氧化溝流體力學(xué)分析

張杞蓉 普曉晶

(1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430022)

氧化溝流體力學(xué)分析

張杞蓉1普曉晶2

(1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430022)

采用k—ε紊流數(shù)學(xué)模型對(duì)氧化溝的流場(chǎng)及水力學(xué)進(jìn)行了分析計(jì)算，模擬了氧化溝水體的流動(dòng)狀態(tài)，在分析流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)潛水推流器以及表面曝氣機(jī)兩者之間的統(tǒng)一進(jìn)行有效的整合，并能夠很好地對(duì)氧化溝工程設(shè)計(jì)、設(shè)備配置及布置等起優(yōu)化作用。

氧化溝，水力學(xué)，計(jì)算流體力學(xué)，流場(chǎng)

氧化溝工藝是我國(guó)城市生活污水廠設(shè)計(jì)主要工藝之一。氧化溝處理系統(tǒng)的基本特征是曝氣池呈封閉的溝渠型，在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中污水和活性污泥混合液在其中循環(huán)流動(dòng)，因此又稱“環(huán)形曝氣池”[1]，在這個(gè)系統(tǒng)中放置了對(duì)攪動(dòng)以及曝氣進(jìn)行方向控制的裝置，這個(gè)裝置不僅僅可以為系統(tǒng)當(dāng)中的混合液進(jìn)行充氧，還可以為這個(gè)系統(tǒng)提供很多的能量，從反應(yīng)器的角度上說，氧化溝是一種連續(xù)的流環(huán)方式的反應(yīng)器，而且它具有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如緩沖能力高、脫氮效果好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等[2]。

氧化溝工藝的不足之處是普遍存在著池底積泥的現(xiàn)象，往往使氧化溝工藝達(dá)不到理想效果[3]。因此為了完全推動(dòng)混合溝內(nèi)流體并曝氣，必須具有良好的轉(zhuǎn)刷設(shè)計(jì)。由于溝內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)溝內(nèi)流態(tài)的深入理解是必要的。

1 氧化溝水力學(xué)的研究現(xiàn)狀

氧化溝污水處理系統(tǒng)的功能是受溝內(nèi)流體狀況影響的，在一般的情況下，推流裝置以及曝氣裝置是對(duì)氧化溝內(nèi)流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，主要防止活性污泥沉降。

在經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)上氧化溝有著較大的優(yōu)勢(shì)。然而在氧化溝的實(shí)際工程中，由于不當(dāng)?shù)臏蟽?nèi)設(shè)備運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致溝底積泥的產(chǎn)生。因此，當(dāng)前氧化溝污水處理系統(tǒng)的重點(diǎn)是怎樣對(duì)水下推動(dòng)器以及曝水轉(zhuǎn)碟進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，了解水力流態(tài)的特點(diǎn)，進(jìn)而使得這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是節(jié)能的、高效的，以上方面的工作在建立污水廠、改造升級(jí)污水廠有著非常重要的作用。

2 氧化溝流體力學(xué)特性分析和水力計(jì)算

為使污泥以及水的混合液體能夠進(jìn)行充分的接觸，同時(shí)抑制其處在懸浮的狀態(tài)，需要保證氧化溝的溝內(nèi)的速度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)氧化溝提升水頭和水頭損失進(jìn)行確定，進(jìn)而使得氧化溝處理系統(tǒng)這種工藝設(shè)計(jì)能夠得到完善。一般情況下，要求氧化溝溝內(nèi)斷面處的混合液的平均流速為0.3 m/s～0.5 m/s，而且還要確保溝底的流速是不小于0.1 m/s的[4]。氧化溝處理系統(tǒng)當(dāng)中的水下推進(jìn)裝置和曝氣轉(zhuǎn)刷為這個(gè)系統(tǒng)提供了循環(huán)動(dòng)能。

2.1 提升水頭

氧化溝當(dāng)中因?yàn)樗徊畹拇嬖趯?dǎo)致系統(tǒng)當(dāng)中水體以一種循環(huán)的方式流動(dòng)，水位差的來源是曝氣轉(zhuǎn)刷導(dǎo)致水頭升高。趙星明[6]研究出了轉(zhuǎn)刷浸沒程度以及水頭的浸沒程度和線速度之間存在的關(guān)系是：

