水厂清水池的水力特性模拟与结构优化

2021-01-20方若凡朱静萍张天阳

净水技术 2021年1期

方若凡，朱静萍，张天阳，徐斌

(同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

清水池是水厂用来贮存净化后的清水，调节水厂均匀供水和用户不均匀用水的重要设施，不仅发挥贮水功能，更为满足消毒接触时间提供稳定条件。现阶段，我国对清水池的设计主要考虑在满足30 min消毒接触时间的前提下保证居民用水量[1]，但没有考虑清水池中水体流动的水力特性和消毒剂的扩散消耗。在研究中，清水池通常被当作“黑盒”处理，池内流场的水力效率被忽略。清水池中进出水口与挡板的存在和布置使池内水体流态更加复杂，也导致消毒剂在清水池中的混合扩散过程受到紊流回流的影响严重。Shiono等[2]研究发现，清水池导流板背面和清水池壁区域有明显的回流现象，这些“流动死区”会严重影响清水池的消毒效率，且易出现局部氯耗量过快和消毒副产物浓度过高的风险。另一方面，循环流在客观上增加了清水池中部分水流的迟滞时间，促进了粒子交换和均衡水质的作用。Bishop等[3]研究发现，清水池的水力效率评价指标T10/T与池中导流板设置、进出口条件、廊道拐角等结构因素有很大的关系。马强[4]指出，改进清水池结构，以提高其水力效率，可有效提升消毒效率。目前，常采用传统示踪试验，研究清水池的水力效率：在清水池入口处投加示踪剂，在水流出口处观察示踪剂出流浓度随时间的变化规律，以此得到示踪剂的停留时间分布，用以评价水力效率。但是，采用示踪试验的方法得到清水池不同结构工况下的水力效率费时费力，且常受限于现场条件。近年来，随着计算机技术的发展，数值模拟技术逐渐成熟，计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)被证明是研究流体流动问题的经济有效的技术[5]。利用CFD技术对水流流态进行模拟能更加容易、直观和准确地分析流场的水流速度分布情况和流态特征。

本研究将CFD三维建模引入清水池的水力效率和消毒过程的研究中。通过1种典型清水池和6种变式清水池的CFD模拟，从改进清水池结构设计、优化水流流态出发，模拟流态水力条件、消毒剂扩散路径和停留时间，为提高清水池的水力效率，优化清水池的设计和改造提供理论依据。

1 数值模拟计算

1.1 模型建立

以上海市某水厂的矩形清水池为案例，清水池结构如图1(a)所示。该清水池进水量为10万m3/d，分为独立的2格，单格清水池的有效容积为76 m×35.1 m×4 m=10 670 m3。增压泵房单泵流量为1 750 m3/h，3用1备，单格清水池进水量按增压泵房同时开启2台泵考虑，则单格进水量为3 500 m3/h。清水池进水管取DN1000，则流速v进=3 500/[3 600×3.14×(0.5)2] ≈ 1.2 m/s。清水池单格进水量为50 000 m3/d，长为76 m、宽为35.1 m、池深为4 m。池内设8块导流板，将池体分为9个廊道，第1个进水廊道宽为12 m，余下廊道宽为 8 m，进出水管管径为1 000 mm，进口流速为1.2 m/s。Issakhanian等[6]指出，在清水池中，水头损失导致的水面的整体下降深度几乎可以忽略不计，因此，本研究将清水池的水面视为平面，忽略由水头损失引起的纵向上的水深变化。据此，采用Inventor软件对该清水池案例进行几何建模，简化模型如图1(b)所示。

图1 清水池平面和剖面图 (a)及简化几何模型图(b)Fig.1 Plan and Profile (a) and Simplified Geometric Model (b) of Clear Water Reservoir

