基于CFD的網格絮凝池柵間距特性研究

李國強，邴 帥，劉鵬亮，王衛東

（青島市市政工程設計研究院，山東青島 266071）

0 前言

強化絮凝技術的關鍵環節之一是高效的絮凝池的研究。目前常規及新型池子所取得的實驗數據及其分析結果尚處于實驗階段，同時混凝理論分析方法對于絮凝池的研究大多處于初級的指導性階段。因此基于中山市某鎮給水廠網格絮凝池基本參數，分析絮凝池的水力特性指導反應條件的優化，使得絮凝劑在最佳工況條件達到強化絮凝的效果是本文研究的內容。

表1 網格絮凝池二維模型參數(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

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱 CFD），是通過計算機數值計算和圖像顯示技術，對包括有流體運動和熱傳導等相關的物理現象系統所作分析的一門新興學科。

CFD 的基本原理：把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，用一系列有限個離散點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于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值[1]。

2 網格絮凝池建模及單柵條數值模擬研究

2.1 網格絮凝池數學模型的建立

中山某鎮 5 萬 t/d 的給水廠，單個豎井尺寸為1 000 mm×1 000 mm×4 000 mm，采用理想液態流模擬絮凝池單井內部流場，頂進底出，水流方向垂直向下。

網格絮凝池的單個豎井結構屬于中心對稱結構，同時本文主要考慮垂直截面速度、能量耗散對流場的影響，因此可以將豎井簡化成二維模型進行計算。模型參數見表1。

圖1 單層網格絮凝池二維模型示意圖

2.2 網格絮凝池模型的邊界條件的確定

（1）進口邊界條件

本文對網格絮凝池單體豎井的模擬為不可壓縮流，采用速度進口。速度的選取參照中國工程建設標準化協會標準定制的《柵條、網格絮凝池設計標準》中關于前段柵條流速的選取：0.12～0.14 m/s，因此速度選取為 0.13 m/s，采用 k-ε模型進行的數值模擬計算。

（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時完全發展的情況。

（3）設置收斂判斷依據：本文數值模擬采用定常流計算，采用簡化后整個流場絕對累積誤差來判定收斂情況。變量殘差值達到 1e-4，即可以認為計算收斂。同時，收斂后驗證 Mass Flow Rate 出口質量穩定性。

3 網格絮凝池單層柵條板過柵紊流特性的數值模擬研究

3.1 不同柵間距下湍動能及湍動耗散的影響分析

隨著柵條個數的增加，柵條出流的湍動能和湍動能耗散率也隨之變化。從水體的紊動結構來分析，柵條所產生的整流作用對反應效率的增加具有重要意義。

根據中國工程建設標準化協會標準《柵條、網格絮凝池設計標準》中對網格絮凝池設計中，見表2。

表2 網格絮凝池速度梯度設計參數

在網格絮凝池的實際設計中，一般的研究設計人員采用該標準進行設計參數的選定。然而這種傳統的經驗設計參數選取方式很容易造成設計人員選取參數的隨意性和普遍性，不能夠根據工程實際來確定參數，造成分格數增多、柵條孔徑增大使得池體復雜、龐大。利用計算流體軟件模擬不同間距柵條的流場對絮凝的作用機理，為實際工程的優化提供一條新方法。

為了考察柵間距對豎井內部流態的影響，選取了五種柵條布置形式進行模擬。布置方式見表3。

表3 網格絮凝池柵條布置方式

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

圖2 柵條間距 D=30 mm、40 mm 湍動能分布圖

圖3 柵條間距 D=50 mm、80 mm 湍動能分布圖

從圖2、圖3可知，湍動能的核心區和多股出流之間的混合點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的。在混合點和核心區域，出流之間，出流與環境流體間，出流與絮體間發生強烈的摻混，引起強烈的紊動。這些湍動能最終通過粘性應力對湍動變形的做功，即湍動耗散率項轉化為其他能量耗散殆盡。

從動能分布圖中反映出，流體經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動能較大，湍動摻混作用較強所致。同時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，然后衰減伴隨著流動向下游發展，流核區逐漸消失，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，它隨著流動的發展變得越來越厚，直至擴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域。

同時流體中的速度梯度和紊流切應力是非恒定的，都具有由壁面（wall）向流場中心區沿程降低的變化規律。對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，從而為相互碰撞創造了條件。如果是在均勻切變場中，顆粒就會平穩的聚集成長，但是實際工程中的非均勻切變場，不同的流層具有不同的剪切強度，而且變化較大，顆粒的成長就會受到影響。在靠近壁面的區域速度梯度大，顆粒相互碰撞的機率高，但切應力大，水流對顆粒的揉搓作用強烈。在水流中心處，顆粒之間相碰撞之后更容易結合。

3.2 不同柵間距數值模擬湍動能 k、湍動能耗散率ε面平均值評價

采用 CFD 軟件中 Mass-Weighted Average 計算，其更接近于高速度區域的值，即有更多質量流通過面上的變量值，見圖4。

圖4 不同柵間距湍動能 k、湍動能耗散率ε面平均值變化曲線圖

根據紊流微渦旋動力學理論，湍動能 k 及湍動能耗散率ε越大，池內絮凝效果越好得到的絮體越密實。根據以上各變化曲線可知，隨著柵條間距從 D=120 mm 向 D=40 mm 逐級縮減中，湍動能、湍動耗散率及渦旋速度梯度呈現增加的趨勢。當D=30 mm 時，曲線出現一個突躍，是 40 mm 柵距的各指標的 3～4 倍。經過分析，這種突躍是柵條處的流體大部分呈現出射流狀態，湍動能及剪切力急劇增加紊動十分強烈。

根據絮凝體破碎理論，絮凝池前置階段絮凝體形成粒徑大而多孔的結構，此時在水流剪切力作用下容易發生破碎。具有較高能級的柵間距D=30 mm 容易使絮體顆粒因強剪切作用及高湍動度造成破碎。因此柵間距 D=40 mm 和 50 mm 的柵條布置方式是較優的。

4 結論

網格絮凝池豎井的內部紊流流動問題是一種相對復雜的流動問題，它對工程設計及現有給水廠的更新改造具有很重要的指導意義。本文得到如下研究結論：

（1）本文主要運用 CFD 計算流體力學軟件對網格絮凝池豎井進行了數值模擬。采用 Realizable k-ε模型，對網格絮凝池這類高雷諾數并流動中包含有射流和混合流的模型具有很好的可操作性，計算消耗時間少。

（2）對速度進口流速為 0.13 m/s，通過在豎井內流動中加入柵條方法可以改變整個流場流態；通過改變柵條密度，增加柵條個數可以降低負壓對絮凝過程的影響，限制湍流剪切梯度，控制水中渦旋的大小和強度。

（3）新的水質標準對中山市某鎮給水廠改造升級提出了要求，柵間距 D=40 mm 或 50 mm 的柵條布置方式具備較高湍動能級、較強速度差異，以其作為網格絮凝池前段柵條布置間距，可以保證網格絮凝池改造后形成密實的絮體，降低出水NTU。

[1] 王紹文,姜安璽,孫喆.混凝動力學的渦旋理論探討[J].中國給水排水,1991,7(1):4.

[2] 單立志,施漢昌,王銳.網格反應、斜板反應沉淀水處理實驗設備的設計制作[J].實驗技術與管理,2006,23(10):55-57.

[3] 王啟山.水工業工程常用數據速查手冊[M].北京:機械工業出版社,2005.

[4] 周自堅.網格式機械攪拌絮凝技術的實驗及理論研究[D].黑龍江哈爾濱:哈爾濱工業大學.