新型异形椭圆沉淀池的CFD数值模拟研究

任 鹏,施雪卿,武周虎,邹艳均

(青岛理工大学,山东 青岛 266520)

沉淀是利用水中悬浮物的密度大于水的密度,在重力的作用下,悬浮物沉到池底,从而使固体与液体相分离的过程[1]。沉淀池利用沉淀作用来实现水质净化,是污水处理过程中非常重要的构筑物。目前,沉淀池的设计主要基于理想沉淀池模型(污水在池内沿水平方向做等速流动、颗粒处于自由沉淀状态、颗粒沉到池底即认为被去除)[2]。但在实际运行中,存在温度、风力等外界因素,入流流速、悬浮颗粒粒径、浓度等混合液自身因素,池体形状、反射板等池体结构因素的影响,使得沉淀过程往往表现出不同于理想沉淀池的运行状态[3-5]。通过实验来研究实际沉淀池的影响因素不易实现,伴随着计算流体力学(CFD)的飞速发展,特别是随着 CFD 软件(Fluent等)的逐步成熟,因其具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法、高效的计算能力及强大的前后处理功能,为沉淀池的流动分析和优化设计带来了契机[6]。目前,沉淀池主要有平流、竖流、斜板、辐流沉淀池等类型[7]。

在上述各类沉淀池中,普通竖流沉淀池以圆形居多,但池体内部存在回流、死流等现象。由WU Z H创建的一种新型二参数单对称轴曲线——异形椭圆[8],将其倒置后最大宽度以下的形状类似于普通竖流沉淀池结构,且具有良好的连续性和光滑性,或许能降低沉淀池回流等不利影响。据此,本研究以实际运行工况的竖流沉淀池作为研究对象,给出一种新型异形椭圆沉淀池与普通沉淀池的数值模拟比较与分析,以期为沉淀池的设计优化提供指导。

1 异形椭圆由来

武周虎等[9]在河流均匀流场中稳定点源条件下,推导出等浓度线方程为:

式中:Ls——等浓度线的最大长度;bs——等浓度线的最大半宽度,最大半宽度相应的对称轴坐标Lc=Ls/e,自然常数e≈2.718。

据此,WU Z H定义异形椭圆方程为[8]:

式中:H——对称轴坐标方向的最大高度;W——非对称轴坐标方向的最大宽度,最大宽度相应的对称轴坐标xc=H/e。定义域:0＜x≤H,-W/2≤y≤W/2。

根据竖流沉淀池的池体特征,基于倒置H型异形椭圆绕其对称轴形成的旋转体创建一种新型沉淀池。

2 沉淀池模拟条件与数学模型选定

2.1 沉淀池设计

已知某污水处理厂的最大设计流量为Qmax=0.05 m3/s,采用两个沉淀池方案设计计算。

2.1.1 普通沉淀池

根据《给水排水设计手册》第5册(城镇排水)设计规范,代入相关设计数据,得到普通沉淀池的几何尺寸如表1所示,过中垂线剖面如图1(a)所示。

表1 普通沉淀池的几何尺寸

2.1.2 新型沉淀池

将倒置H型异形椭圆绕其对称轴形成旋转体的最大直径(最大宽度)位置作为新型沉淀池的自由液面,则有W=D=7 000 mm。取其最大直径位置处以下部分作为新型沉淀池的池体总高度(即h=H-H/e),使其与普通沉淀池的池体总高度保持一致(h=11 270 mm)。据此推算倒置异形椭圆的最大长度(最大高度)H=h/(1-1/e)≈17 830 mm。取x轴向下为正,由式(2)得到相应的倒置H型(宽高比=W/H=0.393)异形椭圆方程为:

定义域:6 560 mm≤x≤17 830 mm,-3 500 mm≤y≤3 500 mm。

新型异形椭圆沉淀池的池体为连续光滑曲线形状,不存在倾斜角α,其他几何尺寸均与普通沉淀池相同(见表1),过中垂线剖面如图1(b)所示:

图1 沉淀池过中垂线剖面图

2.2 数学模型的确定

2.2.1 控制方程

流体流动受物质守恒性的支配,应满足相应的流体动力学基本控制方程组。此外如果流动包含不同成分的混合或相互作用,还应满足组分守恒原理[10]。

连续性方程为:

式中:Sm——分散相加入到连续相的质量。

运动方程为:

