設有擋板的機械絮凝池流場模擬分析

摘 要：文章對機械絮凝池內設置擋板和不設置擋板情況下的三維流場進行數值模擬計算，分析了不同水力學條件下絮凝池的流體變化及流場分布情況。針對方形絮凝反應池四個角的流速、湍動能均較小，在絮凝反應過程中質量變化和能量交換受到極大阻礙，考慮在反應池的池壁上設置擾流擋板，通過改變此區域的流態來改變流速及湍動能，進而改善絮體顆粒間的碰撞和凝聚作用。

關鍵詞：機械絮凝；流場；擋板；fluent模擬

絮凝池的形狀、攪拌槳的轉速、槳板的幾何尺寸及槳板在水中的位置是導致水流流態發生改變的直接原因，這些因素設計不當，會降低絮體顆粒的碰撞幾率，阻礙絮體的形成，甚至導致絮體的破碎。針對絮凝反應池中水流流態的變化規律以及對絮凝反應過程的影響，通過CFD工具Fluent軟件進行三維流場的模擬計算，對復雜的絮凝反應過程進行量化描述和科學闡述，為絮凝工藝優化提供簡單、高效的研究方法。

1 流場模擬方案方法

1.1 機械絮凝池模型

機械絮凝池裝置設計為三級，每級反應池的尺寸為：長×寬×高=500mm×500mm×750mm，設計有效水深為600mm。絮凝池設有一個進水口一個出水口，由前端底部進水，后端頂部出水。平面尺寸如圖1所示。

根據《給排水設計規范》規定，絮凝階段，平均G值一般在20～70s-1，根據絮凝反應的特點，從第一級至第三級逐級遞減。因此，機械絮凝池的三級攪拌槳的轉速分別為：第一級攪拌槳：n1=26rpm，G1=70s-1；第二級攪拌槳：n2=19pm，G2=44s-1；第三級攪拌槳：n3=11rpm，G3=21s-1。

1.2 模擬方案

針對絮凝池內有無擋板的流場進行比較。如圖1所示，在絮凝池的每級反應池內都安裝了4塊規格尺寸相同的擋板，每塊擋板的尺寸設計為長×寬=200mm×25mm。對設有擋板和未設有擋板的絮凝池分別進行流場模擬計算。

1.3 模擬條件

本研究利用計算流體力學軟件FUJENT12.0進行模擬計算，反應池進水口采用均勻水流速度條件，出水口設為自由出流。對于攪拌槳葉與池壁之間的相互作用，采用多重參考系法（MRF），槳葉及其附近區域的流體域定義為運動區域隨槳葉一起轉動，采用旋轉坐標系， 其他區域定義為靜止坐標系，壁面、攪拌軸和攪拌槳設置為固體壁面，界面采用無滑移固壁條件。

2 模擬結果與分析

絮凝池的設計處理能力為Q=1.5m3/h，三級攪拌槳轉速分別為n1=26rpm；n2=19rpm；n3=11rpm。分別對設有擋板的反應池和未設有擋板的反應池進行流場模擬計算。并取距池底300mm的截面進行分析考察，如圖2所示：

方形反應池具有較有效的擾流作用，使槳板與水流間產生有效的相對運動，能夠提高絮體顆粒的碰撞幾率，提高絮體效率。同時方形反應池存在四角處流速小、湍動能低等不足，且此區域易形成死水區，絮體顆粒碰撞幾率小，影響流體的傳質效率，阻礙能量轉換，如圖2、圖4所示。因此，在每級反應池的壁面上設置四塊擋板，如圖1所示，以改善絮凝反應的水力條件。

圖3和圖5分別為設置擋板后反應池距池底300mm處截面的流場圖和湍動能圖。在方形反應池四周池壁上設有擋板，可以有效地改善邊角等死水區的水流狀態，增大此區域的水流流速，使湍動能分布更為合理有效，提高絮體顆粒間的碰撞幾率，改善絮凝效果。

3 結束語

通過對機械絮凝池內設置擋板和不設置擋板情況下的三維流場進行數值模擬計算，分析了不同水力學條件下絮凝池的流體變化及流場分布情況。針對方形絮凝反應池四個角的流速、湍動能均較小，在絮凝反應過程中質量變化和能量交換受到極大阻礙，因此考慮在反應池的池壁上設置擾流擋板，通過改變此區域的流態來改變流速及湍動能，進而改善絮體顆粒間的碰撞和凝聚作用。

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