雨水调蓄池中双曲面搅拌机数值计算和工作特性研究*

2020-04-17王月萍吴天福王秋景

工程技术研究 2020年4期

孙斌，王月萍，吴天福，陈誉，王秋景

（1.中冶华天工程技术有限公司水环境技术研究院，安徽马鞍山 243000；2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098）

雨水调蓄池作为设置在管网末端截留初期雨水、降低面源污染的有效措施，已成功应用于我国上海、广州等城市。调蓄池在使用后底部不可避免地会出现污染物沉积，必须采取措施对其清洗。通常采用的措施有人工清理、喷射器冲洗、拍门冲洗等，这些措施有的危险性大，有的能耗高，有的初期成本高，各有不足[1]，若采用搅拌冲洗则可较好地解决该问题。搅拌机作为搅拌冲洗的核心部件，其工作特性对冲洗效果有至关重要的影响。目前，一种双曲面搅拌机被广泛应用于环保、化工、能源、轻工等行业需要进行固液两相或固液气三相搅拌混合的场合，尤其适用于污水处理工艺中的混凝池、调节池、厌氧池、硝化和反硝化池[2-3]。该装置叶轮体上表面为双曲线母线绕叶轮体轴线旋转形成的双曲面结构，旋转带动流体水平旋流、上下环流，从而达到搅拌混合的作用。立轴式的双曲面搅拌机适合于调蓄池的结构型式及工况特征。

目前，双曲面搅拌机的应用设计多依赖于实测数据及工程师经验，存在设计周期长、测试耗费大、数据精度不高的问题。随着计算机技术的高速发展，采用数值模拟，即计算流体力学方法（CFD）则能较好地弥补传统研究手段的不足。彭珍珍等[4]采用多种参考系法（MRF）针对某双曲面搅拌机进行了数值模拟，获得了搅拌槽内水体的流动特征并增设了导流板对其进行优化。Pinho F T等[5-7]计算了某双曲面搅拌机流场速度分布，研究了搅拌池内湍动能规律以及搅拌下颗粒物的悬浮状态。陈斌[8]等采用两相流模型对某二次沉淀池进行了计算，得到了其污泥分布规律进而指导设备选型。

文章针对某雨水调蓄池应用双曲面搅拌机的实例，对单个搅拌机和搅拌机阵列的工作性能分别进行了全流域三维数值计算分析，得到了流场分布与流动特性，指导了搅拌机的选型设计。

1 工程条件及模型结构

某水环境综合治理项目中一调蓄池为地下水池，长44m，宽14.5m，设计容量水深5m，其中每隔5m设置一根0.5m直径的支撑柱。该调蓄池雨天时截留初期雨水，待降水停止后，将截留的初雨污水送至污水处理厂进行处理。在调蓄及外排过程中，根据现场具体条件，开启搅拌机对水体搅拌，参考《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）中对氧化沟中水体流速的规范要求，需保证池中水体流速达到0.25m/s，避免污染物沉积影响调蓄池运行[9]。初步设计拟选择QSJ-2500型双曲面搅拌机布置于池中，设备模型如图1所示，设备参数如表1所示。该型号搅拌机匹配不同的减速机共有3种功率转速，拟通过数值计算合理选择转速和功率确定布置型式，并优化设计方案。

图1 QSJ-2500型双曲面搅拌机

表1 搅拌机参数表

2 网格划分及数值计算方法

根据调蓄池几何特征，可将其分为3个区域，如图2所示，分别布置3台双曲面搅拌机，每台需保证15m×15m的服务面积。由于整个池子尺寸较大，而且3个区域流动特征较为相似，拟单独建立一长宽高为15m×15m×5m的测试水池，分别计算30r/min、35r/min、40r/min 3种转速下搅拌机的工作性能。根据计算结果选择适合的运行转速，再建立调蓄池整体的计算模型，验证搅拌机在调蓄池中的搅拌能力。

图2 调蓄池三维视图

参考设计规范，以水作为介质，测试水池充满水，作为数值计算的流体区域。网格划分采取全结构网格，如图3所示，叶轮旋转域网格精度在0.5以上，静止区域网格精度在0.8以上，动静之间采用多重参考系法（MRF）和交界面进行处理以实现数据的插值和传递。测试水池壁面采用标准壁面边界，水体表面采用对称边界处理。