(1)

其中，I為轉(zhuǎn)刷的浸沒程度，m；h為曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭；γ為氧化溝水深，m；vγ為轉(zhuǎn)刷的線速度，m/s；k，m，n為常數(shù)。

通過水流混合的推動(dòng)力可以知道：

(2)

其中，F(xiàn)r為污水處理系統(tǒng)的曝氣轉(zhuǎn)刷的混合推動(dòng)力，kg/(m·s)；h為污水處理系統(tǒng)當(dāng)中曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭，m。

通過式(1)，式(2)可以了解到，如果氧化溝污水處理系統(tǒng)當(dāng)中的溝內(nèi)的水較深，會(huì)導(dǎo)致溝內(nèi)混合液的平均流速下降；推動(dòng)力越大，流速越快，污泥在水體的懸浮與混合更充分。

2.2 氧化溝的水頭損失

氧化溝當(dāng)中的推動(dòng)設(shè)備和轉(zhuǎn)碟是導(dǎo)致氧化溝產(chǎn)生動(dòng)能以及循環(huán)流量的原動(dòng)力，氧化溝溝內(nèi)的混合液以循環(huán)方式流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致水頭有一定的損失，其中包含沿程水頭損失和局部水頭損失，計(jì)算方式如下[2]。

2.2.1 沿程水頭損失

通過分析明渠水力學(xué)可以對(duì)氧化溝的流態(tài)進(jìn)行研究：

Q=vA

(3)

(4)

hf=iL=n2LR3/4v2

(5)

其中，n為溝壁粗糙系數(shù)；Q為溝內(nèi)的流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，其中C=R1/6/n，m1/2/s；v為平均速度，m/s；R為水力的半徑，m；A為水力斷面面積，m2。

2.2.2 局部水頭損失

氧化溝內(nèi)局部水頭損失包含水體循環(huán)一周當(dāng)中的全部損失，比如：渦流阻力等，計(jì)算方式見下式：

(6)

其中，ζ為局部的阻力系數(shù)，它將渦流阻力以及彎道的阻力系數(shù)等囊括在其內(nèi)。

為了使得溝內(nèi)的水和污泥的混合液能夠以一種循環(huán)的方式流動(dòng)，溝內(nèi)的推動(dòng)裝置以及溝內(nèi)的轉(zhuǎn)碟則需要消除局部以及沿程的總水頭損失：

h=∑hf+∑hb

(7)

2.3 導(dǎo)流墻及擋流板

為了確保氧化溝的溝內(nèi)沒有污泥的沉積，使得能量的損失降低，需要在其中安裝擋流板以及導(dǎo)流墻。通常需要將導(dǎo)流墻安裝在氧化溝的彎道位置，保證水流能夠以平穩(wěn)的方式轉(zhuǎn)彎，使得彎道內(nèi)壁所受的沖擊能夠有所降低，進(jìn)而使得這個(gè)污水處理系統(tǒng)損失的能量有所減少，將擋流板設(shè)置在直溝道的轉(zhuǎn)碟附近的位置，以保證橫斷面的流速是均勻分布的[1]。

2.4 分析氧化溝的水力流態(tài)

2.4.1 直溝道水力流動(dòng)狀況

1)轉(zhuǎn)碟處于運(yùn)行狀態(tài)下的直溝道。通過轉(zhuǎn)碟的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致水頭的升高，使得溝內(nèi)有水位差產(chǎn)生，水位差的出現(xiàn)會(huì)保證氧化溝當(dāng)中的污水處于流動(dòng)的狀態(tài)。若溝深較大，就會(huì)經(jīng)過比較長(zhǎng)的直線段以保證流速能夠處于均勻的分布。所以，在轉(zhuǎn)碟之后的一段直溝的底端有很大的可能出現(xiàn)污泥。在實(shí)際工程當(dāng)中，會(huì)將擋流板設(shè)置在轉(zhuǎn)碟的附近，這樣做是希望上層高速水流和下層水流在溝中能夠以一種垂直的方式混合，使溝底部以及溝內(nèi)表面的流速梯度有所下降，進(jìn)而使得充氧效率提高。