式中:p——静压;τij——应力张量;gi——i方向上的重力体积力;Fi——i方向上的外部体积力。

标量输运方程为:

式中:φ——标 量 浓 度;ε——扩 散 系 数;Rφ——源项。

基于以上控制方程组,常用的CFD数学模型大致可分为单相流模型与多相流模型两种,每种模型都有其适用性与局限性,本研究采用多相流模型分析。

2.2.2 数学模型

2.2.2.1 多相流模型

目前,多相流计算方法有欧拉-欧拉和欧拉-拉格朗日两种方法,常用模型有VOF(Volume of Fluid)、混合(Mixture)模型、欧拉(Eulerian)模型三种。在Euler方法中,各相被处理为互相贯通的连续体,一种相所占体积无法被其他相占有;而在Lagrange方法中,流体相被处理为连续相,离散相在连续相计算的指定间隙中独立完成[11]。沉淀池主要用于分离密度稍大于水、沉降性能良好的污泥絮体。本研究采用Euler方法中的混合模型(Mixture)。

2.2.2.2 湍流模型

由于沉淀池中水力半径较大,且受固体边界的影响,沉淀池内部水流处于湍流状态。因此,二沉池模拟是建立在湍流基础上。重整化群(RNG)k-ε模型是对k-ε模型修正的一种湍流模型,是在ε方程中增加了一个附加项,考虑了湍流漩涡,对于高雷诺数和低雷诺数的情况均适用。可计算流速梯度较大的流场,还可以正确处理近壁区域,提高计算精度[12]。本研究采用RNG k-ε模型。

2.3 模拟条件设定

2.3.1 介质属性

组分1:主相为水相,密度为998.2 kg/m3,动力粘度为0.001 003 Pa·s。组分2:次相为污泥相,密度为1 200 kg/m3,体积分数为0.30%,动力粘度为0.002 001 Pa·s,颗粒等效直径为0.10 mm,混合液中污泥浓度(密度×体积分数)为3 600 mg/L。

2.3.2 边界条件

入口边界:采用入口流速条件,两相的入口流速相等,v0=0.03 m/s。出口边界:上清液出口边界采用径向外压溢流出流条件,出水口处的静压为0;采用间歇式排泥,模拟运行期间暂时关闭排泥口。自由液面:设定为水平面,自由液面上的法向流速、湍动能(k)、湍动耗散率(ε)等均为零。固体壁面:设置为无滑移边界条件。

2.4 网格划分

采用四边形结构化网格进行网格划分[13]。

3 结果与分析

3.1 流线分布

依据模拟结果分别绘制两种沉淀池的流线分布,如图2所示:

图2 沉淀池流线分布

由图2可以清晰看出,两种沉淀池中都存在明显的回流区域,虽然回流现象不可避免,但过大的回流区会大大降低沉淀池的沉淀效果。沉淀池下部区域的回流,会使沉淀层的悬浮物在涡流作用下重新进入清水区;上部区域的回流,在涡流作用下反复旋转阻碍悬浮物沉淀。由流线分布特征可以看出,普通沉淀池存在3处明显的回流区域,分别是反射板附近区域、污泥斗靠近池壁区域、沉淀池清水区靠近池壁区域,而新型沉淀池在反射板附近区域和污泥斗与清水区过渡段靠近池壁区域共存在两处回流区域,回流区减小,涡流强度降低。说明新型异形椭圆沉淀池的沉淀性能更好,回流与死流区减小,可有效提高沉淀效果。

3.2 密度分布

依据模拟结果分别绘制两种沉淀池的密度分布及污泥相体积分数分布,如图3、图4所示:

图3 沉淀池密度分布

图4 沉淀池污泥体积分数

由图3可以看出,沉淀池内液体分层显著,基本符合理想沉淀池的假定。两种沉淀池内液体的密度分布趋势基本相似,沉淀池上部存在明显的清水区,下部存在明显的污泥区,使污泥能够平稳的贮存于污泥斗中。比较发现,新型沉淀池的清水区明显大于普通沉淀池,污泥斗底部的液体密度也高于普通沉淀池;而在沉淀池存泥区以外,在相同水深处新型沉淀池内液体的密度低于普通沉淀池,说明新型沉淀池的沉淀能力增强,泥水分离更快,泥水分离效果更佳,可以承受的污泥负荷会更高。

