基于Fluent软件的往复折流式调质池的特性数值模拟优化设计

2022-10-14张新喜冯承民胡旭亮

净水技术 2022年10期

张新喜，冯承民，胡旭亮,王凯，邱高，王晨

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243002；2.生物膜法水质净化及利用技术教育部工程研究中心，安徽马鞍山 243032;3.井冈山大学建筑工程学院，江西吉安 343009)

以工业废水为主的处理厂进水水质变化幅度大[1-3]，不仅影响后续生化水处理系统的正常运行，造成污水厂出水水质不能稳定达标[4-6]，还增加了构筑物的基建成本[7-8]。为缓解水质大幅度波动对污水处理工艺的影响，有必要对进水水质进行调节，以满足高标准的出水水质要求[9]。往复折流式调质池作为一种典型的差程式调质池[10]，对稳定水质、保障后续生物处理系统的正常运行有重要作用[11-13]。

美国学者Nemerow[14]提出了上下折流式调质池的构想，即在空池内插入上下相间的隔板，池侧均布配水，但未通过试验验证其调质功能。贾宁等[15]发明了一种内部设有导流板的圆柱形调节池，上下交错的导流板将调节池划分成两个调节区，可有效缓解污水负荷，均衡水质，但该设计基本不具备调节作用，只有波动延迟滞后作用。胡旭亮[16]建立了包含结构参数的往复折流池、穿孔异侧折流池和穿孔同侧折流池的数学模型，并导出了随进水冲击负荷变化的结构化方程，但其研究中的水质冲击负荷变化为单次冲击，仅有一个波峰，不能适用于现实连续变化水质波动情况。唐胜卫等[17]将往复折流式调质池应用于马钢焦化废水处理系统中，将原来的单段进水改为多段进水，进水CODCr质量浓度波动幅度为500 mg/L左右时，出水CODCr质量浓度波动幅度降为200 mg/L左右，波峰个数由6个降为1个，进一步发挥了调质池的调质功能，但由于连续流进水下调质池性能研究的不完善，调质性能的评价仍停留在定性描述阶段，阻碍了其结构优化设计及实际工程应用。

在工业废水处理中，进水的水质水量均根据用户特性随时间呈现不同幅度、不同类型的波动变化[18]。静贺等[19]将污水处理厂进水的水质水量看成信号流，利用信号处理研究水质水量随时间变化的规律，发现污水厂进水的水量波动存在周期性变化，绘制的波动图形类似正弦曲线和矩形波曲线，并且水量的波动变化和水质指标之间存在着明显的关联性。张新喜等[20]对某焦化废水厂调节池的进水特征进行连续169 d的检测，发现进水水质波动的渐变和突变的过程可以用正弦函数和阶跃函数描述，同时发现调质池的进水波动大，其出水随进水变化而变化，呈现较大的波动性。因此，有必要在现有研究基础上研究连续流进水水质波动条件下往复折流式调质池的调质机理，完善往复折流式调质池理论研究。

计算流体力学(CFD)作为一种可靠的流体模拟软件，因其较好的网格能力、精确性、可靠性、并行能力和后处理被广泛应用于水处理领域的科学研究[21-22]。时贤[23]通过建立辅流式二沉池的两相流模型，模拟不同结构参数工况点下二沉池的沉淀效果并用Wells试验(在一个实际运行的辐流式沉淀池进行)进行验证，确定了二沉池最佳运行流速，并发现在池中设置水平扰流板可以有效减少回流区面积。Craig等[24]运用CFD软件研究厌氧消化池污泥消化混合性能。Alvarado等[25]模拟了不同数目通风口条件下的稳定塘的速度云图，确定最佳通风口数，保证稳定塘的氧气充分利用。王一丁等[26]对两种不同配水方式的污水生物处理池进行模拟，发现小流速多孔配水比大流速过水洞配水的死水区小，入口水流对流场影响也更小。因此，可将该软件用于模拟连续流进水条件下往复折流式调质池的流体运动过程，研究水流流动过程中水流流态及不同水质间的混合情况。

