旋流式沉沙池的数值模拟计算

易玉林

(湖南省水利水电勘测设计研究总院， 长沙　410007)



旋流式沉沙池的数值模拟计算

易玉林

(湖南省水利水电勘测设计研究总院， 长沙410007)

摘要：沉沙池是用来去除水中所含沙颗粒达到水质净化的装置。旋流式沉沙池是一种新型的沉沙池，为探究这种沉沙池水流及沙颗粒在其中的运动状况，采用Fluent软件模拟分析，计算得出水流在池中的流速分布特性，揭示了旋流沉沙池中水流及沙颗粒的流场分布规律。研究结果表明，数值模拟可作为沉沙池运动场分析的理论依据。

关键词：旋流式沉沙池；水质净化；数值模拟；流场分布

生活中水质的好坏影响到人民的健康问题，在工业用水中产生的含沙废水污染会造成环境中的水生态破坏，在农业用水中含沙水会使农田土壤结构造成破坏，使农作物产量下降[1-3]。从最初的自来水厂用沉淀池作为水质净化的初步流程，再到工业上引入有机械动力装置的沉砂池来处理污水，进而到现代农田灌溉时为除去水中所含沙粒在水渠上建造沉沙池沉降沙粒，沉沙池在水质净化过程中发挥着重要的作用[4-6]。随着近年来计算流体动力学(CFD)的不断发展，泥沙科学在基础理论方面及实践应用中取得了不断进步。农田灌溉过程中，灌溉水所含沙粒的来源有两方面：一是渠道中的水流对水渠的冲刷使水渠表面的细砂混入水中；二是引水源本身就含有泥沙。平流式沉沙池是农业灌溉输水除去沙粒的一种方式。平流式沉沙池是利用过流断面大，流速小，水流挟沙能力低的特点实现沙粒的沉降。当水流流速慢，水中含沙粒径大时，这类沉沙池的沙粒沉降效率高，同时水流流速慢也影响到水流的流量，降低了灌溉效率[7-10]。通过前人研究分析对比，旋流沉沙池因水流旋转产生离心力的作用，其沉沙效率高于平流式沉沙池。本研究的意义在于研究渠系旋流式沉沙池处理含沙水的流场问题，旋流式沉沙池沉降沙粒除了靠沙粒的自重外还有离心运动的作用，通过模拟试验得出水流在池中的运动状态及沙颗粒的沉降规律。

由于沉沙池中固液两相流的内部流场比较复杂，应用传统的流体力学理论计算方式难已解决池中液体及固体的流动状态。Fluent软件是由美国开发的一款模拟计算流体运动的计算软件，可模拟出固液两相混合流动。为探究沙粒在旋流沉沙中的运动情况，本文应用Fluent软件对旋流式沉沙池进行了数值模拟研究。

1旋流式沉沙池原理

液体在一个圆形池中，在外力搅动下会产生旋转运动，池中央会产生一个旋涡。由于旋转运动产生离心力作用，液体中比重大的物质会聚集在池中央，这也是旋流式沉沙池沉沙效率高于平流式沉沙池的原因。依靠机械搅动的旋流沉沙池固然提高了沉沙效率但也需消耗大量动能，因此本研究在结合相关旋流沉沙池研究的基础上，提出了一种无动力装置的旋流沉沙池。无动力装置沉沙池的旋转原理是利用水流自身的动能，水流沿池壁切线方向流进，并沿切线方向流出时，水流会在池中作旋转运动。

(1)

Tc =H/ω

(2)

同时，设引水流量为Q (m3/s)， 沉沙池的处理水量为V=1/4πd2H。沉沙池体积一定，当水流量发生变化时，沙粒及水流在沉沙池中运动状态相应改变。一般情况下，农业灌溉用沉沙池占地面积为0.5~1 m2。本研究对半径为0.5 m的沉沙池进行仿真模拟分析。数值模拟仿真研究具有简易、迅速、便捷的特点，通过数值仿真试验可指导后续的模拟试验研究，对流体类的计算分析具有重要的作用。

