基于CFD的網(wǎng)格絮凝池柵間距特性研究

李國強(qiáng)，邴 帥，劉鵬亮，王衛(wèi)東

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山東青島 266071）

0 前言

強(qiáng)化絮凝技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是高效的絮凝池的研究。目前常規(guī)及新型池子所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果尚處于實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)混凝理論分析方法對(duì)于絮凝池的研究大多處于初級(jí)的指導(dǎo)性階段。因此基于中山市某鎮(zhèn)給水廠網(wǎng)格絮凝池基本參數(shù)，分析絮凝池的水力特性指導(dǎo)反應(yīng)條件的優(yōu)化，使得絮凝劑在最佳工況條件達(dá)到強(qiáng)化絮凝的效果是本文研究的內(nèi)容。

表1 網(wǎng)格絮凝池二維模型參數(shù)(單位：mm)

沿切線方向切取尺度為 4 000 mm×1 000 mm平面，見圖1。

1 CFD 概述

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱 CFD），是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示技術(shù)，對(duì)包括有流體運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)的物理現(xiàn)象系統(tǒng)所作分析的一門新興學(xué)科。

CFD 的基本原理：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值[1]。

2 網(wǎng)格絮凝池建模及單柵條數(shù)值模擬研究

2.1 網(wǎng)格絮凝池?cái)?shù)學(xué)模型的建立

中山某鎮(zhèn) 5 萬 t/d 的給水廠，單個(gè)豎井尺寸為1 000 mm×1 000 mm×4 000 mm，采用理想液態(tài)流模擬絮凝池單井內(nèi)部流場(chǎng)，頂進(jìn)底出，水流方向垂直向下。

網(wǎng)格絮凝池的單個(gè)豎井結(jié)構(gòu)屬于中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，同時(shí)本文主要考慮垂直截面速度、能量耗散對(duì)流場(chǎng)的影響，因此可以將豎井簡(jiǎn)化成二維模型進(jìn)行計(jì)算。模型參數(shù)見表1。

圖1 單層網(wǎng)格絮凝池二維模型示意圖

2.2 網(wǎng)格絮凝池模型的邊界條件的確定

（1）進(jìn)口邊界條件

本文對(duì)網(wǎng)格絮凝池單體豎井的模擬為不可壓縮流，采用速度進(jìn)口。速度的選取參照中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)定制的《柵條、網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于前段柵條流速的選?。?.12～0.14 m/s，因此速度選取為 0.13 m/s，采用 k-ε模型進(jìn)行的數(shù)值模擬計(jì)算。

（2）出口邊界條件

本文采用自由出流（outflow），它適用于不可壓縮流及出口處的流動(dòng)時(shí)完全發(fā)展的情況。

（3）設(shè)置收斂判斷依據(jù)：本文數(shù)值模擬采用定常流計(jì)算，采用簡(jiǎn)化后整個(gè)流場(chǎng)絕對(duì)累積誤差來判定收斂情況。變量殘差值達(dá)到 1e-4，即可以認(rèn)為計(jì)算收斂。同時(shí)，收斂后驗(yàn)證 Mass Flow Rate 出口質(zhì)量穩(wěn)定性。

3 網(wǎng)格絮凝池單層?xùn)艞l板過柵紊流特性的數(shù)值模擬研究

3.1 不同柵間距下湍動(dòng)能及湍動(dòng)耗散的影響分析

隨著柵條個(gè)數(shù)的增加，柵條出流的湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率也隨之變化。從水體的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)來分析，柵條所產(chǎn)生的整流作用對(duì)反應(yīng)效率的增加具有重要意義。

根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《柵條、網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)中，見表2。

表2 網(wǎng)格絮凝池速度梯度設(shè)計(jì)參數(shù)

在網(wǎng)格絮凝池的實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般的研究設(shè)計(jì)人員采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選定。然而這種傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)選取方式很容易造成設(shè)計(jì)人員選取參數(shù)的隨意性和普遍性，不能夠根據(jù)工程實(shí)際來確定參數(shù)，造成分格數(shù)增多、柵條孔徑增大使得池體復(fù)雜、龐大。利用計(jì)算流體軟件模擬不同間距柵條的流場(chǎng)對(duì)絮凝的作用機(jī)理，為實(shí)際工程的優(yōu)化提供一條新方法。

為了考察柵間距對(duì)豎井內(nèi)部流態(tài)的影響，選取了五種柵條布置形式進(jìn)行模擬。布置方式見表3。

表3 網(wǎng)格絮凝池柵條布置方式

依據(jù)單柵條數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬，即在速度進(jìn)口流速選取 0.13 m/s，水體通過單體豎井柵條迭代收斂后的數(shù)值模擬圖像見圖2、圖3。

圖2 柵條間距 D=30 mm、40 mm 湍動(dòng)能分布圖

圖3 柵條間距 D=50 mm、80 mm 湍動(dòng)能分布圖

從圖2、圖3可知，湍動(dòng)能的核心區(qū)和多股出流之間的混合點(diǎn)隨著柵間距的減小而向上游緊縮，這與各出流（絮體）間的相互混合是緊密相關(guān)的。在混合點(diǎn)和核心區(qū)域，出流之間，出流與環(huán)境流體間，出流與絮體間發(fā)生強(qiáng)烈的摻混，引起強(qiáng)烈的紊動(dòng)。這些湍動(dòng)能最終通過粘性應(yīng)力對(duì)湍動(dòng)變形的做功，即湍動(dòng)耗散率項(xiàng)轉(zhuǎn)化為其他能量耗散殆盡。