2)轉(zhuǎn)碟未運(yùn)行時(shí)的直溝道。在液流經(jīng)過溝內(nèi)轉(zhuǎn)碟的上游和下游處的擋流板的時(shí)候，紊動(dòng)是比較嚴(yán)重的，這就使得溝內(nèi)的橫斷面的流速是均布的，之后液流是會(huì)逐漸的趨于均勻，但不一樣的水深的位置仍然有流速梯度，然而這個(gè)值和前段相比，它的變化范圍是比較小的。

2.4.2 彎道水力流動(dòng)情況

在轉(zhuǎn)彎的過程當(dāng)中，經(jīng)過轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)動(dòng)的高速液流會(huì)在氧化溝的彎道處產(chǎn)生十分強(qiáng)烈的撞擊，這個(gè)時(shí)候在離心力、導(dǎo)流墻產(chǎn)生的引導(dǎo)力以及自身慣性力的作用下，會(huì)導(dǎo)致外壁外側(cè)的流速逐漸增高，而其內(nèi)側(cè)的流速逐漸的降低，導(dǎo)致內(nèi)壁有污泥沉積，在180°的彎道處，因?yàn)橐毫鞯牧鲃?dòng)方向發(fā)生了很大的變化，在橫斷面處產(chǎn)生環(huán)流，進(jìn)而導(dǎo)致螺旋流產(chǎn)生[8]，所以，彎道后端的外側(cè)和內(nèi)側(cè)會(huì)有沉積的污泥。在實(shí)際的工程當(dāng)中，為了使得沉積的污泥減少，將導(dǎo)流墻設(shè)置在氧化溝的轉(zhuǎn)折處，保證水流以穩(wěn)定的速度轉(zhuǎn)彎。在多數(shù)的情況下，在彎道的內(nèi)側(cè)設(shè)置導(dǎo)流墻，以免離開彎道時(shí)中心墻側(cè)的混合液的流動(dòng)速度過低，導(dǎo)致污泥出現(xiàn)下沉[9]。

3 計(jì)算流體力學(xué)建模原理

氧化溝是液體和固體兩相流的反應(yīng)裝置，液相的密度和固體的密度是十分相似的，使用Fluent軟件將流態(tài)簡(jiǎn)化[10]。氧化溝平面見圖1。

3.1 流體流動(dòng)控制方程

數(shù)學(xué)模型采用的控制方程如下：

連續(xù)方程：

(8)

動(dòng)量方程：

(9)

紊動(dòng)動(dòng)能k方程：

(10)

G為產(chǎn)生項(xiàng)，表達(dá)式為：

(11)

紊動(dòng)能耗散率ε方程：

(12)

3.2 邊界條件

3.2.1 曝氣葉輪

在葉片半徑之內(nèi)這個(gè)區(qū)域的流體的流動(dòng)速度和葉輪之間的相對(duì)速度是0。而其他的流體區(qū)域處在靜止坐標(biāo)系[10]。

3.2.2 進(jìn)水口

通過無旋這種假設(shè)以及質(zhì)量守恒定律可以知道，假設(shè)流速是以一種均勻的方式分布的，而在進(jìn)水口的截面處，耗散率、壓力以及紊動(dòng)動(dòng)能也是以一種均勻的方式分布。

3.2.3 出水口

使用溢流這樣的假定，出口壓力等于一個(gè)大氣壓。

3.2.4 自由水面

上部開口的表面是一種自由面，不將水面波動(dòng)考慮在內(nèi)，壓力設(shè)定為大氣壓力值。水面的垂直流動(dòng)速度是0，而其他變量的法向梯度也是0。

3.2.5 底面和固壁面

垂向壁面的水平流速的法向梯度為0；底部壁面的垂向流速的法向梯度為0，使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，滿足壁面質(zhì)量通量為0的條件。