1.2 网格划分

网格划分基于Ansys ICEM软件，采用六面体非结构化网格形式[7]。对清水池中流态变化复杂的区域，包括进出口管道处、廊道拐弯处、池壁面及导流板壁面处进行网格加密，以更精确表述清水池内的流体流动。该几何模型生成网格总数约135万个，节点数约45万个。网格质量采用行列式(determinant)评判标准，本模型中行列式均值为0.69，表明网格划分质量良好，网格质量符合要求，生成的整体网格及局部加密网格如图2所示。

图2 清水池整体(a)和局部加密(b)网格示意图Fig.2 Overall Grid Diagram (a) and Partial Refinement Grid Diagram (b) of Clear Water Reservoir

1.3 控制方程

流场计算基于Ansys Fluent软件，采用黏性流体的Navier-Stokes(N-S)方程中基于湍流动能k及湍流耗散率ε的标准子模型，控制方程如式(1)～式(2)。式(2)右端3项分别为生成项、耗散项和壁面项。

(1)

(2)

其中：μt——涡黏性；

Sij——平均速度应变率张量；

ρ——流体密度，kg/m3；

k——湍动能；

δij——克罗内克算子；

μS——平行于壁面的流动速度,m/s；

f2——近壁衰减函数；

σk、σε、cε1、cε2——常数，分别取1.0、1.3、1.45、1.92；

φk、φε——壁面项。

颗粒相采用离散相模型(DPM)中的欧拉-拉格朗日分散相模型，颗粒在流场中的受力方程如式(3)。式(3)右端3项分别为单位质量颗粒所受拉力、单位质量颗粒所受重力、颗粒所受其他力。

(3)

其中：u——连续相(水相)的流速，m/s；

up——离散相(颗粒相)的流速，m/s；

ρ——连续相(水相)的密度,kg/m3；

ρp——离散相(颗粒相)的颗粒密度,kg/m3。

1.4 求解器参数

采用Fluent软件作为求解器，求解参数设置如下。

对水相/连续相的模拟，采用雷诺时均标准模型(Reynolds average navier-stokes)。边界条件为无滑移墙体，速度进口和压力出口，进口流速为1.2 m/s，出口压力为101 325 Pa，Simple耦合方式。

将消毒剂视作惰性颗粒，在流动过程中无损耗。采用离散相模型对消毒剂在清水池中的扩散/运输轨迹进行模拟。颗粒为Surface类型的惰性颗粒。边界条件为无滑壁面和质量-流量进/出口，投加粒子各向无初速度，进出口边界条件设为逃逸，单项耦合方式。

2 结果与讨论

2.1 清水池典型简化模型三维CFD模拟

2.1.1 水流运动轨迹

典型简化清水池中流场速度的等值线图和流线图如图3所示。在水池进水第1个廊道中，由于流速惯性的存在，流速较高，其有效过水断面减小，廊道右侧水体回流，在第1个廊道中形成环流漩涡，这样第1个廊道的流态便具有全混反应器的流态特征。相较于全混反应器，平推流反应器是使消毒效果最大化的理想水动力条件，因此，第1个廊道的宽度过大会直接导致消毒效率低下。这与Angeloudis等[8]对示踪剂停留时间分布曲线分析和水力效率指标相关关系的研究结果(在池体进口附近，消毒性能较差)一致。在逐渐远离入口的廊道中，水流流动趋于平缓并表现出一定的规律，流体流速较均匀，呈现平推流流动，且导流板迎水面流速高于背水面。背水面拐角处水体流速较低，易形成滞留区。

图3 典型简化清水池的速度等值线图 (a)和流线图 (b)Fig.3 Contours of Velocity (a) and Streamlines (b) of Typical Simplified Clear Water Reservoir

