平流沉淀池紊流流场的数值模拟.pdf

平流沉淀池紊流流场的数值模拟 杨玲霞 郭佩佩 范如琴 郑州大学环水学院, 河南 郑州 450002 摘要 对平流沉淀池的紊流流场在不同边界条件下进行模拟计算, 分析比较边界条件的简化程度对平流沉淀池模拟 计算的影响。 结果表明, 平流沉淀池入口处进流条件的简化和污泥斗的忽略与否对平流沉淀池流态的计算结果影响 较大 , 在实际计算中应尽量采用真实的边界条件进行计算。 以真实边界条件计算, 分析表明, 紊流场模拟的流态比层 流场模拟更符合实际平流沉淀池的流场情况。 关键词 平流沉淀池 数值模拟 层流 紊流 0 引言 沉淀池是常规水处理中必不可少的构筑物之一, 其设计的好坏直接影响到整个污水处理系统的成 败 [ 1] 。数值模拟手段随着计算技术的发展逐渐成 熟 [ 2] 。1981 年 Schamber [ 3] 首先将能够模拟紊动黏性 系数和扩散系数不均匀分布的 k- ε 模型应用到沉淀 池模拟计算中。其中对平流沉淀池的模拟成果相对 较多 。但由于平流沉淀池进出口体形以及污泥斗结 构复杂,多数学者在对此进行数值模拟时都做了不同 程度的简化处理 [ 2,4-6] 。根据文献资料, 本研究就边界 条件的简化程度对平流沉淀池模拟计算的影响进行 了初步探讨。 1 平流沉淀池数值模拟的基本条件 1. 1 平流沉淀池的形状和尺寸 根据资料 [ 2] 结合实际工程,选定图 1所示的平流 沉淀池,具体规格为 长30 m ,高3 m ,进口挡板在水面 下淹没深度1. 2 m ,挡板厚度0. 1 m ,出口采用溢流堰, 出流高度0. 5 m , 入流流速视为均匀分布, 速度为 0. 03 m s。该沉淀池采用非结构网格, 网格划分如图 2 所示。 1入流进口; 2挡板; 3污泥斗; 4出口。 图 1 平流沉淀池形式 图 2 平流沉淀池网格图 1. 2 控制方程和边界条件 控制方程采用 k- ε 双方程模型。k- ε 模型中常数 数值如表 1 所示 。 vtCμ k 2 ε 1 Γ vt σk 2 k t Ui k xi xi vt σk k xi vt Ui xj Uj xj Ui Uj βgi vt σk Υ xi -ε 3 ε t Ui ε xi xi vt σε ε xi C1ε ε k P G 1 C3εRf-C2εε 2 k 4 表 1 k-ε模型中常数数值 CμC1εC2εσ k σ ε 0. 091 . 441. 921. 01. 3 进口边界直接给定速度大小, 沉淀池固体壁面 包括挡板 上的边界条件符合流速在壁面上的不分 离和无滑移条件 ,自由水面按刚盖假定和无剪切力假 定给出边界条件 [ 7] 。 采用 SIMPLE 算法求解 。由初始速度值开始, 迭 代求解,显示最后图形。 2 紊流情况下平流沉淀池的数值模拟 2. 1 简化为矩形状态的模拟 忽略进口绕流及污泥斗的影响 ,平流沉淀池可简 化为矩形。此时水流自挡板下均匀入流。计算结果 如图 3 所示 。分析可知 挡板后沉淀池表层有回流产 生; 沉淀池中部水流流速方向大小相差不大 ,趋于均 87 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 匀,且范围约占整个流场的1 3; 出口断面前水流向右 上方运动 ,速度较大 ,底部存在回流 ; 整个池内流动较 平稳 ,流态较好 。 图 3 简化情况下的沉淀池流态 2. 2 仅按实际入流方式的模拟 考虑实际入口挡板前的绕流情况, 但不考虑污泥 斗的影响 进行模拟 计算 。入 流高度为 0. 5 m , 以 0. 03 m s的速度均匀入流, 挡板距入流进口距离为 1 m ,其他条件与前一种情况相同 。计算结果如图 4 所示 。 图 4 实际入流状态下的沉淀池流态 分析图4 流态可知 , 由于进口的绕流影响, 池内 流场有3 个回流区,但回流区的速度绝对值不大。挡 板后沉淀池表层回流区比上一种情况大 ; 进出口速度 稍大, 中间部分相对均匀 ,入口和挡板后一段距离内 速度分布不均匀 , 约占池身的 1 5, 出口处也不均匀, 速度梯度比较大 。 2. 3 按实际边界条件的模拟 既考虑实际入口挡板前的绕流情况 ,又考虑污泥 斗的影响进行模拟计算。计算结果如图 5 所示 。 图 5 实际入流污泥斗的沉淀池流态 分析图5 流态可知 在实际边界条件下, 整个流 场有 3 个较大的回流区,挡板后沉淀池表层回流区比 上2 种情况更大; 由于污泥斗的影响 ,不仅污泥斗底 部存在较大的回流区 ,而且使池中进口后较大范围的 流态处于不均匀状态 ; 但污泥斗及其上方水流速度缓 慢,利于悬浮颗粒沉淀 ; 出口前下部水流回流区比较 大,未沉淀的悬浮颗粒易淤积于此 。 2. 4 沉淀池池底坡度影响的模拟 在上一种模型条件的基础上, 考虑池底坡度的影 响进行模拟计算 ,结果如图6 所示。 图 6 实际入流污泥斗和坡度的沉淀池流态 分析图 6 流态可知 考虑池底坡度的影响后, 平 流沉淀池内的流态变化不大, 在坡度很小时 ,可以认 为沉淀池底坡对流场没有影响 。 2. 5 改变污泥斗形状的模拟 在前一种条件的基础上, 将沉淀池污泥斗的底部 改为平底形状, 再次进行模拟计算 。计算结果如图 7 所示 。 图 7 实际入流污泥斗改变状态下的沉淀池流态 分析图 7 流态可知 平底污泥斗内的回流强度得 到分散和减弱, 出斗的水流流态比尖底污泥斗水流流 态均匀,特别是减小了污泥斗后池底回流区。 比较上述各种边界条件下的模拟计算结果可知, 简化边界条件进行的模拟计算 , 其流态较好 ,回流区 小,流态均匀,不能反映出实际平流沉淀池内回流大 区、 流态不均匀区的特点 ,因此 ,按简化边界条件进行 的模拟估算流态偏于不安全。 3 层流与紊流情况的模拟比较 按层流情况进行模拟 ,在此既考虑实际入口挡板 前的绕流情况, 又考虑污泥斗的影响进行模拟计算。 将计算结果与紊流场计算结果进行分析比较。其计 算结果如图 8 所示。 图 8 层流状态下的沉淀池流态 分析比较图 8 和图 7 可知 按层流模型计算, 平 流沉淀池内的流态并不理想 , 池身大部分有回流出 现 , 流场极不均匀 , 不利于悬浮物的沉淀 。 两种模拟 下转第 93 页 88 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 NH3-N 被大量去除。但强碱性的浓缩液回灌后 ,中和 酸性环境后的强碱性环境 ,会对垃圾中大多数的细菌 活动产生抑制作用, 导致 NH3- N 去除效率下降 。