栅条絮凝池栅条间距对絮凝水力条件的影响研究

邹秋兰

(安徽省黄山市水电勘测设计院，安徽 黄山 245000)



栅条絮凝池栅条间距对絮凝水力条件的影响研究

邹秋兰

(安徽省黄山市水电勘测设计院，安徽 黄山 245000)

以工程实体中的栅条絮凝池为研究对象，结合现有的絮凝动力学理论，建立数学模型，利用计算流体力学数值模拟软件对栅条絮凝池中的流场进行数值模拟计算。模拟以栅条间距为絮凝水力条件的影响因素，选择湍动能k、湍动能耗散率ε、涡旋速度梯度G0为评价指标，分析研究栅条絮凝池的最佳水力条件。

絮凝；数值模拟；湍动能；耗散率；速度梯度

在给水处理工艺中，絮凝工艺效果的好坏直接影响着后续工艺的效果，最终影响出水的水质和水处理成本的高低，絮凝设备的动力学条件则是由絮凝池的结构形式及其内部构造所决定的[1]，因此从絮凝动力学角度分析絮凝池内部流场来优化设计絮凝池是十分迫切和必要的。

在栅条絮凝池的设计过程中，栅条间距是影响其内部结构的重要条件之一。本文主要通过数值模拟的方法研究栅条间距对栅条絮凝池内部水力条件的影响，分析栅条絮凝池内部的流场流态特性，进而优化设计栅条絮凝池的设计参数，为絮凝过程提供最佳的水力条件。

1 模型的建立

研究中的数值模拟模型采用实体模型，单池水处理能力为10 000 m3/d。本次采用建立两竖井的栅条絮凝池模型进行数值模拟，根据相关规范，模型中采用的栅条间距分别为50 mm、80 mm、100 mm，通过对三种不同的栅条间距的絮凝池池体内部的水流特性进行数值模拟，分析不同的栅条间距对栅条絮凝池絮凝水力条件的影响。模型参数如表1所列[2]。

表1 不同栅条间距絮凝池的模型参数

续表1

本文所采用的模型结构如图1所示。

图1 栅条絮凝池的数值模拟模型

2 边界条件及模拟分析方法

2.1 边界条件

栅条絮凝池水流进口条件为速度进口，速度大小为0.21 m/s；出口边界条件为自由出口；对于近壁区流动采用标准壁面函数来模拟，壁面采用无滑移的边界条件[3]。

2.2 模拟分析方法

絮凝池内部的流场主要处于紊流形态，经过系统的比较和参照絮凝池数值模拟模型，最终确定选用标准k-ε双方程紊流模型。

模拟中运用有限体积法进行离散方程；速度场和压力场采用PISO算法进行计算[4-5]。

3 数值模拟的结果分析

结合本文中栅条絮凝池数值模拟的特性和絮凝评价指标的性质，本文选择涡旋速度梯度G0值和湍动能k值两个指标作为栅条絮凝池数值模拟絮凝效果的控制指标[6]。

3.1 基于G0对不同栅条间距絮凝池的分析

涡旋速度梯度G0可以作为絮凝效果的评价指标之一。为便于观察絮凝池内的流态特性，拟截取Y-Z面(X=0.45 m)作为研究对象。栅条间距分别为50 mm、80 mm、100 mm的絮凝池内部的速度及涡旋速度梯度G0分布如图2、3、4所示。

图2 栅条间距分别为50 mm、80 mm、100 mm的速度矢量图

图3 栅条间距分别为50 mm、80 mm、100 mm的速度云图

图4 栅条间距分别为50 mm、80 mm、100 mm的涡旋速度梯度云图

根据图2～图4三种不同栅条间距的速度矢量图、云图及涡旋速度梯度云图可以看出：栅条间距为50 mm时，絮凝池体内部的水流经过第一层栅板时配水较为均匀，栅条均能起到较好的扰流作用，死水区较少。在絮凝过程中水流的配水越均匀死水区域越少则表明水流受栅条的扰动作用越大，越有利于初期絮凝颗粒的成长[7]。