從動(dòng)能分布圖中反映出，流體經(jīng)過柵條板后速度衰減，流體迅速與周圍流體劇烈摻混卷吸，這是由于柵條板后附近的湍動(dòng)動(dòng)能較大，湍動(dòng)摻混作用較強(qiáng)所致。同時(shí)圖形反映出豎井中的速度并非逐次衰減，而是有一段明顯的加速區(qū)，然后衰減伴隨著流動(dòng)向下游發(fā)展，流核區(qū)逐漸消失，各斷面流速分布趨于一致（或有一致性趨向）。在這一過程中，板后負(fù)壓流體能將能量傳遞給附近流體，形成低壓流體邊界層，它隨著流動(dòng)的發(fā)展變得越來越厚，直至擴(kuò)展到壁面或至出口處。因此在相同因素影響下，多柵條出流具有更大的影響區(qū)域。

同時(shí)流體中的速度梯度和紊流切應(yīng)力是非恒定的，都具有由壁面（wall）向流場(chǎng)中心區(qū)沿程降低的變化規(guī)律。對(duì)于絮凝過程中大部分階段，絮體顆粒較小，水中顆粒跟隨性好，顆粒速度與水流流速接近。由于水流速度梯度的存在，相鄰流層的顆粒也具有速度梯度，從而為相互碰撞創(chuàng)造了條件。如果是在均勻切變場(chǎng)中，顆粒就會(huì)平穩(wěn)的聚集成長(zhǎng)，但是實(shí)際工程中的非均勻切變場(chǎng)，不同的流層具有不同的剪切強(qiáng)度，而且變化較大，顆粒的成長(zhǎng)就會(huì)受到影響。在靠近壁面的區(qū)域速度梯度大，顆粒相互碰撞的機(jī)率高，但切應(yīng)力大，水流對(duì)顆粒的揉搓作用強(qiáng)烈。在水流中心處，顆粒之間相碰撞之后更容易結(jié)合。

3.2 不同柵間距數(shù)值模擬湍動(dòng)能 k、湍動(dòng)能耗散率ε面平均值評(píng)價(jià)

采用 CFD 軟件中 Mass-Weighted Average 計(jì)算，其更接近于高速度區(qū)域的值，即有更多質(zhì)量流通過面上的變量值，見圖4。

圖4 不同柵間距湍動(dòng)能 k、湍動(dòng)能耗散率ε面平均值變化曲線圖

根據(jù)紊流微渦旋動(dòng)力學(xué)理論，湍動(dòng)能 k 及湍動(dòng)能耗散率ε越大，池內(nèi)絮凝效果越好得到的絮體越密實(shí)。根據(jù)以上各變化曲線可知，隨著柵條間距從 D=120 mm 向 D=40 mm 逐級(jí)縮減中，湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率及渦旋速度梯度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)D=30 mm 時(shí)，曲線出現(xiàn)一個(gè)突躍，是 40 mm 柵距的各指標(biāo)的 3～4 倍。經(jīng)過分析，這種突躍是柵條處的流體大部分呈現(xiàn)出射流狀態(tài)，湍動(dòng)能及剪切力急劇增加紊動(dòng)十分強(qiáng)烈。

根據(jù)絮凝體破碎理論，絮凝池前置階段絮凝體形成粒徑大而多孔的結(jié)構(gòu)，此時(shí)在水流剪切力作用下容易發(fā)生破碎。具有較高能級(jí)的柵間距D=30 mm 容易使絮體顆粒因強(qiáng)剪切作用及高湍動(dòng)度造成破碎。因此柵間距 D=40 mm 和 50 mm 的柵條布置方式是較優(yōu)的。

4 結(jié)論

網(wǎng)格絮凝池豎井的內(nèi)部紊流流動(dòng)問題是一種相對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)問題，它對(duì)工程設(shè)計(jì)及現(xiàn)有給水廠的更新改造具有很重要的指導(dǎo)意義。本文得到如下研究結(jié)論：

（1）本文主要運(yùn)用 CFD 計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)網(wǎng)格絮凝池豎井進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用 Realizable k-ε模型，對(duì)網(wǎng)格絮凝池這類高雷諾數(shù)并流動(dòng)中包含有射流和混合流的模型具有很好的可操作性，計(jì)算消耗時(shí)間少。

（2）對(duì)速度進(jìn)口流速為 0.13 m/s，通過在豎井內(nèi)流動(dòng)中加入柵條方法可以改變整個(gè)流場(chǎng)流態(tài)；通過改變柵條密度，增加?xùn)艞l個(gè)數(shù)可以降低負(fù)壓對(duì)絮凝過程的影響，限制湍流剪切梯度，控制水中渦旋的大小和強(qiáng)度。

（3）新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中山市某鎮(zhèn)給水廠改造升級(jí)提出了要求，柵間距 D=40 mm 或 50 mm 的柵條布置方式具備較高湍動(dòng)能級(jí)、較強(qiáng)速度差異，以其作為網(wǎng)格絮凝池前段柵條布置間距，可以保證網(wǎng)格絮凝池改造后形成密實(shí)的絮體，降低出水NTU。

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