正方形沉淀池内部水流运动模拟及设计应用.pdf

正方形沉淀池内部水流运动模拟及设计应用 * 金陶胜 1 赵彦琳 1 丁南华 2 吴鹏飞 2 刘海洪 3 1. 南开大学环境科学与工程学院， 天津 300071; 2. 江苏新纪元环保有限公司， 江苏 宜兴 214214; 3. 东南大学能源与环境学院， 南京 210096 摘要 针对江苏新纪元环保有限公司自主研发的上下全截面正方形沉淀澄清池进行水流运动模拟及分析。正方形沉 淀澄清池的水力特性对其沉淀效果有很大影响， 在沉淀池水力设计中应通过对池型以及各种几何参数的优化， 使其池 内回流区范围尽可能减小， 并且尽量使池内垂直断面上流速均匀平稳， 研究中主要利用模型模拟正方形沉淀澄清池在 不同进水流速和不同挡板布置形式下的水流流场， 经过分析比较出较为合理的沉淀池运行工况以及较为合适的挡板 布置形式， 进而提高沉淀池的运行效率。 关键词 正方形沉淀池; 流速; 挡板; 模拟 THE SIMULATION AND DESIGN APPLICATION OF WATER FLOW MOVEMENT IN THE SQUARE SEDIMENTATION TANK Jin Taosheng1Zhao Yanlin1Ding Nanhua2Wu Pengfei2Liu Haihong3 1. School of Environmental Science Engineering， Nankai University， Tianjin 300071， China; 2. Jiangsu New Epoch． E． P Co． ， Ltd， Yixing 214214， China; 3. School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China AbstractIt is focuses on the simulation and analysis of water flow movement in a square sedimentation tank， which is invented by Jiangsu New Epoch Company independently．The square sedimentation tank’s hydraulic characteristics have a great influence on sedimentation effect． During the hydraulic design， it’ s important to optimize the tank structure and geometric parameters in order to reduce the range of circulating flow and make sure the velocity in the vertical section of the tank keeping even and stable． In this study， the square sedimentation tank is simulated by a model． Based on different inlet velocity and baffle arrangement ， the flow field is discussed．It’s necessary to choose appropriate running condition and baffle arrangement to improve the operation efficiency of the sedimentation tank． Keywordssquare sedimentation tank; inlet velocity; baffle; simulation * 江苏省首批 2011 年 “教授博士柔性进企业” 合作成果。 0引言 国内外用于泥水分离的沉淀澄清池， 通常采用矩 形或圆形。矩形池虽布局紧凑占地省， 但桁车或链板 式刮泥机运行方式导致池体两端存在死角， 易造成泥 沙堆积， 池体过长容易造成泥体上浮现象， 刮泥效果 不好; 圆形池虽具有水力特性好、 泥水分离效果优等 特点， 但不能充分利用圆池四角面积， 相邻布置需留 有足够空间， 占地面积大， 同等占地面积处理水量小， 建设投资大。 近年来， 江苏新纪元环保有限公司发明了一种新 型正方形沉淀澄清池 ［1- 3］， 是将水处理工艺中各种沉 淀、 澄清、 浓缩、 混凝池设计成兼具圆形池和矩形池两 者优点， 又能克服两者缺点的上下全截面正方形结构 池。在该发明设计中， 由于引入了刮泥机铰链四连杆 装置技术， 从而使得正方形刮泥机也能刮除圆周以外 四角沉淀污泥， 达到了项目占地池容最大化及建设投 资最小化。据初步测算， 相同池径单池可增加面积 27 处理水量增加 27 ， 相邻合建节约占地 35 以上， 节省总投资 25 。 Zhou 等人 ［4］通过模拟、 分析辐流式二沉池挡板 位置对池内水流情况和悬浮物浓度的影响， 得到低弗 鲁德数和挡板与进口距离较小时， 沉淀池运行较好。 也有一些国外学者利用流体力学软件对各种污水处 理反应器流场进行数值模拟， 取得了较有价值的成 21 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 果 ［5- 7］。韦安磊等［8］利用 CFD 软件， 对二沉池中入流 挡板的结构进行改进， 解决池内因涡流现象引起的问 题， 从而提高二沉池处理能力。另外很多国内的学者 专家将数值模拟的方法应用于沉淀池的优化设计， 同 样取得了不容小觑的成绩 ［9- 12］。 作为一种新型的沉淀池， 正方形池综合圆形及长 方形池优点， 可以在四角碰撞产生紊流， 强化混凝反 应。本论文正是基于相应的正方形沉淀池设计， 采用 计算流体力学软件对池内的流体运动进行模拟， 分析 其流体运动状况与沉淀池的设计流速以及结构参数 等因素之间的关系， 以更好的发展应用正方形沉淀池 泥水分离技术。 1模型的建立 江苏新纪元环保有限公司设计长 30 m 宽 30 m 正方形沉淀池， 中心进水周边出水形式， 中心稳流筒直 径 D 为 1. 8 m， 高度为 2 m， 结合正方形沉淀池计算 书 日设计流量为 20 万 m3 提供的数据建立模型如 下， 其中方形池边长为 30 m， 池体主体部分高为4. 91 m 不包括超高， 污泥斗以上的椎体部分坡度忽略， 只作 0. 41 m ， 由于本研究只考虑正方形沉淀池体内部的水 流运动， 因此未考虑污泥斗部分， 模型中未建立。