由图3(b) 流场流线图可知，流场进口第1个廊道中水流方向复杂，扰动很大，存在纵向混合。廊道右侧水流存在逆向的流动，湍动明显，形成大面积漩涡，造成大量水体的循环往复流动。并且，由于水流惯性的存在，第1个廊道拐弯处有水流冲击清水池壁面，本应流入第2个廊道的水体受清水池池壁的反作用力后，有部分水流向第1个廊道回流。由于投加的消毒剂随水流流动，推测若在进水口投加消毒剂，易造成部分消毒剂与滞留水体在第1个廊道中长时间接触反应，氯耗量增大，降低后段消毒效率；但将消毒剂投加点后移，则需考虑消毒接触时间满足设计要求。Angeloudis等[8]的研究对清水池进水廊道进行改造，通过抬高进水口处池底，形成池底坡度，随水流方向生成渐变的过水断面，有效改善流动特性。由图3(b)下方的纵向流线图可知，清水池前端廊道流线在纵向方向扰动明显，在清水池后部廊道水流恢复为二维流动，纵向深度上，水流混合度大大减弱，直到容器出口。在清水池后半段廊道拐角处对应的水深底部，相较于水深中部，出现明显的流线混合扰动现象，易导致池底沉积物泛起，影响出水水质。由图3可知，在廊道拐弯处，导流板背水面有循环流存在，易形成滞水区。

2.1.2 消毒剂粒子运动轨迹

为探明消毒剂在水中的流动规律，明晰流场的水力运输效率和消毒剂的使用效率，利用离散相(DPM)模型，将消毒剂粒子视为独立分散的颗粒进行模拟，选取6种具有代表性的粒子，计算模拟得出颗粒在已知流场内的完整运动轨迹，如图4所示。轨迹线的颜色表示粒子在池中停留时间的长短，由蓝到红，停留时间逐渐增大。结果表明，粒子在水平和纵向深度上均明显流动，如图4(b)、4(d)和4(f)所示。图4(a)、4(c)和4(e)显示，回流的存在会影响粒子在清水池内的流动，粒子进入回流区后，需经过相对较长的时间才能离开。第1廊道存在大涡流，使部分进水在此廊道中循环往复流动，导致消毒剂在第1廊道内停留时间过长。图4(a)中粒子在清水池中的运动轨迹显示，该粒子在第1和第2廊道内循环，无法挣脱回流进入后续流动，在清水池出水口未观测到该粒子逃逸路径，严重影响后段消毒效率。

图4 6种代表性粒子在清水池中的粒子运动轨迹Fig.4 Motion Trajectory of Six Representative Particles in Clear Water Reservoir

图5 清水池在不同导流板数量(导流板数 a：8个；b：6个；c：18个)和长度条件(单个导流板长度 a：27 m；b：31 m)下的速度等值线图(左侧)和流线图(右侧)Fig.5 Velocity Contour (Left) and Streamlines (Right) with Different Guide Plate Numbers (a: 8; b: 6; c: 18) and Lengths (a: 27 m; b: 31 m) in Clear Water Reservoir

2.2 导流板数量和长度对流态的影响

清水池的导流板数量(廊道数)和导流板长度是影响其水力特性的重要因素之一[9-10]。图5(a)、5(b)和5(c)分别对比9个、7个、19个廊道数的清水池的速度等值线图和流线图。导流板数量减少时，由于过水断面增大，流速放缓，清水池流场内部存在面积较大的滞留区。这些滞留区的存在直接影响清水池的水力效率[11]，如图5(b)所示。增加导流板数量，过水断面减小，流速相应提高。图5(c)结果显示，增加廊道数使清水池直道部分的流动均匀性变好，第1个廊道中的大涡流消失，水力效率提升，流线纵向扰动减少，清水池的流动逐渐接近推流模型，水力条件向理想状态靠拢。图5(c)和5(d)通过对比相同导流板数、不同导流板长度的2种清水池工况，探究导流板长度对清水池水力特性的影响。图5(c)为导流板长度较短的计算模拟结果，直道宽度为4 m，弯道宽度为8 m。图5(d)为导流板长度较长的计算模拟结果，直道宽度为4 m，弯道宽度也为4 m。结果显示，增加导流板长度，可使弯道部分(导流板终点至池壁区域)滞留区面积大大缩小，此外，直道均匀流动部分的面积也有所增加。但对靠近弯道部分的导流板背水面(非弯道区域)滞留区来说，增加导流板长度作用不大。增加导流板长度使流线长度的差异性减小，相较于短的导流板，有效避免了短流发生。总体上，增加导流板长度使整个清水池的水流均匀性显著提高。

