雨水調蓄池中雙曲面攪拌機數值計算和工作特性研究*

孫 斌，王月萍，吳天福，陳 譽，王秋景

（1.中冶華天工程技術有限公司水環境技術研究院，安徽 馬鞍山 243000；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098）

雨水調蓄池作為設置在管網末端截留初期雨水、降低面源污染的有效措施，已成功應用于我國上海、廣州等城市。調蓄池在使用后底部不可避免地會出現污染物沉積，必須采取措施對其清洗。通常采用的措施有人工清理、噴射器沖洗、拍門沖洗等，這些措施有的危險性大，有的能耗高，有的初期成本高，各有不足[1]，若采用攪拌沖洗則可較好地解決該問題。攪拌機作為攪拌沖洗的核心部件，其工作特性對沖洗效果有至關重要的影響。目前，一種雙曲面攪拌機被廣泛應用于環保、化工、能源、輕工等行業需要進行固液兩相或固液氣三相攪拌混合的場合，尤其適用于污水處理工藝中的混凝池、調節池、厭氧池、硝化和反硝化池[2-3]。該裝置葉輪體上表面為雙曲線母線繞葉輪體軸線旋轉形成的雙曲面結構，旋轉帶動流體水平旋流、上下環流，從而達到攪拌混合的作用。立軸式的雙曲面攪拌機適合于調蓄池的結構型式及工況特征。

目前，雙曲面攪拌機的應用設計多依賴于實測數據及工程師經驗，存在設計周期長、測試耗費大、數據精度不高的問題。隨著計算機技術的高速發展，采用數值模擬，即計算流體力學方法（CFD）則能較好地彌補傳統研究手段的不足。彭珍珍等[4]采用多種參考系法（MRF）針對某雙曲面攪拌機進行了數值模擬，獲得了攪拌槽內水體的流動特征并增設了導流板對其進行優化。Pinho F T等[5-7]計算了某雙曲面攪拌機流場速度分布，研究了攪拌池內湍動能規律以及攪拌下顆粒物的懸浮狀態。陳斌[8]等采用兩相流模型對某二次沉淀池進行了計算，得到了其污泥分布規律進而指導設備選型。

文章針對某雨水調蓄池應用雙曲面攪拌機的實例，對單個攪拌機和攪拌機陣列的工作性能分別進行了全流域三維數值計算分析，得到了流場分布與流動特性，指導了攪拌機的選型設計。

1 工程條件及模型結構

某水環境綜合治理項目中一調蓄池為地下水池，長44m，寬14.5m，設計容量水深5m，其中每隔5m設置一根0.5m直徑的支撐柱。該調蓄池雨天時截留初期雨水，待降水停止后，將截留的初雨污水送至污水處理廠進行處理。在調蓄及外排過程中，根據現場具體條件，開啟攪拌機對水體攪拌，參考《室外排水設計規范》（GB 50014-2006）中對氧化溝中水體流速的規范要求，需保證池中水體流速達到0.25m/s，避免污染物沉積影響調蓄池運行[9]。初步設計擬選擇QSJ-2500型雙曲面攪拌機布置于池中，設備模型如圖1所示，設備參數如表1所示。該型號攪拌機匹配不同的減速機共有3種功率轉速，擬通過數值計算合理選擇轉速和功率確定布置型式，并優化設計方案。

圖1 QSJ-2500型雙曲面攪拌機

表1 攪拌機參數表

2 網格劃分及數值計算方法

根據調蓄池幾何特征，可將其分為3個區域，如圖2所示，分別布置3臺雙曲面攪拌機，每臺需保證15m×15m的服務面積。由于整個池子尺寸較大，而且3個區域流動特征較為相似，擬單獨建立一長寬高為15m×15m×5m的測試水池，分別計算30r/min、35r/min、40r/min 3種轉速下攪拌機的工作性能。根據計算結果選擇適合的運行轉速，再建立調蓄池整體的計算模型，驗證攪拌機在調蓄池中的攪拌能力。

圖2 調蓄池三維視圖

參考設計規范，以水作為介質，測試水池充滿水，作為數值計算的流體區域。網格劃分采取全結構網格，如圖3所示，葉輪旋轉域網格精度在0.5以上，靜止區域網格精度在0.8以上，動靜之間采用多重參考系法（MRF）和交界面進行處理以實現數據的插值和傳遞。測試水池壁面采用標準壁面邊界，水體表面采用對稱邊界處理。