由于絮凝池的进口区域、出口区域和泥斗区的速度梯度受栅条间距的影响较小，因此只考虑每层栅条板有效作用区域(每层栅条板下350 mm区域)内涡旋速度梯度G0的平均值。不同栅条间距的絮凝池内平均涡旋速度梯度分布如图5所示。

图5 不同栅条间距的平均涡旋速度梯度分布

由图5可知栅条间距越小其有效作用范围内的涡旋速度梯度越大，配水越均匀，扰流作用越强，絮凝体颗粒的碰撞几率就越大。在絮凝过程中形成的絮凝体会受到水流剪切的作用，而且随着速度梯度增大而增大，而在较大的剪切力作用下只能形成粒径较小的絮凝体片段，不利于絮体颗粒的成长，因而不能将栅条间距设计值取到很小，而使栅条絮凝池内部的涡旋速度梯度达到较大值[8]。

当栅条间距为50 mm时，栅条附近局部的涡旋速度梯度值已达到180 s-1，在絮凝过程中能够形成较大的剪切力，而有效作用范围内的平均涡旋速度梯度为74.36 s-1，较为适合栅条絮凝池前段栅条的设置，既能够保证前段絮凝较大的速度梯度和絮凝颗粒之间的有效碰撞，又能够保证所形成絮体的密实性；栅条间距为80 mm、100 mm时局部的涡旋速度梯度值达到140 s-1，有效作用范围内的平均涡旋速度梯度分别为58.56 s-1、45.89 s-1，比较适合栅条絮凝池中段的设置，既能使一定数量的絮凝体颗粒之间形成有效碰撞，又能保证已经形成的絮凝聚集体不会被较强水流剪切而破碎。

3.2 基于湍动能k对不同栅条间距絮凝池的分析

不同的栅条间距其池体内的湍动能k值分布云图如图6所示。

图6 栅条间距为50 mm、80 mm、100 mm的湍动能分布云图

由图6可看出水流经过间距分别为50 mm、80 mm、100 mm的栅条后絮凝池池内的湍动能k值急剧增大，之后随着水流远离栅板湍动能k值逐渐减小。从图中可以明显看出不同间距的栅条能够使湍动能k值增大的有效作用面积也不同。水流经过间距为50 mm的栅条板时，栅条板的有效作用面积达到90%以上；水流经过80 mm的栅条板时，栅条板的有效作用面积为75%左右；水流经过100 mm的栅条板时，栅条板的有效作用面积仅为65%左右[9]。不同栅条间距絮凝池体内的平均湍动能分布如图7所示。

图7 不同栅条间距的平均湍动能分布

经上述分析和图7可知：栅条间距越小，栅条对水流湍动能的有效作用面积越大，池体内部的平均湍动能也越大，湍动强度也越大，越有利于整个絮凝池体内部的絮凝颗粒碰撞[10]。

4 结束语

通过对栅条间距分别为50 mm、80 mm、100 mm的三种栅条絮凝池的数值模拟，以涡旋速度梯度G0、湍动能k为絮凝效果的评价指标，经过分析可知，栅条间距为50 mm时，其絮凝池内流体的涡旋速度梯度G0、湍动能k分布均匀，而且具有较大的有效扰流的作用面积，从而增加了絮凝颗粒的相互碰撞几率，因此50 mm的栅条间距能够为絮凝的初期阶段提供较好的水力条件。而栅条间距为80 mm、100 mm时，其絮凝池内流体的涡旋速度梯度G0、湍动能k分布相对均匀，能够起到扰流的有效作用面积相对较大，与50 mm栅条间距相比较，其湍流强度小，水流的剪切力小，为已形成相对密实、能够承受一定的水流剪切的絮凝体颗粒再次进行碰撞、聚集提供了较好的水力条件，因此80 mm、100 mm的栅条间距所提供的水力条件较为适合絮凝的中期阶段。该结论不仅从计算流体力学数值模拟的角度进一步验证了设计标准中的规定，也证明了所建立的计算模型的合理性。

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2016-04-29；修改日期：2016-05-06

邹秋兰(1971-)，女，江西临川人，安徽省黄山市水电勘测设计院助理工程师．

TU991.22

A

1673-5781(2016)03-0333-03