本文将以往复折流池为研究对象，通过Gambit对调质池进行三维建模，并利用CFD软件对影响往复折流式调质池调质效果的进水波动周期和进水段数进行数值模拟，分析其在调质池内的流场分布特征。结合模拟所得进出水浓度变化对其调质性能做出定量评价，并分析各参数在调质过程中的规律分布，为实际工程中往复折流式调质池的优化设计和工程应用提供理论依据。

1 往复折流式调质池数学模型

往复折流式调质池的进水条件设为清水和示踪剂两相流，Fluent软件中的Mixture模型适合模拟不同速度的多相流，第二相所占比例较少且流动中有相的混合或分离，与往复折流式调质池的进水条件吻合。因此，文中选用Mixture模型，清水被设为主相，示踪剂被设为第二相。

1.1 前处理几何模型

选择往复折流式调质池作为研究对象，利用Gambit创建往复折流式调质池几何模型。最终确定模型调质池外形尺寸L×B×H=12 500 mm×600 mm×500 mm，其中有效水深为400 mm，有效容积为0.3×109mm3。池壁固定15个隔板，每个隔板厚度为6 mm，隔板长度为550 mm，隔板与池壁的距离为50 mm。池两侧各设有8个进水管，进水管直径为25 mm，出水端设有1个出水管，出水管直径为25 mm。最终建立几何模型如图1所示。

图1 往复折流式调质池几何模型示意图

利用Gambit对几何体按照线、面、体的顺序依次对其进行网格划分：进水管道部分的线网格间距为5 mm，池体出水管道部分的线网格间距为5 mm，池体部分的线网格间距为20 mm；面网格的划分，所用面网格为非结构化四边形平铺网格，网格间距与线网格相同；体网格的划分采用Tet/Hybrid，网格主要以四面体网格为主，网格间距与线网格、面网格相同。所生成的网格如图2所示。

1.2 数学计算过程

1.2.1 控制方程

Mixture多相流模型的连续性方程如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

其中：ρm——混合物的密度；

αi——第i相的体积分数；

ρi——第i相的密度；

t——时间。

动量方程如式(4)～式(6)。

(4)

(5)

(6)

其中：p——静压；

μm——混合物的动力黏度；

μ2——第二相的动力黏度；

T——作用力持续时间；

由第二相连续性方程可推导出第二相体积分数方程，如式(7)。

(7)

标准湍流方程如式(8)～式(9)。

Gk+Gb-ρε-YM+Φk

(8)

(9)

其中：ρ——密度；

k——湍动能；

xi——坐标分量；

ui——时均速度；

μ——动力黏度；

μt——湍动黏度；

σk——常数，取1.0；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能产生的影响；

Gb——由浮力影响引起的湍动能产生的影响；

ε——湍动能耗散率；

YM——可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

Φk——湍动能的通用变量；

σε——常数，取1.3；

C1ε——常数，取1.44；

C2ε——常数，取1.92；

C3ε——常数，取0.09；

Φε——耗散率的通用变量。

1.2.2 选择求解器及参数设置

选用基于压力求解器进行瞬态模拟，并添加重力项。主相清水和第二相示踪剂均为不可压缩。水流在往复折流式调质池内流动过程中，速度分量随着时间而改变，因而选用非定常流动(unsteady)。求解方法基于SIMPLE压力速度耦合算法，动量方程、湍流动能、湍流耗散率均选用一阶迎风格式进行计算。

1.2.3 边界条件和初始条件

边界条件的划分包括进水边界、内部边界、墙体以及出水边界。进水管的横截面设置为进水面，进水方式设置为质量流量进水(mass-flow-inlet)，进水浓度波动函数是周期为60 min的矩形波函数，将清水作为恒定流进水，清水的质量流量为0.080 0 kg/s，示踪剂的进水流量利用UDF即用户自定义函数自行编译作为进水参数，示踪剂最大质量流量为0.002 7 kg/s，最小质量流量为0.001 6 kg/s。进水管末端横截面即进水管的出水面，同时也是池体的进水面，该处设置为interface，被认为是进水管内流体与池体中流体相重合的部分，是介质界面。出水管末端横截面设置为自由出流(outflow)，自由出流边界适用于出水口速度未知的情形，与本模拟情况相符。调质池池壁和池底自动设为固定壁面(wall)。选择标准初始化，初始调质池中示踪剂的体积分数设为0，认为0时刻池内充满清水。各项残差均设为1.0×10-5。

