉淀到池底的颗粒的运动轨迹；直线 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；直线代表从池顶a 开始下沉而刚好沉到池底的颗粒的运动轨迹设沉淀池的水平流速为v ，按直线 运动的颗粒的相应沉速为l l o ，于是，凡是沉速大于1 1 0 的一切颗粒都可以沿着类似 i 的方式沉到底；凡是沉速小于u o 的颗粒，如从池顶a 点开始下沉，肯定不能沉 到池底而沿着直线的方式被带出池外；可以看出，直线i i i 所代表的颗粒沉速u o 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有全部能去除的 颗粒中的最小颗粒的沉速，因为凡是等于或大于沉速u o 的颗粒能够全部沉掉。 根据理想沉淀池的原理，可说明两点： 设处理水量为q ( m 3 s ) ，沉淀池的宽度为b ，水面面积a = b l ( m 2 ) ，故颗粒在 3 重庆大学硕士学位论文 池内的沉淀时间为：卢旦：旦，沉淀池的容积为：v = q 仁h b l ，因q = 兰：旦坠= a v u 0 tt l l o ，所以；= l l 阀 兰的物理意义是：在单位时间内通过沉淀池单位面积的流量，称为表面负荷 a 或者溢流率，用符号q 表示。表面负荷的数值等于颗粒沉速1 1 0 ，若需要去除的颗 粒的沉速1 1 0 确定后，则沉淀池的表面负荷q 值同时被确定。 根据图1 - 1 ，在水深h 以下的入流的颗粒，可以全部沉淀去除，因一h l ， u t v h - = 上l ，则沉速为l l t 的颗粒的去除率为： v 坠r 旦l 生 竹= 旦：j i 二：! 旦：上旦旦：l ：生 1 hh ll ba q 从而平流理想沉淀池的去除率仅决定于表面负荷q 及颗粒沉速l 】t ，而与沉淀时 间无关。 同样地，圆形沉淀池中的辐流式和竖流式沉淀池的设计原理也是理想沉淀池。 但是，实际沉淀池的流态在运行时几乎不可能时这么理想的，会由于各种原 因引起池内的短流、漩涡以及一些死水区域。引起这些水力不佳的因素包括温度 的影响曾经表明，在进入的原水和沉淀池内的水温相差l 时，将形成密度流； 风的影响吹过敞开式沉淀池顶部的风可以起短流的形成【5 】；进水口形式的不同 也会及大影响到池内流态。短流会使池内有效容积降低，可想而知，实际运行沉 淀效果与设计时偏差较多，并且运行效率也会降低。 1 2 课题的提出及研究意义 作为成熟污水处理工艺流程中的重要的环节，二次沉淀池的作用无可替代， 几乎所有的处理厂都采用标准的圆形或者平流式沉淀池。相比之下，平流式二次 沉淀池具有对冲击负荷和温度变化的适应能力较强、施工简单造价低的优点，适 用于水位较高或者地质较差的地区并且适用于大、中、小各个类型的污水处理厂， 应用非常广泛1 5 1 。 但是由于现在所有的二沉池都是依据经验参数，设计过于简单，没有考虑到 实际池中的水流流态与理想沉淀池相差甚远。且一般长度都在3 0 米以上，水力停 留时间也在1 5 - 2 小时。不论从效果和效率及运行成本来说，现有的二沉池在设计 方面都存在问题。 目前我国经济技术尚不发达，在污水处理厂投资和运行成本上大多偏高，能 4 l 绪论 耗普遍较高，浪费较大，因此，直接的结果就是我国城市污水处理厂建设发展的 速度缓慢，效率不高要加快我国城市污水处理厂建设发展速度，完成我国国民 经济发展计划和满足水污染防治规划中城市污水处理规划要求，必须大力开发简 易、高效的污水处理新技术，研究和探索城市污水处理工艺优化途径、节能降耗 途径，从根本上改变城市污水处理厂高投资、高成本和运行管理的复杂与我国中 小城市不相适应的状况 所以在这样的国情前提下，在计算机仿真、数值模拟技术发展较为成熟的条 件下，如果能运用计算机数值模拟找出沉淀池内流态存在的问题，并加以分析， 找出改善的方法和途径，意义将会非常深远。这项研究也非常符合国家现在大力 提倡的节能降耗的国策 。 课题提出之时，正值萧山污水处理厂二期建造以及一期工艺改造之中由于 该厂规划用地面积有限，在工艺改造工程中需考虑缩小平流沉淀池的占地面积， 提高沉淀池的沉淀效率，故将本课题定为与此次改造工程横向联系的课题，所有 的实验均在萧山污水处理厂完成，并尝试将把课题的成果应用到改造设计中。 1 3 沉淀池研究的进展 1 3 1 沉淀池的早期模型研究 i - l a z e n l 9 0 4 年在模型研究中引入了溢流速率概念，这一概念至今仍被广泛使 用，而且仍旧是沉淀池设计中的主要准则h a z e n 的理论表明，水力停留时问应该 等于颗粒从沉淀池顶部下降到底部所需的时间，基于此，若池中颗粒沉降速率高， 于设计速率，那么这些颗粒将会被除去。但是该理论只是对于较大的沉砂池和初 级沉淀池比较有效，且适用于描述其中的沉淀过程阴d o b b i n s 1 川和c a m p t l l 1 2 l 在 h a z e n 理论模型的基础上提出考虑垂直混合的分析方法。