1.1旋流式沉沙池的仿真模拟

首先用Gambit软件绘制出沉沙池模型图，模型尺寸为池底半径为0.5 m，池深0.8 m，圆柱形状。水流沿池壁上部边缘切线方向流进和流出。将建好的三维图划分网格，网格的每一个节点都是流体计算的一个方程，因此网格的精确度影响到水力计算结果。本次模拟计算网格的划分参照文献[7]，图1 是Gambit软件生成的沉沙池模型网格图，共划分21 106个计算节点，每个计算节点以欧拉运动方程进行分析计算。

图1　模型网格划分图

1.2模型的计算方式

欧拉运动方程公式：

(3)

(4)

式(3)是根据水体X方向的连续性偏微分方程，式(4)是流体质点的各个方向的加速度方程。

本次模拟计算划分好网格，选定计算方程，以固液两相流的方式进行求解计算。试验设计中的固体粒径假定为连续相介质，当水流速度为1 m/s，含沙率为10 g/L，运用Fluent软件迭代计算，当计算结果收敛时，停止迭代，显示计算结果图。

2结果与分析

2.1水流在沉沙池中的流动分析

Fluent计算过程中残差是每一个计算单元和每一个计算面的通量之和，当收敛后，理论上当单元体内没有源相时，各个面流入的通量也就是对物理量的输运之和应该为0，最大残差或者RSM残差反映流场与所要模拟流场的差距，残差越小越好。将计算模型迭代次数设置为1 000次，经450次迭代计算后，结果收敛，其残差曲线见图2。

图2　经450次迭代计算后残差曲线

通过Fluent软件分析出水流在池中的流态图，可以看出水流在沿池壁切线方向进入沉沙池可以形成一个旋涡。根据计算流场中的三维图，模拟了池中上、中、下3个层面的水流速度(图3、4、5)。图中速度以颜色表示，红色代表水流速度快，蓝色表示水流速度慢。流速分布图左边数值即为水流速度(单位m/s)。

从图3、4、5三个不同层面的流速分布图可知，水流在进入沉沙池后均在入池口处的流速较大，然后开始沿沉沙池做圆周运动。涡流的形成是由于水流沿切线方向进入水池时撞击池壁，受到池壁的阻挡作用和水流前进的水压力使流体形成旋转运动。水流在池中形成旋涡后，流速变慢，当流体是恒定常流时，水流的流速与流态相对稳定。图3中水流进池口附近流线密集，表示水流在该处有明显的流动迹线。出水口处流线稀疏，水流从入池口流出流态明显，流至出水口后水流大部分从出池口流出，因而水流流过出口流动迹线减少。通过上中下3个层面的流速分布图，可得出整个池中水体的流动呈旋流状态，上层面水流动旋流速度大于中层面水流的旋流速度，大于下层面的水流旋流速度，可以推断出水流在池中不同深度的运动状态是自上而下流速逐渐减小，池中水的深度较大时池底旋流运动减弱。这和水流在明渠均匀流的流动状态相同，上表层流速快，底层流速慢。

图3　沉沙池上层水面的流速分布(m/s)

图4　沉沙池中层水面的流速分布(m/s)

图5　沉沙池下层水面的流速分布(m/s)

2.2沙粒在沉沙池中的运动分析

本次数值模拟采用粒径规格为0.1 mm的沙颗粒，水体中含沙浓度在10 mg/L状态下的情景进行分析。图6中的曲线表示沙粒在池中的运动轨迹，该沙粒的运动轨迹同样可形成近似的旋涡状。沙粒的运动同样受两个因素的影响：一是水流在沉沙池中的旋转运动带动沙粒产生离心运动，由于沙颗粒的比重较大向旋涡中心处运动；二是沙颗粒因自身重力作用有一个下沉速度。通过沙颗粒的运动轨迹图可以发现其在水中运动速度远低于水流的速度，当沙颗粒不断运动至旋涡中央，其运动速度变小。池边缘沙粒运动速度快，但沙颗粒在边缘处的运动迹线稀疏，靠近旋涡中心处运动迹线较密，运动速度较低。