1.3 调质性能评价方法

调质池的调质效果可以对比进出水特性曲线进行定性评价，但是定性评价不能对比不同调质池、不同进水参数的调质池的调质性能。张新喜等[27]提出了一种可以直接评价调质池调质性能优劣的量化评价方法，定义调质功能系数Z值，对调质池的调质功能进行量化评价。如式(10)，该方法主要需要获取一定数量的进出水水质浓度值，通过进出水水质浓度的标准差来计算Z值，Z值越接近于1说明调质池的调质性能越好，越接近于0说明调质功能越差。

(10)

其中：σi——调质池进水质量浓度标准差，kg/m3；

σo——调质池出水质量浓度标准差，kg/m3。

该评价方法建立了进水水质与出水水质之间的联系，可直观判断调质池的调质性能，也可直观进行不同进水参数下调质池调质性能优劣的对比，为调质池的机理研究、结构改造、优化设计提供了科学依据。因此，本文选用该评价方法对不同结构参数下往复折流式调质池的调质效果进行量化评价。

2 验证试验装置及试验方法

2.1 试验装置

图3为实验室试验装置示意图。试验过程中，水质波动发生器产生进水浓度呈矩形波的水流，往复折流式调质池对来水进行调质，分光光度计用于测定调质池出水示踪剂溶液的吸光度。

图3 试验装置示意图

图4为往复折流式调质池试验装置，调质池模型由有机玻璃制作而成，外形尺寸L×B×H=125 cm×60 cm×50 cm。有效水深为40 cm，有效容积为0.3×106cm3，池中按池长方向设置15道插槽，插槽厚度为0.6 cm，隔板长55 cm，与池壁间的距离为5 cm，有效过水宽度为7.8 cm。调质池进水采用均布进水方式，出水采用溢流堰出水。该池单侧有8个进水管，每个进水口前有两个阀门，分别用于控制开关和水量，通过控制阀门来改变进水段数。

图4 往复折流式调质池试验装置图

2.2 试验方法

试验选取清水和示踪剂(红墨水，上海英雄<集团>有限公司，中国)作为试验介质，通过水质波动发生器将流量稳定的清水和出流流量呈周期性变化的示踪剂混合，产生示踪剂浓度波动变化符合进水波动周期为120 min矩形波的出水水流，示踪剂质量浓度为10 000 mg/L。矩形波波峰时流量为0.749 0 L/h，质量浓度为326 mg/L；波谷时流量为0.444 0 L/h，质量浓度为196 mg/L。水质波动发生器的出水流至往复折流式调质池，调节调质池的阀门，以两段进水为例，打开两个进水口的开闭阀门，关闭其他进水口阀门，调节流量阀门使两个进水口出水流量相同。待调质池稳定出水后，每隔4 min对出水进行人工取样，利用分光光度计测定出水水样吸光度，共测量两个周期，将数据记录在试验表格中。

2.3 试验分组

为检验Fluent中所选模型对往复折流式调质池数值模拟的准确性，设计以下8组进水段数不同的矩形波试验，比较试验结果与Fluent模拟结果的吻合度。具体试验分组如表1所示。

表1 往复折流式调质池试验分组

3 验证试验与数值模拟结果分析

3.1 验证试验结果分析

对进水波动周期为120 min的矩形波进水下的往复折流式调质池进行试验，更改进水段数为1～8段，不同进水段数的试验出水浓度变化曲线与Fluent数值模拟的进出水浓度变化曲线如图5所示。

图5 不同进水段数下往复折流式调质池的试验结果

由图5可知，在进水波动周期均为120 min的条件下，进水段数由1段增至8段，往复折流式调质池的试验出水浓度曲线与Fluent模拟所得的出水浓度曲线吻合度均较高。相比于试验过程，数值模拟过程并未考虑到示踪剂在清水中的扩散作用，根据菲克定律[28]，事故冲击的高浓度进水使得往复折流式调质池内扩散通量增大，导致试验出水浓度与数值模拟结果存在一定的偏差，但总体变化趋势相同，说明了该数值模拟方法能够比较准确地反映往复折流式调质池的调质变化规律，可以利用该数值模拟方法对往复折流式调质池的调质特性进行深入研究。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 进水段数对调质功能的影响