d o b b i n s 的研究基于溢流 速率概念，并使用了推流假设理论，该研究解释了墙体导致的紊流对沉淀产生的 影响c a m p 大致估计了紊流在阻碍沉降方面的效果。 a n d e r s o n 的研究【玎】发现二次沉淀池内的流场是不均匀的，而且存在着被密度 流影响的现象，因为在沉淀池内流体密度是成层分布的c a m p ( 1 9 4 5 ) 1 1 4 】发现沉淀 池内水流的流动属于紊流，存在着紊动掺混和死水 无论是r h z e n , c a m p 还是d o b b i n s 的模型都由于很多假设条件而存在一些缺 陷，例如：理想流条件、理想沉淀池设计、不考虑湍流或无限制湍流、不考虑池体 冲刷、不考虑池深效应、只考虑了离散沉降而忽略颗粒间的粘力作用和滞后效应。 当然，需要指出的是这些假设很多仍被现在的模型所采用。但是最主要的问题是 这些早期模型仅仅关注于固体颗粒从液体中的去除，也就是说，他们没有考虑高 浓度的固体颗粒作为独立流态所具有的特殊沉降现象。 重庆大学硕士学位论文 1 3 2 沉淀池模型的拓展及池内流场的研究 l a r s e n 1 5 1 通过对矩形沉淀池的研究，建立了相关的二维数学模型。该模型基于 运动方程，连续方程，和将沉降速率同污泥浓度相关联的指数方程。l a r s e n 引入 了流函数( s t r e a m 细o d o n ) 和涡旋( v o r t i o i t y ) 的概念，并且指出涡旋是由于沉淀池内 部污泥密度梯度和固体边缘切变所致。扩散率被设定等于涡流粘度，扩散率的计 算是基于普朗特混合长度理论，且扩散率与池内速度梯度和混合长度的平方成正 比。l a r s e n 的研究为其后来的研究者建立了基准，尽管后来的研究者们【1 6 】通过对 l a r s e n 的研究成果进行改善，并取得了卓有成效的结果，但是l a r s e n 的许多成果 至今仍非常有效且实用。 s c h a m b c ：和l a r o c k 提出用有限元方法来研究矩形沉淀池中的流场模式【切，通 过引入k 吨紊流模型来模拟池中沉淀区域的中性密度流。 i m a m 等人【1 嗣在前入的基础上，发展了一种数学模型来模拟在中性密度操作条 件下矩形沉淀池中离散颗粒的沉降，并且通过物理实验检验了该模型。 为了模拟流场和流体传播特性，a b d e l - c r a w a d 和m c c o r q u o d a l e 应用条形积分 法来研究初级沉淀池内的流态1 1 9 1 ，并通过输运模型以模拟矩形初级沉淀池中颗粒 的传输和沉降刚 c e l i k 等人使用有限体积法求解k - 6 紊流模型【2 l l ，以预测矩形沉淀池的流体力 学特征和混合特性。他们使用复合格式以预测池内流场，并且相当成功地预测了 被i m a m 等人研究的物理模型的主要流体特性。 a d a m s 和r o d i 圆以c e l i l 【等t 2 1 】的模型为基准，使之与采用与其相同基本方程 但采用小同数值策略的其他形式模型进行对比，同时，他们采用二次有限体积法 法。 m c c o r q u o d a l e 等人田】建立数学模型来模拟中心进水的沉淀池内的非稳态流 场。z h o u 和m c c o r q l 】o d a l e 跚【2 习通过一系列的研究，提出了描述中心进水二次沉淀 池的非稳态流的数值计算模型，该模型既模拟了沉降区域情况，也模拟了入口区 域情况。 z h o u 掣硼，m c c o r q u o d a l e 和z h o uf 2 7 】嗍鲫的研究扩展了他们之前在沉淀池模 型方而的研究。他们对小同水力和固体负荷条件h 的沉淀池进行建模，并且测试 小同结构的沉淀池实体，其中包括小同池底坡度、小同深度和小同回漉比( r a s ) 等情况。该研究发现，减少密度弗劳德数而导致排泥区的上流速率的增加，主要 是山于进入密度涨落区的挟带流所引起的。m c c o r q u o d a l e 和z h o u 的研究田】表明， 他们所提出的数学模型足以解决沉淀池的基本尺寸选择问题，包括深度，直径， 出水渠位置，底部坡度以及边缘直径等。 6 1 绪论 1 3 3 沉淀池模型的研究现状 在二十世纪九十年代初期和中期以来还出现了其他相当重要的二维沉淀池模 型。k r e b s 借助计算流体力学( c f d ) 软件p h o e n i c s 建立了稳态情况下的矩形沉淀 池的速度场和体积分数场模型 3 0 l ，其中，认为池内紊流是具有恒定紊流粘度的； k r e b s 还发现通过在池内增加隔板会对水力情况产生积极效应。s a m s t a g 等人【3 l 】使 用m c c o r q u a d a l e 等人口鄹提出的模型，研究了在沉淀池操作中不同的入流几何尺 寸的影响。