3.3 數(shù)值計(jì)算方法

將方程(8)～方程(12)寫成通用形式：

(13)

通過使用負(fù)坡的線性化原則處理上述的方程源項(xiàng)，進(jìn)而確保穩(wěn)定的數(shù)值解[11]。

4 討論

給定以上方程組邊界條件，利用計(jì)算流體力學(xué)相應(yīng)軟件，對(duì)上述方程進(jìn)行求解[11]。分析耦合的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)各水深的流場(chǎng)圖，在對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)刷之后，進(jìn)入到彎道的第一個(gè)直道當(dāng)中，會(huì)有湍流的現(xiàn)象在水體的表面出現(xiàn)，但是其溝底是比較平緩的。在彎道的位置，在水體的表面和中部之間的位置，也有湍流的現(xiàn)象出現(xiàn)，會(huì)存在相對(duì)比較大的能耗區(qū)，在通過彎道之后，會(huì)有“死角”存在，也就是說水體在水平方向有著比較小的流速，進(jìn)而導(dǎo)致混合液當(dāng)中的活性污泥會(huì)存在一定程度的下沉。

根據(jù)各縱斷面流場(chǎng)圖，在第一個(gè)直段當(dāng)中，因?yàn)闇蟽?nèi)轉(zhuǎn)刷的曝氣的影響，水體在垂直方向會(huì)存在大的流動(dòng)，并且在第二個(gè)直段的垂直流速會(huì)更大。在溝內(nèi)的彎道位置，會(huì)有比較大的垂直的渦流狀況，在這個(gè)直段有著較大的流速損失，靠近中心墻壁處有一回水區(qū)，避免了水中活性污泥過快下沉。

通過對(duì)各種不同工況的模擬，對(duì)氧化溝當(dāng)中的水體流動(dòng)以及混合狀態(tài)進(jìn)行仿真的模擬。對(duì)這種系統(tǒng)當(dāng)中溝道的內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，就可以對(duì)氧化溝的多種工況流場(chǎng)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比多種工況，防止污泥的下沉，對(duì)優(yōu)化氧化溝當(dāng)中的設(shè)備配置，降低工程造價(jià)，節(jié)約運(yùn)行成本有著十分重要的意義[1]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過氧化溝水力計(jì)算分析，模擬計(jì)算氧化溝當(dāng)中的水體流動(dòng)情況，在計(jì)算氧化溝當(dāng)中的水體流場(chǎng)的時(shí)候使用k—ε模型，在分析流場(chǎng)的基礎(chǔ)之上，能夠?qū)蟽?nèi)的紊動(dòng)以及流動(dòng)狀況進(jìn)行更加準(zhǔn)確的分析，還可以判斷當(dāng)中是否有“死角”，以致污泥存在著局部的下沉，提供了一定的參考數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)多種狀態(tài)下的流場(chǎng)進(jìn)行比較精確的預(yù)判，可以對(duì)潛水推流設(shè)備以及表面曝氣機(jī)進(jìn)行有效的整合，在實(shí)際的工藝運(yùn)行以及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中有著十分重要的意義。

[1] 李艷平.改良型氧化溝流體力學(xué)特性與運(yùn)行優(yōu)化控制研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

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Analysis of hydrodynamics and simulation on flow field of oxidation ditch

ZHANG Qi-rong1PU Xiao-jing2

(1.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Limited Liability Company, Wuhan 430023, China;2.Wuhan Real Estate Development Investment Group Limited Company, Wuhan 430022, China)

This paper calculated and analyzed the flow field and hydraulic of oxidation ditch usingk—εturbulence mathematical model, simulated the flow state of oxidation ditch water, based on the analysis on flow field, could effective integration of the unify of both diving pushed converter and surface aerator, and could make optimizing effect to oxidation ditch engineering design, equipment configuration and layout etc.

oxidation ditch, hydraulics, computational hydrodynamics, flow field

1009-6825(2014)36-0177-03

2014-10-17

張杞蓉(1987- )，女，碩士； 普曉晶(1985- )，男，工程師

X703

A