以往复折流式调质池为模型，模拟进水段数为2段、8段、16段时往复折流池的流场变化，模拟时长共计6 h。从调质池中截取y=340 mm截面，利用Fluent软件的playback功能，显示出模拟时长为1、2、3 h和4 h的往复折流池的浓度云图，如图6～图8所示。4 h后往复折流池内部水质混合均匀，与4 h时的云图没有太大差别。

由图6～图8可知，往复折流池模拟前池内充满清水，池内浓度均为0，浓度云图中显示为蓝色。模拟开始后，示踪剂流量呈周期为60 min的矩形波变化进入往复折流池，图中颜色变化反映了示踪剂浓度变化。往复折流池水流沿着隔板向前推流，在隔板末端与池壁的空隙处大部分水流反向继续推流，部分水流则反向在廊道内回流。由图6可知，模拟4 h后，2段进水往复折流池不同廊道内既有绿色区域、黄色区域，又有红色区域，颜色相差大且分布不均，表明水质没有混合均匀。由图7可知，模拟4 h后8段进水往复折流池各廊道颜色相近，说明各廊道内水质稳定，此时进水水质波动对出水口水质的影响变小。由图8可知，16段进水时进水口流量变小，停留时间变长，模拟5 h后池内水质稳定，各廊道均为浅黄色，说明池内各廊道浓度相差较小，调质效果最好。

注：图中数值为两相占比，下同

图7 8段进水往复折流式调质池浓度云图

图8 16段进水往复折流式调质池浓度云图

为进一步了解不同进水波动周期下进水段数对往复折流式调质池调质性能的影响，检测往复折流式调质池在不同进水段数、不同水质波动周期下的进出水浓度变化，从而计算出不同进水段数、不同水质波动周期下往复折流式调质池的调质功能系数Z值。

图9为不同进水波动周期的情况下Z值随进水段数变化的情况。可以看出，进水段数从2段增至16段，各进水波动周期下往复折流式调质池的Z值总体呈先快速增大、后出现减小趋势。当进水段数由2段增至14段，调质池Z值快速增大，由0.80、0.78、0.77、0.68、0.58、0.49分别增大至0.86、0.86、0.83、0.84、0.84、0.84，此时的Z值最高。通过纵向对比可知，随着进水段数的增加，不同进水波动周期的调质池Z值的差距逐渐减小，在进水段数为14段的情况下，各进水波动周期的调质池Z值均较为接近。当进水段数从14段增至16段时，往复折流式调质池的Z值出现减小。

图9 不同进水波动周期下Z值与进水段数的关系

3.2.2 进水波动周期对调质功能的影响

以往复折流式调质池为模型，选取进水段数为2段，模拟进水波动周期为66、75、86、100 min和120 min时往复折流式调质池的流场变化，模拟时长为6 h。从调质池截取y=340 mm截面，通过Fluent的playback功能，显示出模拟时长为4 h的往复折流池的浓度云图，如图10所示。可以看出，进水段数为2段时，进水波动周期从66 min增至120 min，模拟4 h后往复折流式调质池不同廊道内颜色相差增大，表明水质混合效果随进水波动周期的增大而降低。可初步推断，相同进水段数下，进水波动周期增大，往复折流式调质池的Z值减小。

图11为不同进水段数的往复折流式调质池的Z值随进水波动周期的变化情况。可以看出，当进水段数小于14时，Z值随进水波动周期的变化而改变的范围相对较大，当进水段数为14和16时，Z值随进水波动周期的变化差距拉小。说明在进水段数较大的情况下，进水波动周期对往复折流式调质池的Z值影响较弱。当进水段数小于14时，Z值随着进水波动周期的增大而减小；当进水段数为14和16时，Z值随进水波动周期的增大而减小，当进水波动周期逐渐增大至大于75 min后，Z值随进水波动周期的增加而基本保持稳定。在工程应用中，当进水水质波动周期发生变化时，可根据Z-T曲线图寻找调质效果最优的进水段数，最大化地发挥往复式折流调质池的调质功能。