l y n 等田1 使用k - 8 模型，发展了一个新的二维稳态模型，来模拟矩形沉 淀池内离散颗粒的沉降速率分布情况，该模型解释了沉降所致的异重流以及简要 地描述了絮凝现象；此处所使用的絮凝模型假定池内仅存在紊流剪切诱导的絮凝； 研究者发现，相对于沉降速率分布而言，剪切诱导的絮凝对浓度场和去除效率的 影响是次要的；而且正确的沉降速率分布建模方式对于获得可靠的悬浮固体浓度 分布和去除效率预测值十分关键s z a l a i 等渤3 通过考虑沉淀池边缘效应扩展了l y n 和z h a n g 的工作；在该研究中，他们通过采用一种被称为h l p a ( 复合抛物线性无 摆收敛格式) 格式的低阶数值扩散技术来取代h y b r i d 格式；计算被限定于稳态和 中性浮力情况，并且通过m c c o r q u o d l e 的实验【3 5 】检验了计算结果；由旋转刮泥叶 片和入流边缘叶片引起的效果很好地和试验连续流体曲线f f t c ) 相吻合d a h l 等嗣 提出了一个考虑活性污泥流变现象的稳态模型，它包括了活性污泥悬浮的a m g h a m 塑性特征；该研究将模型应用于矩形沉淀池，并且通过单独的自由沉降和受阻沉 降速率进行了校正 。 随着时间的推进，研究者们将更多的精力关注于寻找一些实用模型，。通过这 些模型一方而用于模拟现有沉淀池，另一方而使用这些模型来分析沉淀池设计中 遇到的实际问题，例如，k r e b s 等 3 7 1 通过模型来对初级沉淀池和二次沉淀池的入口 结构设计进行优化。k r e b s 等f 3 硼还研究了入口和出口结构对矩形二次沉淀池内流场 的影响。j i 等1 3 9 1 将二维沉淀池同好氧生物反应器结合起来研究，这种结合被用于 模拟在稳态入流条件下系统对回流比的响应，并且考察了动态入流最大雨季流量 条件下的系统调整的可能性v i t a s o v i c 等【柚】使用w 批b e r g 等【4 l 】收集的数据，对某 二次沉淀池进行了模拟，该研究对小同的污泥负荷和沉淀特性进行了测试，并且 提出了促进良好水力条件和沉淀池操作的沉淀池结构改造方案，即减小中心絮凝 井的尺寸，同时增加一个c r o s b y 挡板：该研究所提出的模型的显著特色就是它模拟 了由于污泥累积和压缩所致的非稳态的污泥层变化 c h e b b o 等 4 2 1 ，w e l l s 和l a l i b e r t e 4 3 提出了一种新的方法来解决针对悬浮固体 输运的广泛使用的对流扩散方程。c h e b b o 等的研究模拟了看作是随机扩散过程的 颗粒运动轨迹，该模型借助考虑小可沉降成分的沉降速率分布法对矩形初级沉淀 池的去除效率进行了计算。w e l l s 和l a l i b e r t e 通过对二层流的稳态条件进行模拟， 7 重庆大学硕士学位论文 对沉降过程进行了简化，尽管这个模型跟简单，但是它可以预测有无悬浮污泥和 温度影响下的污泥层界而高度。 m a z z o l a n i 等 4 4 1 提出了一种关于矩形沉淀池的稳态模型。该模型的可取之处就 是其在沉降速率模型的选择，该研究通过使用泛化沉降模型，不仅很好地描述了 沉淀池内低浓度区域的离散沉降现象，而且也准确地模拟了高浓度区的受阻沉降 情况。 l a k e h a l 等 4 5 1 。a r m b r u s t e r 等1 4 6 提出了一种能够对圆形沉淀池进行非稳态模 拟的模型，同时该模型将污泥层包括在了计算区域。本研究中使用到了一个流变 函数，以描述较高浓度的污泥混合所致的增加的流体粘度。 s t a m o u 等【4 7 】使用二维数学模型来设计双层二次沉淀池。该研究依据各自的情 况调整边界条件，对每一个池子单独建模。结果表明，两个池子的流场相似，然 而，上层的池子通常具有较高的悬浮污泥去除率。其中没有对流变情况进行模拟。 近年来，计算流体力学商业软件凭借其友好的界而和适宜的操作方法，已经 在许多领域被推广使用，而且得到了相关从业者的认可。其中在环境工程领域使 用最为广泛的两个软件莫过于p h o e n i c s 和f l u e n t ，这两个软件通常被用于初 级沉淀池和二次沉淀池的结构改造或者操作条件优化的模拟。b r o u e k a e r t l 4 s 和 b u c k l e ) , ，k r e b s ，d a h l 等使用p h o e n i c s 以提高自来水厂和污水处理厂的设计和 操作水平。d ec o c k 等【4 9 】也通过p h o e n i c s 来研究沉淀池内的絮凝情况，他们通 过引入流体增长和破碎模型来改进p h o e n i c s 程序，以模拟絮凝对沉淀池的效率 的影响。l a i n e 等 5 0 i ，d ec l e r e q ，和j a y a n t i 和n a r a y a n a n l 5 1 】使用f l u e n t 模拟了 沉淀池的二维流体情况。其中，l a i n e 等，j a y a n f i 和n a r a y a n a n 对典型初级沉淀池 进行了相关研究。