图3 搅拌机叶轮网格

动量基本控制方程为时均N-S方程，湍流模型采用标准k-ε方程以封闭控制方程组，对流场进行三维定常计算，具体方程如下[10]：

3 结果分析

3.1 测试水池流态分析

在15m×15m×5m的测试水池中，对搅拌机30r/min、35r/min、40r/min 3种转速工况进行了计算，取得了测试水池的流场分布。测试水池模型如图4所示。搅拌机的旋转特性决定了池内水体的流速，而水池底部平面的流速分布以及水池垂直方向上的浅层旋涡则直接影响水池底部污泥是否出现沉积。3种转速下测试水池距池底0.1m处平面流速云图如图5～7所示，实线为0.25m/s速度等值线，所框区域即速度满足规范要求的部分。对比可以看出，在30r/min转速下水池底部平均流速达到0.304m/s，但近壁面区域速度较低，低于0.2m/s不能满足所要求的搅拌流速；35r/min转速下水池底部平面平均流速增大到了0.355m/s，0.25m/s流速以上覆盖区域约占总平面的89%，池底四角因存在壁面碰撞而产生流动死角；在40r/min转速下，底部平面平均流速可达0.407m/s，高于0.25m/s流速区域覆盖率为91.5%，比35r/min转速工况提高2.5个百分点。

图4 测试水池模型

对比图6和图7可以看出，转速由35r/min提高至40r/min，0.3m/s流速覆盖区域面积基本没有变化，底部中心区域的流速明显增大，说明转速的提高增大了池底的速度梯度，但低流速区的形成是由水池壁面导致，并非是由于搅拌机功率不足。随着转速的提高，转矩增大，轴功率也随之增大。搅拌机轴功率表如表2所示。综上所述，选择转速为35r/min可以满足15m×15m的服务面积，并具备较好的运行经济性。

3.2 调蓄池计算分析

图5 30r/min下水池底部（0.1m）速度云图

图6 35r/min下水池底部（0.1m）速度云图

图7 40r/min下水池底部（0.1m）速度云图A

表2 搅拌机轴功率表

根据上述计算结果，选取3台双曲面搅拌机分别布置于调蓄池3个区域中心（即图1中①②③），安装高度为距池底0.6m，以35r/min的转速运行，对整个区域进行三维定常计算，得到调蓄池内水体的流动特征。速度云图如图8所示，池底平面平均流速达到了0.331m/s，比测试水池略低，这是因为池中支撑柱对水体有一定阻流作用，而且三区域间流体搅拌相互碰撞会造成一定的水力损失。从图中可以看出，池底速度均匀，大部分区域流速达到规范要求的0.25m/s，可以满足工程需要。

调蓄池内部三维流线图如图9所示。从图中可以看出，搅拌机叶轮附近速度最大，其次则为调蓄池底部。流线从搅拌机叶轮边缘呈辐射状向四周发散，撞击水池边壁后，改变速度方向，沿壁面向上运动，最后从水面向下回到搅拌机叶轮处，形成一个水平旋流、上下环流的流动循环。搅拌机通过旋转将旋转机械能转换为流体的湍动能，水池底部沉积物由于流体黏性作用而随水体运动，因而可以克服自身重力，从而达到搅拌、混合、冲洗的目的。同时也可以看出，本次选型选择的双曲面搅拌机的搅拌流场具有很好的流动对称性，为将来在调蓄池中加装导流装置提供了较好的流动基础。

4 结论与展望

本研究对安装在调蓄池中的双曲面搅拌机进行三维数值模拟，得到流场特性和相关数值报告。对单个搅拌机的数值计算确定了合适的工作转速为35r/min。通过对全局流场的数值计算得到，采用3台叶轮直径2.5m的双曲面搅拌机，均匀布置于调蓄池中，以35r/min转速运行，具有较好的混合冲洗效果，满足工程实例的要求。说明双曲面搅拌机的结构型式和近池底的安装型式，能够形成均匀的推流搅拌流场，适合于雨水调蓄池的冲洗工况。

本实例中对于池底四角以及两区域间流体碰撞造成的局部水力损失，可通过设置圆角导流、加装导流装置的方式尝试解决，可在后续的研究中继续探讨。