辐流式沉淀池过水孔洞形状对沉淀效果的影响研究

刘宏伟

合肥工业大学设计院（集团）有限公司 安徽 合肥 230009

前言

辐流式沉淀池是水处理系统中重要的处理构筑物，广泛应用于大中型水厂，其工作性能直接决定着出水水质的好坏。近年来，越来越多的学者通过计算流体力学数值模拟的方法研究辐流式沉淀池内部的流场水力特性，进而通过对辐流式沉淀池内部构造的合理设计来优化沉淀池的水力条件[1-2]。这些研究主要涉及了辐流式沉淀池进水挡板位置、进水挡板淹没水深、浮渣挡板、集水槽布置形式和位置等对辐流式沉淀池沉淀效果的影响，而对过水孔洞的研究则没有涉及，在实际工程运行中发现辐流式沉淀池沉淀效果与其配水井过水孔洞的形状关系较大，我国现行设计规范和设计手册中均未对辐流式沉淀池过水孔洞形状提出明确的规定，因此本研究以辐流式沉淀池为研究对象，通过改变过水孔洞形状，利用数值模拟的方法对其内部流场流态进行分析研究，以优化沉淀池的水力条件。

1 模型的建立

以安徽省芜湖市某水厂中辐流式沉淀池为原型，进水采用中心管淹没式潜孔进水，单池处理能力为1225m³/h，沉淀时间为1.5h，池体直径为28m，有效水深为3m。根据相关规范及要求，结合工程实际中的相关参数设置，本研究中配水井过水孔洞的形状分别设计为正三角形、长方形、正方形、正六边形、圆形。辐流式沉淀池的池体属于对称结构，为节省计算机处理量，将其简化为一半进行模拟计算，由于本研究只考虑辐流式沉淀池内部的水流运动，因此未考虑污泥斗部分，模型中未建立。

图1 辐流式沉淀池的数值模拟模型

模型结构如图1所示：

2 边界条件及模拟分析方法

2.1 边界条件

根据辐流式沉淀池设计参数，进水中心管流速大于0.4m/s，模拟时，辐流式沉淀池水流进口条件为速度进口，速度大小为0.433m/s；出口边界条件为自由出口；水面为自由界面，没有剪切和滑移速度，池底和边壁为固体壁面，壁面上流速为0，使用标准壁面函数。

2.2 模拟方法

辐流式沉淀池内部流场主要为紊流形态，选用标准k-ε双方程模型进行模拟。该模型基于湍动能k方程引入一个湍动耗散率，是由k方程、ε方程和Kolmogorov-Prandtl表达式共同构成的一种完整的湍流模型，在工程实际应用中较为成熟，可以充分反映辐流式沉淀池内部的紊流特性。

2.3 数值求解方法

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。假定初始时刻沉淀池内悬浮物浓度为零，采用出水断面的悬浮物体积分数作为判断沉淀池沉淀效果依据。

3 模拟结果与分析

3.1 过水孔洞形状对沉淀池内速度流场的影响

①当过水孔洞的形状不同时，沉淀池内污水流速并没有较大差别。②当过水孔洞形状为正方形、正六边形、圆形时，流体在沉淀池内的停留时间较长，悬浮颗粒沉淀时间较长，池体容积利用率相对较高；过水孔洞形状为正三角形、长方形时，流体在池体内停留时间较短，池体内部回流区较大，池体容积利用率较低。

3.2 过水孔洞形状对出水效果的影响

表1 不同过水孔洞形状悬浮物去除率结果

①当过水孔洞形状分别为正三角形、长方形、正方形、正六边形、圆形时，沉淀池内悬浮物去除率会逐渐增大；②从表1中可以得出，孔洞形状由正三角形到圆形，孔洞的水力半径是逐渐增大的，造成池体内液体湍流强度的减小，从而越有利于悬浮物的沉淀，使得沉淀池的沉淀效果越好，这与3.1章节分析结果相吻合。

4 结束语

通过对过水孔洞的五种形状不同辐流式沉淀池的数值模拟，分析其流场以及悬浮物的去除率可知：当过水孔洞形状为正方形、正六边形、圆形时，池体容积利用率较大，悬浮物去除率较高；过水孔洞形状为正三角形、长方形时，池体容积利用率较小，悬浮物去除率较低。该研究从计算流体力学数值模拟的角度分析了不同过水孔洞形状的辐流式沉淀池内部流态，为研究辐流式沉池内部的流场流态特性提供了一种可行、有效的方法，所得到的结论对于辐流式沉淀的构造优化设计具有一定的实际指导意义和工程实用价值。