圖3 攪拌機葉輪網格

動量基本控制方程為時均N-S方程，湍流模型采用標準k-ε方程以封閉控制方程組，對流場進行三維定常計算，具體方程如下[10]：

3 結果分析

3.1 測試水池流態分析

在15m×15m×5m的測試水池中，對攪拌機30r/min、35r/min、40r/min 3種轉速工況進行了計算，取得了測試水池的流場分布。測試水池模型如圖4所示。攪拌機的旋轉特性決定了池內水體的流速，而水池底部平面的流速分布以及水池垂直方向上的淺層旋渦則直接影響水池底部污泥是否出現沉積。3種轉速下測試水池距池底0.1m處平面流速云圖如圖5～7所示，實線為0.25m/s速度等值線，所框區域即速度滿足規范要求的部分。對比可以看出，在30r/min轉速下水池底部平均流速達到0.304m/s，但近壁面區域速度較低，低于0.2m/s不能滿足所要求的攪拌流速；35r/min轉速下水池底部平面平均流速增大到了0.355m/s，0.25m/s流速以上覆蓋區域約占總平面的89%，池底四角因存在壁面碰撞而產生流動死角；在40r/min轉速下，底部平面平均流速可達0.407m/s，高于0.25m/s流速區域覆蓋率為91.5%，比35r/min轉速工況提高2.5個百分點。

圖4 測試水池模型

對比圖6和圖7可以看出，轉速由35r/min提高至40r/min，0.3m/s流速覆蓋區域面積基本沒有變化，底部中心區域的流速明顯增大，說明轉速的提高增大了池底的速度梯度，但低流速區的形成是由水池壁面導致，并非是由于攪拌機功率不足。隨著轉速的提高，轉矩增大，軸功率也隨之增大。攪拌機軸功率表如表2所示。綜上所述，選擇轉速為35r/min可以滿足15m×15m的服務面積，并具備較好的運行經濟性。

3.2 調蓄池計算分析

圖5 30r/min下水池底部（0.1m）速度云圖

圖6 35r/min下水池底部（0.1m）速度云圖

圖7 40r/min下水池底部（0.1m）速度云圖A

表2 攪拌機軸功率表

根據上述計算結果，選取3臺雙曲面攪拌機分別布置于調蓄池3個區域中心（即圖1中①②③），安裝高度為距池底0.6m，以35r/min的轉速運行，對整個區域進行三維定常計算，得到調蓄池內水體的流動特征。速度云圖如圖8所示，池底平面平均流速達到了0.331m/s，比測試水池略低，這是因為池中支撐柱對水體有一定阻流作用，而且三區域間流體攪拌相互碰撞會造成一定的水力損失。從圖中可以看出，池底速度均勻，大部分區域流速達到規范要求的0.25m/s，可以滿足工程需要。

調蓄池內部三維流線圖如圖9所示。從圖中可以看出，攪拌機葉輪附近速度最大，其次則為調蓄池底部。流線從攪拌機葉輪邊緣呈輻射狀向四周發散，撞擊水池邊壁后，改變速度方向，沿壁面向上運動，最后從水面向下回到攪拌機葉輪處，形成一個水平旋流、上下環流的流動循環。攪拌機通過旋轉將旋轉機械能轉換為流體的湍動能，水池底部沉積物由于流體黏性作用而隨水體運動，因而可以克服自身重力，從而達到攪拌、混合、沖洗的目的。同時也可以看出，本次選型選擇的雙曲面攪拌機的攪拌流場具有很好的流動對稱性，為將來在調蓄池中加裝導流裝置提供了較好的流動基礎。

4 結論與展望

本研究對安裝在調蓄池中的雙曲面攪拌機進行三維數值模擬，得到流場特性和相關數值報告。對單個攪拌機的數值計算確定了合適的工作轉速為35r/min。通過對全局流場的數值計算得到，采用3臺葉輪直徑2.5m的雙曲面攪拌機，均勻布置于調蓄池中，以35r/min轉速運行，具有較好的混合沖洗效果，滿足工程實例的要求。說明雙曲面攪拌機的結構型式和近池底的安裝型式，能夠形成均勻的推流攪拌流場，適合于雨水調蓄池的沖洗工況。

本實例中對于池底四角以及兩區域間流體碰撞造成的局部水力損失，可通過設置圓角導流、加裝導流裝置的方式嘗試解決，可在后續的研究中繼續探討。

圖8 調蓄池底部（距池底0.1m）平面速度云圖

圖9 調蓄池內部三維流線圖