pH 为12 时,NH3- N 的去除率较 pH 为11 时低 。 实践中 ,应根据污染物的去除效率 , 调整 pH 所 需的石灰用量等多方面因素。 3 结论 1 浓缩液回灌对有机污染物有很好的去除效 果,厌氧条件下 ,COD 去除率为 81. 56, BOD5去除率 为82. 5; 浓缩液回灌至好氧垃圾填埋体对 COD 去 除率为91,BOD5去除率为 98. 69。 2 渗滤液回灌和浓缩液回灌对 NH3- N 的去除 率均在60～ 70。浓缩液回灌至好氧垃圾填埋体 后对NH3- N 的去除率可达 96。 3 厌氧条件下, 浓缩液回灌的最佳水力负荷为 32. 38 mL L d ,当回灌 COD 浓度 75 000 mg L时, COD去除率在 85以上; pH 为 9 时, COD 去除率最 高; pH 为 11时 ,NH3- N 去除率最高 。 参考文献 [ 1] Robinson H D.The treatment of leachate from domestic wastes in landfill -aerobic biological treatment of a medium-strength leachate. 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DTRO 处理渗滤液工程介绍. 给水排 水, 2005, 31 8 41 -45 [ 5] 王宝贞, 王琳. 水污染治理新技术 新工艺、新概念、新理 论. 北京 科学出版社, 2004 110-113 作者通信处 刘研萍 100029 北京北三环东路 15 号 北京化工大 学 107 信箱 E -mail liushuihan163. com 2007- 11-03 收稿 上接第 88页 结果相差较大。考虑到平流沉淀池内的流态大多数 情况下属于紊流 ,因此 , 在实际计算中应该采用紊流 模型进行平流沉淀池内的流态模拟 。 4 结论 1 平流沉淀池入口处进流条件的简化和污泥斗 的忽略与否对平流沉淀池流态的计算结果影响较大, 在实际计算中应尽可能不做简化而采用真实的边界 条件进行计算模拟。 2 层流模型计算与紊流模型计算相比 ,模拟结 果相差较大。在实际计算中应采用紊流模型进行流 态模拟。 3 污泥斗形式的合理改变, 可改善平流沉淀池 内的流态 ,在实际工程设计中 ,结合数值模拟 ,可以对 污泥斗的形状进行改造, 提高沉淀池的沉淀效果。 参考文献 [ 1] 姚重华. 环境工程仿真与控制. 北京 高等教育出版社, 2001 [ 2] 蔡金傍, 朱亮, 段祥宝. 平流沉淀池数值模拟分析. 河海大学学 报 自然科学版 , 2004, 32 1 27-30 [ 3] Schamber DR,Larock BE.Numericalanalysis of flowin sedimentation basins. 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Keywords eco-intermediate water supply plug flow reactor self-purification biofilm wastewater recycling NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT FLOW FIELD ON THE HORIZONTAL SEDIMEN - TATION TANKYang Lingxia Guo Peipei Fan Ruqin 87 Abstract It is simulated and calculated the turbulent flow field of the horizontal sedimentation tank on the different boundary conditions, and then analysed and compared the effect of the extent of boundary condition s simplicity on the horizontal sedimentation tank. The results have revealed that the simplicity of the inlet conditions and the ignore of the mudhopper have obviously influence on the result of the flow pattern on the simulation results of the horizontal sedimentation tank. The calculation shows that adopting the actual boundary condition not the simplified bound - ary conditions as far as possible can realize in the practical calculations. In the end, it is simulated and calculated the laminar flow field of the horizontal sedimentation tank on the actual boundary conditions, which is then compared with that of the turbulent flow field. The result shows that the simulation of the flow pattern of the turbulent flow isbetter than the laminar flow, andthe er ismore compliable with that of a real horizon - tal sedimentation tank. Keywords horizontal -sedimentation -tank numerical -simulation laminar -flow turbulent-flow flow state comparison STUDY ON