图6　沙粒在沉沙池中的运动轨迹

3结论

本文对旋流式沉沙池中水与沙颗粒进行了理论分析，通过Fluent软件模拟水流及沙颗粒在池中的运动状态。软件分析结果表明，水流可在无外界动力的状态下产生旋流运动，并且水流在池中的运动状态呈稳定的旋涡状。水流在流动过程中本身具有动能，本研究是利用水流自身动能在圆形沉沙池中因池壁阻挡反力作用在池中做旋转流动，由于旋流产生的离心运动达到水沙分离，是一种较好的除沙方式。水流在池中的旋流运动自池面上向池底逐渐减弱，水流速度的减小可使沙颗粒不被水流带走，因而利于沙颗粒的沉降。沙颗粒在池中运动轨迹可知其是向旋涡中心运动，表明水流旋涡对沙颗粒运动产生明显的影响。本试验模拟的沉沙池是根据农业灌溉中常规的沉沙池大小与含沙量进行分析，对于其它种类的沉沙池可参照本模拟结果使用Fluent软件进一步分析。

参考文献

[1]邵林广.圆形涡流式沉砂池除砂效率的探讨[J].给水排水,1998,24(12):38-40.

[2] 杨卫国.钟式旋流沉砂池和砂水分离器连接设计的改进.[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2003,11(4):69-71.

[3] 王雪原.Pista3600涡流沉砂池的特色与设计要点[J].中国给水排水,2001，17(8):36-38.

[4] 李涛. 沉砂池的设计及不同池型的选择[J]. 中国给水排水，2001，17(9)：37- 42.

[5] 汪家权，蒋文韬，王淦. 新型高效旋流沉砂池除砂效率的研究[J]. 中国给水排水，2007，23(15)：98- 101.

[6] 邵超，叶勇，汪家权，等． 新型旋流沉砂池砂粒去除效果的数值模拟[J]． 环境工程技术学报，2012，2(5) :373-379．

[7] 栾闯.基于 CFD 的水电工程砂石废水旋流沉砂池的优化设计[D].天津：天津大学环境科学与工程学院,2009.

[8] 邱峰,汪家权,王淦.新型旋流沉砂池除砂和有机物分离效果的研究[J].工业用水与废水. 2008,39(3):84-87.

[9] 王福军.计算流体动力学分析:CED 软件原理与分析[M]. 北京: 清华大学出版社，2007.

[10] 唐学林, 徐宇, 吴玉林. 高浓度固—液两相流紊流的动理学模型[J]. 力学学报, 2002,34(6): 956-962.

作者更正启示

2015年第4期第25页论文《有机高分子絮凝剂对污泥脱水性能的改善研究》作者韩晓刚对本文作者信息进行更正如下：“刘群(4 杭州市余杭区环境保护局，杭州311100)”应为“张群(4 杭州市余杭区环境保护局，杭州311100)”。特此更正。

Study on calculation and simulation of cyclonic settling basin

Yi Yulin

(Hunan Hydro&Power Design Institute, Changsha 410007, China)

Abstract:Settling basin can remove sand particles and purify the water. Swirl settling basin is a new type, in order to explore the water flow and motion of sands in this basin, we used Fluent software to simulate and calculate the water and sand flow velocity distribution. The result of numerical simulation could be a basis for analysis of swirl settling basin's flow field pattern.

Keywords:cyclone desilting basin; water purification; numerical simulation; distribution of flow field

中图分类号：X52

文献标志码：A

作者简介：易玉林，女，1982年生，工程师，研究方向：水利水电工程设计。E-mail:yiyulin8217 @163.com

收稿日期：2015-06-27；2015-12-28修回