流量變化對機械絮凝池絮凝效果的流場模擬分析

范文飆 曹磊　楊旭

摘 要：文章對機械絮凝池內進水流量分別為1.5m3/h和3.0m3/h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。針對不同流量下流速、湍動能的變化規律導致絮凝反應過程中質量變化和能量交換的相應變化，探索進水流量的合理變化范圍以及相應的最佳攪拌強度，進而優化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、容積及流量變化是導致水流流態發生改變的直接原因[1，2]，這些參數設計不當，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[3，4]。針對絮凝反應池中不同流量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=27rpm，G1=69s-1；第二級攪拌槳：n2=18pm，G2=43s-1；第三級攪拌槳：n3=12rpm，G3=22s-1。

1.2 模擬方案

通過改變絮凝池的進水流量，相應地改變水力停留時間，流量增大停留時間縮短，反之亦然。分別取流量為1.5m3/h和3.0m3/h對不同進水流量的機械絮凝池完成數值模擬。

1.3 模擬條件

本研究利用計算流體力學軟件FLUENT 12.0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

針對流量分別為1.5m3/h、3.0m3/h時絮凝池中豎直平面的速度場變化圖分析如下：

圖2和圖3所示的絮凝池速度場變化圖，流量分別為1.5m3/h和3.0m3/h。圖2和圖3的速度場云圖分布區間基本一致。從圖中可知：當水流量發生變化時，絮凝池中整體的流速分布狀態變化不大，攪拌槳附近的流場變化情況受流量波動的影響很小，在絮凝池中只增加了局部區域的水平方向流速。

表1為進水流量分別為1.5m3/h和3.0m3/h時的湍動能k及湍動耗散率ε的變化規律。從表中可以看出，當進水流量增加時，絮凝池進水口的湍動能k及湍動耗散率ε隨之增大，遠離進水口處的區域湍動能k及湍動耗散率ε的變化不大。這表明，在絮凝反應過程中攪拌槳的攪拌作用是提供湍動能的主要動因，同時，水力停留時間不能太短，以確保絮凝效果。

表1 不同進水流量對絮凝池內平均湍動能、湍動的影響

隨著絮凝池進水流量的增加，在絮凝池進水口處湍動能及湍動耗散率有增加趨勢，在絮凝池的第一級內平均湍動能及湍動耗散率略有增加，在絮凝池的第二、三級反應池內平均湍動能及湍動耗散率未發生明顯變化。由此可見，絮凝時間和機械槳的攪拌作用是影響絮凝效果的關鍵。如果機械絮凝池內流量太大，停留時間過短，攪拌槳水流的攪拌作用不充分，絮體形態不完整，絮凝效果差。因此適當降低進水流量，相應延長水力停留時間，有助于絮凝效果的提高，絮凝反應更充分。

3 結束語

絮凝池中平均瑞動能、耗散率受進水流量的變化影響較小，適當降低進水量，相應延長水力停留時間，使攪拌槳的攪拌作用更充分，有助于絮凝池內湍動能和湍動耗散率的提高，絮體顆粒的碰撞幾率增大，絮凝效果提高。

參考文獻

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