INFILTRATION OF LEACHATE CONCENTRATE FROM RO INTO LANDFILL Liu Yanping Li Xiujin Wang Baozhen et al 89 Abstract The concentrate is produced during reverse -osmosis treating landfill leachate. Whose pollutant concentration is much higher than leachate. The study was carried outwith infiltrating concentrate into landfill. The resultsindicated the infiltration had positive impaction on pollutant removal. Under anaerobic infiltrating condition, COD removal was up to 81. 56, with 82. 5 of BOD5removal, 60～ 70 of NH3-N removal. The optimum hydraulic loading of concentrate infiltration was 32. 38mL Ld, with 85 of COD removal under COD content less than 75 000 mg L. COD removal was the highest when concentrate infiltrated pH value was 9, while NH3-N removalwas the highest under pH11. Keywords infiltration leachate concentrate landfill site THE HUMUS REMOVAL EFFICIENCY OF THE CORAL ISLAND GROUNDWATER BY ELECTR - OCOAGULATIONZhang Jincheng Fan Qixiong 94 Abstract In order to remove the organic matters such as humus etc in freshwater lens commonly called asislandwater by which the col - ority of the water is reduced, a self-designed electrocoagulation device was used to do orthogonal experiments. The sequences of factorswhich affect the organic matter removal rate and the optimal parameterswere determined. The results show that the sequences of factorswhich affect the removal rate are hydraulic retention time T, electric current density J , the space between electrode plate d. The optimal parameters of the said factors are d5 mm, J 20 A m2and T90 s. Keywords coral island freshwater lens electrocoagulation optimal condition CAUSE ANALYSIS OF WATER CRISIS IN CHINA AND SUGGESTIONS ONCOUNTERMEASU - RESLiu Jiping 97 Abstract It was summarized 3major phenomena ofwater crisis in China the serious water resource shortage, heavy water environment pol - lutions and considerable waste ofwater resource andfurther analyzed that 1the deviation of water resource price andits value, 2water resource s the quasi -public goods attribute and unclear property ownership, 3the negative outside character of water resource utility are the main reasons that caused the water crisis in China. The suggestions on countermeasures for solving this problem of water crisis are also presented. Keywords water crisis reason analysis policy suggestions Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227638 82227678 Chief Editor Bai Yun Vice Chief Editor Shen Guiqiu Domestic All Local Posts Distributor China International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000- 8942 CN 11-2097 X E-mail hjgcpublic. yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc. com. cn http www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008