图4 沉淀池污泥体积分数分布与图3密度分布以及液体分层规律大致相同,反映了液体密度越大,污泥所占体积分数越大。由图4可以看出,在污泥斗存泥区中,新型沉淀池高体积分数层的厚度(即高密度层)小于普通沉淀池,说明新型沉淀池比普通沉淀池的污泥含水率更低,悬浮物去除率更高。

3.3 SS分布

为了对两种沉淀池的SS分布作进一步的比较分析,在沉淀池半径r=2 000 mm处作垂线L(参见图1),分别绘制两种沉淀池垂线L上的SS分布和流速分布,如图5、图6所示。

图5 垂线L上SS分布

图6 垂线L上流速分布

由图5(a)可以看出,沉淀池内液体分层显著,SS分布趋势相似,自上向下依次为清水区、泥水混合区和底部污泥区。当污水经反射板进入沉淀池中,因动能较大,在沉淀池中部形成泥水混合区,污泥基本维持入水浓度上下SS=(3 600±200)mg/L。在重力作用下,悬浮物快速下沉,落入沉淀池底部,随水深增加SS逐渐增大,在一定水深时,SS迅速下降,出现泥水分界面。下部6.0 m以上水深为污泥区,SS均大于3 800 mg/L;上部在0～2.0 m水深为清水区,SS均小于20.0 mg/L,均符合出水标准,通过出水口流出。

由图5(a)和图5(b)可以看出,在污泥区新型沉淀池的SS高于普通沉淀池;在清水区新型沉淀池的SS低于普通沉淀池,说明新型沉淀池比普通沉淀池的污泥沉积效果显著,沉淀效率提高,抗负荷能力增大,处理能力得到提升。

由图6可以看出,两种沉淀池垂线L上的流速分布趋势大致相同,呈现底部流速缓慢且较平稳,有利于悬浮物沉淀,中部流速较高且变化剧烈,上部流速较低且稳定,顶部流速较快,利于出流收集。在两种沉淀池的底部流速均小于0.01 m/s,说明污泥不断沉积至池底,底部紊动小、流动性能减弱。而新型沉淀池的底部流速又略小于普通沉淀池,说明新型沉淀池比普通沉淀池的底部流动性能更弱、粘度更大,即污泥堆积更多。在沉淀池中部,当污水经反射板进入池中后,在较大动能的冲击下,流速发生剧烈变化。在沉淀池的池体中部形成旋涡,出现死流区和回流现象,表现出不同于理想沉淀池的流动状态。而新型异形椭圆沉淀池的池体形状具有良好的连续性和光滑性,污水流速变化程度下降,缓解了流体的紊动性,降低了池内回流现象,减少了对泥水分离带来的影响。在沉淀池上部,泥水经分离后的清水缓缓向上流动,流速大致为0.01 m/s,新型沉淀池的流速分布曲线较普通沉淀池更平稳,说明在清水区新型沉淀池流态更稳定,上清液沿径向缓缓流向出水口。通过沉淀池垂线L上的流速分布分析,可以看出新型沉淀池流态更好,池体的改进适应了流线的变化。

3.4 出水口SS

依据模拟结果得到普通沉淀池出水口处的污泥体积分数=0.10%、SS=10.09 mg/L,新型沉淀池出水口处的污泥体积分数=0.07%,SS=7.45 mg/L。因此,新型沉淀池出水指标SS优于普通沉淀池,说明其沉淀能力提升,处理能力增强。

4 结论

本研究运用多相流mixture模型和RNG k-ε湍流模型,借助于计算流体力学软件Fluent,对基于异形椭圆的新型沉淀池与普通沉淀池进行了数值模拟,得到两种沉淀池的流线、流速、污泥体积分数、SS等分布,分析结论如下:

(1)沉淀池内流速变化幅度大,会产生回流、死流区等现象,影响沉淀池运行效果,与理想沉淀池的假设有差异。

(2)沉淀池内体积分数、SS指标存在分层分布现象,具有明显的泥水分界面和污泥压缩成层界面。上部清水区流态稳定顺出水口流出,底部污泥层流动缓慢,压缩成层排出。

(3)对比两种沉淀池的流线、流速、污泥体积分数、SS等分布,发现基于异形椭圆的新型沉淀池出水指标SS提升、池体内回流现象减弱。说明其良好的连续性和光滑性池体结构,能够更好地适应水流的流态变化,缓解了流体的紊动性,提升了沉淀效率。