共划 分约 220 000 个网格， 如图 1、 图 2 所示。 图 1正方形沉淀池结构模型 图 2正方形沉淀池模型网格 竖直剖面如图 3、 图 4 所示， 取沉淀池中心断面 为监测面， 以后分析皆以此监测面为研究对象。 图 3正方形沉淀池垂直断面结构模型 图 4正方形沉淀池垂直断面模型网格 2不同入口速度下的水流运动情况 边长 30m 正方形沉淀池计算书 中给出的设计 流量 Q 为 20 万 m3/d， 变化系数为 1. 3， 由中心筒直 径 D 1. 8 m 可以得出过流面积 S 2. 5434 m2， 由此 可以计算出入口流速为 1. 183 m/s， 得到监测面的模 拟图形， 如图 5 所示。 图 5进口流速为 1. 183 m/s 时监测面流线 从图5 可以看出 右侧有较明显的回流， 这会影响沉 淀池的水力性能， 减小流速， 得到模拟图形， 如图6 所示。 从图 6 可以看出 随着进口流速的减小， 池体内 部的回流现象逐步减弱， 但是在实际设计中， 还应考 虑其他因素 如每天所需达到的处理水量等 ， 以得 到最适流速。 3挡板对水流运动的影响 边长 30 m 正方形沉淀池计算书 中给出的挡 板形式为中心稳流筒， 稳流筒可以使进口水流尽量保 持均匀平稳， 以提高沉淀效率。现设定进口流速 V 1. 183 m/s 由计算书 中设计流量为 20 万 m3/d 换 算得出 ， 针对不同的稳流筒直径和高度进行模拟， 如图 7 改变直径 D ， 图 8 改变高度 H 所示。 从图 7 可以看出 当不设置挡板时 D 0 ， 入口 处流速较大， 且产生较大漩涡， 势必影响沉淀池的运 行效率， 挡板直径分别为 4， 5. 5， 7 m 时， 挡板左侧回 31 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 图 6不同进口流速的内部流线 图 7不同挡板直径的沉淀池内部流线 图 8不同挡板高度的沉淀池内部流线 流逐渐增大， 有利于提高混凝反应强度和混凝效果， 而挡板右侧无明显差别， 但是可以看出， D 5. 5 m 时， 池体内部整体流线图比较均匀， 可减小回流现象 对絮体沉淀过程的影响。 图 8 显示 挡板高度在 1 m 时有较明显的漩涡影 响， 而挡板高度在 2 m 和 3 m 时的流线比较均匀， 污 泥絮体沉淀扰动相对较小。产生这种现象的原因可 能是因为稳流筒内流速较大， 且与池内水相比， 这股 水流相对密度也较大， 而挡板高度的增加可以抵消部 分出口水流的动能， 缓解进口水流对池体内部的冲 击， 尽可能保证了池内的布水均匀。综合考虑， 选择 挡板高度在 2 m 比较适宜。 4结论 1 进口流速对池体内部流线图有较为明显的影 响， 但是在实际操作过程中， 要结合实际情况， 考虑所 需处理水量等因素， 确定最适流速。 2 对于挡板高度与直径的研究， 本文是根据进 口流速在边长 30 m 正方形沉淀池计算书 中的设 计流速 V 1. 183 m/s 设计流量为 20 万 m3/d 的情 况下模拟的， 从所模拟的情况来看， 挡板直径在 5. 5 m， 高度在 2 m 时比较适宜。 参考文献 ［1］丁南华． 新型正方型泥水分离池刮泥机应用前景［J］ ． 流程工 业杂志， 2009 11 ， 52- 53． ［2］丁南华， 虞国量， 任洪强， 等． 正方型沉淀池刮泥机技术研发及 产业化应用前景［J］ ． 亚洲环保杂志， 2009 7 ， 11- 14． ［3］丁南华， 虞国量， 庄昌玺． 水处理正方型沉淀澄清池技术研发及 产业化应用前景［J］ ． 水工业市场杂志， 2009 7 ， 50- 51． ［4］Zhou Siping， McCorquodale John A．Influence of skirt radius on perance of circular clarifier with density stratification［ J］ ． Journal of Hydraulic Engineering， 1992， 118 10 1391- 1405． ［5］Krebs P， Arbruster M， Rodi W． Laboratory experiments of buoyancy influenced flow in clarifiers ［J］． Journal of Hydraulic Research， 1998， 36 5 831- 851． ［6］Krebs P， Stanou A I， Garcia Heras J L， et al． Influence of inlet and outlet configuration on the flow in secondary clarifiers ［J］． Water Science and Technology， 1996， 34 5 － 6 1- 7． ［7］Long Fan， Nong Xu， Xiyong K． Nuerical simulation of secondary sedimentation tank for urban wastewater ［J］．Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers， 2007， 38 6 425- 433． ［8］韦安磊， 曾光明． 计算流体力学在二沉池改造中的应用［J］． 工业用水与废水， 2005， 36 3 52- 54． ［9］曾光明， 葛卫华， 秦肖生． 污水厂二维沉淀池水流和悬浮物运 动数值模拟 ［ J］ ． 中国环境科学， 2002， 22 4 338- 341． ［ 10］曾光明， 葛卫华， 秦肖生， 等． 数值模拟方法在二维沉淀池优化 设计中的应用 ［ J］． 环境工程， 2002， 20 4 10- 14． ［ 11］肖尧， 施汉昌， 范茏 ． 基于计算流体力学的辐流式二沉池数值 模拟［J］ ． 中国给水排水， 2006， 22 19 100- 104． ［ 12］屈强， 马鲁铭， 王红武． 辐流式沉淀池固液两相流数值模拟 ［J］． 同济大学学报， 2006， 34 9 1212- 1216． ［ 13］朱炜， 马鲁铭， 盛铭军． CFD 模型在污水沉淀池数值模拟中的 应用［J］ ． 水处理技术， 2006， 32 4 10- 13． 作者通信处金陶胜300071南开大学环境科学与工程学院 电话 022 23509673 E- mailjints nankai. edu. cn 2011 － 10 － 14 收稿 41 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期