d ec l e r e q 分别对二次沉淀池的实际应用结构和实验室结构进行 了考察，并对模型进行了校正和确认，他使用一个子模型来解释污泥的流变，t a k a e s 固体沉降速率和刮泥机械的影响；然而，在确认过程没有使用刮泥子模型，d e c l e r e q 认为，如果刮泥子模型包含在内会引起小理想的污泥层高度模拟，这可能是 由于模型中缺乏对漩涡和其他三维效果的模拟。 1 4 课题的研究目的和内容 1 4 1 研究目的 通过商用c f d 软件f l u e n t 的对现有平流式二沉池池内流态进行模拟，找出 流态方面存在的问题，再寻求改善池内流态的方法或途径，以求改善沉淀效果， 并用流态可视化的方法对f l u e n t 的模拟加以验证，以及通过对沉淀池缩小模型 内的沉淀数据的检测，来验证沉淀效果的改善。 8 1 绪论 1 4 2 研究内容 课题的主要研究内容有； 利用f l u e n t 对现有沉淀池各种进水方式下的流态进行模拟，分析池内流 态不善的原因； 寻找一种解决流态不善问题或者改善流态的方法； 通过正交试验方法分析改善流态的所需要的各细部结构的参数组合，寻找 对池内流态影响最大的因素，并尝试找到一种最佳组合： 通过流态可视化实验对流态模拟进行验证； 制作平流式二沉池实验模型，通过沉淀试验，验证模拟提出的流态改善方 法对沉淀效果的改善。 9 2f l u e n t 对平流式二沉池流态分析 2 f l u e n t 对平流式二沉池流态分析 2 1 计算流体动力学( c f d ) 基础知识【5 2 】 2 1 1 计算流体动力学概述 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y l l a l l l i c , s ，简称c f d ) 是建立在经典流体 动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和图 像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。c f d 的 基本思想可以归结为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和 压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方 式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得 场变量的近似值。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 程) 控制下对流动的数值模拟通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的 流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些 物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空间特性及脱流区等等。还可以 据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此 外，与c a d 联合，还可以进行结构优化设计等 近几十年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算 法和图解法；过去的一些典型教学试验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子运输等现象的问题，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 技术现已发展到完全可以分析三维粘性湍流 及旋涡运动等复杂问题的程度 2 1 2 计算流体力学的控制方程和求解过程 控制方程 流体流动受到三条基本的物理守恒定律的支配；质量守恒定律、动量守恒定 律、能量守恒定律。控制方程是这些守恒定律的数学描述 1 1 质量守恒方程 譬+ 咖( 西) ：0 ( 2 1 ) 西 、 式中p 是密度，f 使时间，是速度矢量，a v o 是散度。 质量守恒方程也称为连续性方程。 2 1 动量守恒方程 重庆大学硕士学位论文 掣 1 - d i v ( p u u ) ：d i v ( 1 u g r a d u ) 一罢+ s x ( 2 2 a ) a a ( ：p i v 一) + d i v ( m u ) ：咖( p 脚) 一害兰+ s y ( 2 2 b ) 研 o y _ a ( p - w ) + 训p 石) ；d i v ( 1 i g r a d w ) 一挈+ s ， ( 2 2 c ) t t t 式中p 是作用在流体微元体上的压力；、1 ，和w 是速度矢量“分别在x 、y 、 z 上的分量；g r a d o = a 0 a x + a 0 钞+ 9 0 a z ；s x 、s ，和s ：是动量守和方程的广 义源项，墨= e + j ，墨= + j ，= 只+ s ：，而只、e 和c 是微元体上的 体力，一般来讲s ，、s y 和j ：是相对的二阶小量，对于粘性为常数的不可压流体， s x = sr = s ：= 0 。 