图6 清水池在不同导流板布置(a：典型简化；b：导流板垂直布置)和进出水管位置(a：在清水池对角线；c：在进出水廊道的中心线上)条件下的速度等值线图(左侧)和流线图(右侧)Fig.6 Velocity Contour (Left) and Streamlines (Right) with Different Guide Plate Arrangements (a: Typical Simplify; b: Vertical Arrangement of Guide Plates) and Inlet and Outlet Positions (a: on the Diagonal of the Clear Water Reservoir; c: on the Center Line of the Corridor) in Clear Water Reservoir

2.3 导流板布置方式和进出水管位置对流态的影响

在实际工程建设中，导流板一般沿着清水池长度或宽度方向平行布置，形成蛇形廊道。本研究在保证相同廊道宽度的前提下，将部分导流板垂直布置，划分出更多小廊道，建立另外一种清水池几何模型。图6(a)和6(b)显示了清水池在不同导流板布置条件下的速度等值线图和流线图的模拟计算结果。通过对比2种不同导流板布置的清水池的流态特征，发现导流板平行布置的流态分布更均匀，形成较少的涡流区域。由图6(b)可知，相较于平行布置方式，垂直布置方式使弯道数增加，直流区域面积减小。垂直布置方式中，单个过流廊道的长宽比减小，从“长窄型”向“短宽型”变化，廊道长宽比的变化和拐角的增多导致水流在拐角混合处偏离推流流态，单个廊道中循环流的形成，需很长时间才能进入下一个廊道流动，且大体积循环流的存在使得廊道中的有效过水断面减小。杜志鹏等[12]在对清水池有效水力停留时间的影响因素的研究中，也得出转弯数越少，水力效率越高的结论。因此，在对清水池的导流板布置进行设计时，一方面需考虑增加廊道数对水力条件的正面影响；另一方面也要考虑弯道数对流态的不利影响。

为探究清水池的进出水管位置在水平方向上对清水池的水流特性影响，将进、出水管的位置分别设在清水池对角线或进、出水廊道宽度方向的中心线上，速度等值线图和流线图的计算模拟结果如图6(a)和6(c)所示。由图6(c)可知，将进水管道设置在廊道中心线上，池内水流(尤其是清水池后段)的均匀性显著提高，速度分布更加均匀，导流板背水面的低速滞留区面积减小。结合图6(c)流线图，第1个廊道由于宽度较大，循环流仍存在，大体积涡流分解成2个小循环流，第2个廊道向第1个廊道回流的情况基本消失。清水池后段，廊道内流线向各自廊道中心偏移。导流板背水面的循环流面积减少，有效过水断面增加，单一廊道内部流速放缓，分布更加均匀，水力效率提升。因此，清水池进出口水管位置布置的修正意义重大。仅对进出口位置稍作调整，可以在不增加任何经济投入的条件下，改善流态特性，提高水力效率，从而优化消毒条件。本文中的案例清水池，其进出水管位置原设在清水池的对角线上，偏离廊道中心，看似给了进水流体一个最大的流程，却没有考虑水流的流态带来的影响。本研究的CFD模拟显示，如果将其进水管位置设在廊道中心，能更大程度地提高清水池的水力效率。

