新型翼片式斜板沉淀池的数值模拟与优化研究

2015-07-20缪昊君许金天东南大学土木工程学院江苏南京211189

中国新技术新产品 2015年17期

陶　赟　缪昊君　许金天　刘　琦（东南大学土木工程学院，江苏南京 211189）

高新技术

陶赟缪昊君许金天刘琦
（东南大学土木工程学院，江苏南京 211189）

本文介绍了一种新型的翼片式斜板沉淀池的工作状态，使用固液两相流方法通过Fluent模拟，并设置含沙量为变量，模拟了在含沙量80kg/m3和140kg/m3时沉淀池中泥沙浓度随时间的变化，结果表明含沙量较小时有更好的泥沙去除效率。并观测了速度模拟结果，其表明泥沙在翼片间呈环流，泥水在斜板末端呈异向流分离。

翼片式斜板；Fluent模拟；横向环流

我国的经济发展日新月异，70年代后主要是斜管、斜板及复合型沉淀池，但是去除效率低。2006年之后执行的《城市污水处理厂污染物排放标准》1 级A排放标准中的浊度（SS）由原来的30mg/L提高到10mg/L，其他行业标准也随之提高。因此，对传统沉淀工艺的技术改良，提高沉淀效率迫在眉睫。为了研究颗粒物在斜板内的沉降过程及沉淀池的沉淀效率，本文采用计算机数值模拟的方法加以验证。

1 实验装置与方法

1.1 物理模型

本试验装置由斜板和翼片构成，其中斜板竖向排布，如图2所示。其结构参数包括沉淀池长a、沉淀池宽b、沉淀池高c、两斜板之间间距d、上斜板与墙面距离e，斜板的长度g、斜板的宽度h，斜板与X方向的倾角α、斜板与Y方向的倾角β。本试验装置采用上层进水，下层出水的方式，实体装置底端还将增加一个排泥斗。

图1　

图2表示翼片式斜板的工作原理。废水从两斜板之间的间隙流入，经过翼片作用后流入下一组斜板，翼片与斜板之间是主流区，从主流区进入翼片口为涡流区，翼片内为环流区。环流区流速缓慢，接近于层流状态，有利于颗粒沉降，而且絮凝体颗粒在环流离心力的作用下也会边沉降边甩向翼片和斜板。另一方面，由于涡流区的存在，涡流中的絮凝颗粒旋转前进，部分被前面翼片阻挡在环流区，其余被后面翼片挡入环流区沉降。

图2

1.2 实验方法

沉淀池的原理是利用固体颗粒的自然沉降达到去除效果，本试验采用液固两相流模型。因两相流的流动现象复杂，影响因素多样，主要通过数值模拟、实验研究和数据处理三方面研究两相流。课题分别采用软件Gambit和Fluent两款软件建立物理模型和分析模型。

1.3 实验参数

设计模拟水量0.5L/min，斜板长g=105cm，宽h=42cm，斜板与X方向的倾角α=30°，斜板与Y方向的倾角β=60°，两斜板之间间距d=9.5cm，上斜板与墙面距离e=2.5cm。

颗粒粒径小于0.05mm的占88.7%，小于0.01mm的占38.3%，小于0.0053mm的占14.3%，小于0.0015mm的占7.3%。由Table 1所示，中值粒径D50=0.025mm。

模拟实验分为两组，以含沙量为变量，分别为80kg/m3和140kg/m3，对应体积分数分别为5.0%和8.3%。

图3

2 实验结果与讨论

2.1 浓度变化

进出水口及斜板底边浓度随时间变化：

根据图4，图5数据表示，泥沙不会在斜板处淤积。底部的浓度数据变化显示，砂体积分数越大，沉降速率越快，但当体积分数5%时，沉降浓度与初始浓度比值1.26，而8.3%时比值只有1.125，有所下降。

2.2 速度分析

待沉淀池模型流态稳定后：

图4

图5

根据图6，图7，得到5%砂体积分数下的x与y方向泥沙速度矢量图，其中可以看出泥沙颗粒在沿斜板流动的过程中，Vx max=0.0384m/s，Vy max=0.10m/s。x方向上的最大流速产生于主流区（层流区），而y方向上则产生于湍流区。这表明清水流带着泥沙大致沿斜板均匀向下流动，同时在翼片间形成向下流动的横向环流，当运动到斜板末端时，清水流高速逆向折入下层斜板，泥沙滑落至泥沙通道做垂直向下运动，形成顺时针垂向异重流。

图8，图9表示了砂体积分数为8% 时x与y方向的泥沙流速。与5%的时候相比，泥沙因受重力影响，流速更快，Vx max=0.029m/s，Vy max=0.96m/s。

2.3 实验结论

本文通过分析沉淀工艺的基本理论，提出一种新的沉淀池池型，即在斜板沉淀池的基础上加设翼片构成新型翼片式斜板沉淀池。

（1）该池型充分利用了斜板的“浅层沉淀”特性，并运用了涡流的特性，去除效率有所提高。利用 Fluent 商业软件对新型翼片式斜板沉淀池进行液固两相流数值模拟，采用固液二相流模型，得到与数值模拟一致的结果。

（2）实验以含沙量为变量，比较了不同含砂量条件下的沉淀情况，直观地分析斜板沉淀池内的沉淀规律，相较于普通的斜板沉淀池，新型翼片式斜板沉淀池加快了颗粒物的沉降，缩短了沉降路径。

（3）限于自己对二相流和湍流的认识还远远不足，混合液中颗粒受力复杂，模拟过程中部分参数设定有待进一步研究。