动量守恒方程也称为n a v i e r - s t o k e s 方程。 3 1 能量守恒方程 _ a ( p t ) + d i v ( p 动l ) ：柳( 土删+ 品 ( 2 3 ) 讲 f 口 其中c 。是比热容，r 是温度，j 为流体的热传导系数，品是流体的内热源及 由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称为粘性耗散项。 控制方程的通用形式为 掣+ d i v ( p 劫) ：d i v ( r g r a d ) + s ( 2 4 ) 研 式中，为通用变量，可以代表、矿、w 和丁等求解变量；r 为广义扩散系 数；s 为广义源项。 c f d 的求解过程 c f d 的求解过程如图2 1 所示。 1 ) 建立控制方程 建立控制方程，是求解任何问题前都必须首先进行的。一般来讲，这一步比 较简单。 2 、确定边界条件与初始条件 初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条 件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整的描述。 初始条件是所有研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，边 界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。 3 1 划分计算网格 要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。现己发展出多种对各种区域 进行离散以生成网格的方法，统称为网格生成技术。 1 2 2f l u e n t 对平流式二沉池流态分析 建立控制方程i j 确定边界条件与初始条件 图2 1c f d 工作流程图 f i g 2 1 w o r k i n gf l o wc h a r to f c f d 对于二维问题，常用的网格单元有三角形和四边形等形式；对于三维问题， 常用的网格单元又四面体、六面体、三棱体等形式在整个计算域上，网格通过 节点联系在一起。 目前商用c f d 软件都配有专用的网格生成工具，如f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有解析解的。但由于所处理 的问题自身的复杂性，一般很难获得解析解。因此，就需要通过数值方法把计算 重庆大学硕士学位论文 域内有限数量位置( 网格节点或网格中心点) 的因变量值当作基本未知量来处理，从 而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些 节点值，而计算域内其它位置上的值则根据节点位置上的值来确定。 由于引入的因变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同，就 形成了有限差分法、有限元法、有限体积法等不同类型的离散化方法。 5 ) 离散初始条件和边界条件 前面给定的初始条件和边界条件是连续性的，所以需要针对所生成的网格， 将连续性的初始条件和边界条件转化为节点上的值，连同所建立的离散的控制方 程，才能对方程进行求解。 6 ) 给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界 条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此后，还要给定 迭代计算的控制精度、瞬态问题的实践步长和输出频率等。 7 ) 求解离散方程 通过上述设置后，通过数学方法求解代数方程组。 8 ) 判断解的收敛性 这部分属于经验性的，需要针对不同情况进行分析。 9 ) 显示和输出计算结果 计算收敛以后，求得的解可以通过线值图、矢量图、等值线图、流线图、云 图等方式表示出来。 2 1 3f l u e n t 简介 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是继 p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目 前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 f l u e n t 提供了非常灵活的网络特性，让用户可以使用非结构网格，包括三 角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚 至可以用混合型结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改( 细化， 粗化) 。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它