2.4 实际清水池构筑中的结构柱对流态的影响

在实际工程中，由于清水池体积大、土地覆盖面积大，常需设置大量的支撑柱来维持清水池物理结构的稳定性。但这些结构柱在对清水池进行建模求解前，常被简化忽略以降低模型复杂性，减小计算工作量。本研究将案例清水池的结构柱考虑进来，探讨结构柱的存在对水流状态的影响。结构柱如图1(a)清水池设计图布置，柱子简化为正方形截面立棱柱，边长为0.3 m，间隔4 m排列，共88 根(不考虑廊道隔板重合的结构柱)。典型简化清水池[图7(a)]和结构柱存在情况[图7(b)]的清水池速度等值线图和流线图的模拟结果表明，结构柱的存在会显著影响清水池的水力特性。当结构柱存在时，沿着廊道流动的水体在遇到结构柱后水流方向改变，在水平和纵向方向均产生了流线扰动的现象，严重偏离典型简化模型。另一方面，结构柱的存在可明显减少导流板靠近弯道背水面的涡流区域。因此，在对清水池相关的实际问题建模求解时，应将结构柱考虑进几何模型，从而减小模拟结果与实际流态的偏差。

图7 清水池在有(b)无(a)结构柱存在条件下的速度等值线图(左侧)和流线图(右侧)Fig.7 Velocity Contour (Left) and Streamlines (Right) with (b) or without (a) Structural Columns in Clear Water Reservoir

2.5 清水池不同内部构造对停留时间的影响

停留时间分布通常用来反映非理想反应器偏离理想反应器的程度[13-14]。研究表明，消毒剂粒子的停留时间受实际水力条件的影响，往往偏离理论停留时间[15]。本研究主要探讨典型简化清水池(2.1节)、导流板垂直布置方式(2.3节)和结构柱存在条件下(2.4节)的3种清水池工况，消毒剂粒子的停留时间分布，进口流速分别设置为1.2 m/s和2.0 m/s，模拟结果如图8所示。本案例单格清水池单格容积为10 670 m3，当进水流速为1.2 m/s时，理论水力停留时间T1.2=V/Q1.2≈ 3.14 h，水力效率值T10/T=1.23/3.14=0.39；当进口流速为2.0 m/s时，理论水力停留时间T2.0=V/Q2.0≈ 1.89 h，T10/T=0.76/1.89=0.40。图8结果显示，3种工况中，典型简化清水池的实际停留时间最接近理论值。导流板垂直布置导致较多循环流的存在，使粒子在池内的停留时间变长，当进水流速为1.2 m/s时，导流板垂直布置T10/T=1.51/3.14=0.48，水力效率值提升23%；当进水流速为2.0 m/s时，导流板垂直布置T10/T=0.85/1.89=0.45，水力效率值提升13%。推测这是由于导流板垂直布置时与典型简化模型相比廊道数增加，由2.2节讨论可知，廊道数的增加可有效减少短流现象，从而提升水力效率。图8显示，结构柱的存在导致清水池停留时间分布曲线后移，这是由于结构柱的存在影响粒子流动，池内流线复杂，但可有效减缓导流板靠近拐角背水面的循环流现象。由图8(a)结构柱存在情况下的累积曲线可知，当累计频率为1.0，即粒子全部流出清水池的时间大于10 h时，小部分粒子无法流出水池。当结构柱存在的情况下，进水流速为1.2 m/s时，T10/T=1.62/3.14=0.51，水力效率值与简化模型相比提高31%；进水流速为2.0 m/s时，T10/T=1.04/1.89=0.55，水力效率值提高38%。因此，在工程设计实践中，应考虑廊道数对水力效率的影响；在对清水池进行CFD建模求解时，不应将结构柱这一重要因素简化忽略。

图8 典型简化模型、导流板垂直布置和结构柱存在情况下的粒子停留时间分布(a:入口流速为1.2 m/s; b:入口流速为2.0 m/s)Fig.8 Particle Residence Time Distribution under Typical Simplified Model, Vertical Arrangement of Guide Plate and the Presence of Structural Columns (a: Inlet Velocity 1.2 m/s; b: Inlet Velocity 2.0 m/s)