基于Fluent軟件的往復折流式調質池的特性數值模擬優化設計

張新喜，馮承民，胡旭亮,王 凱，邱 高，王 晨

(1.安徽工業大學建筑工程學院，安徽馬鞍山 243002；2.生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心，安徽馬鞍山 243032;3.井岡山大學建筑工程學院，江西吉安 343009)

以工業廢水為主的處理廠進水水質變化幅度大[1-3]，不僅影響后續生化水處理系統的正常運行，造成污水廠出水水質不能穩定達標[4-6]，還增加了構筑物的基建成本[7-8]。為緩解水質大幅度波動對污水處理工藝的影響，有必要對進水水質進行調節，以滿足高標準的出水水質要求[9]。往復折流式調質池作為一種典型的差程式調質池[10]，對穩定水質、保障后續生物處理系統的正常運行有重要作用[11-13]。

美國學者Nemerow[14]提出了上下折流式調質池的構想，即在空池內插入上下相間的隔板，池側均布配水，但未通過試驗驗證其調質功能。賈寧等[15]發明了一種內部設有導流板的圓柱形調節池，上下交錯的導流板將調節池劃分成兩個調節區，可有效緩解污水負荷，均衡水質，但該設計基本不具備調節作用，只有波動延遲滯后作用。胡旭亮[16]建立了包含結構參數的往復折流池、穿孔異側折流池和穿孔同側折流池的數學模型，并導出了隨進水沖擊負荷變化的結構化方程，但其研究中的水質沖擊負荷變化為單次沖擊，僅有一個波峰，不能適用于現實連續變化水質波動情況。唐勝衛等[17]將往復折流式調質池應用于馬鋼焦化廢水處理系統中，將原來的單段進水改為多段進水，進水CODCr質量濃度波動幅度為500 mg/L左右時，出水CODCr質量濃度波動幅度降為200 mg/L左右，波峰個數由6個降為1個，進一步發揮了調質池的調質功能，但由于連續流進水下調質池性能研究的不完善，調質性能的評價仍停留在定性描述階段，阻礙了其結構優化設計及實際工程應用。

在工業廢水處理中，進水的水質水量均根據用戶特性隨時間呈現不同幅度、不同類型的波動變化[18]。靜賀等[19]將污水處理廠進水的水質水量看成信號流，利用信號處理研究水質水量隨時間變化的規律，發現污水廠進水的水量波動存在周期性變化，繪制的波動圖形類似正弦曲線和矩形波曲線，并且水量的波動變化和水質指標之間存在著明顯的關聯性。張新喜等[20]對某焦化廢水廠調節池的進水特征進行連續169 d的檢測，發現進水水質波動的漸變和突變的過程可以用正弦函數和階躍函數描述，同時發現調質池的進水波動大，其出水隨進水變化而變化，呈現較大的波動性。因此，有必要在現有研究基礎上研究連續流進水水質波動條件下往復折流式調質池的調質機理，完善往復折流式調質池理論研究。

計算流體力學(CFD)作為一種可靠的流體模擬軟件，因其較好的網格能力、精確性、可靠性、并行能力和后處理被廣泛應用于水處理領域的科學研究[21-22]。時賢[23]通過建立輔流式二沉池的兩相流模型，模擬不同結構參數工況點下二沉池的沉淀效果并用Wells試驗(在一個實際運行的輻流式沉淀池進行)進行驗證，確定了二沉池最佳運行流速，并發現在池中設置水平擾流板可以有效減少回流區面積。Craig等[24]運用CFD軟件研究厭氧消化池污泥消化混合性能。Alvarado等[25]模擬了不同數目通風口條件下的穩定塘的速度云圖，確定最佳通風口數，保證穩定塘的氧氣充分利用。王一丁等[26]對兩種不同配水方式的污水生物處理池進行模擬，發現小流速多孔配水比大流速過水洞配水的死水區小，入口水流對流場影響也更小。因此，可將該軟件用于模擬連續流進水條件下往復折流式調質池的流體運動過程，研究水流流動過程中水流流態及不同水質間的混合情況。

本文將以往復折流池為研究對象，通過Gambit對調質池進行三維建模，并利用CFD軟件對影響往復折流式調質池調質效果的進水波動周期和進水段數進行數值模擬，分析其在調質池內的流場分布特征。結合模擬所得進出水濃度變化對其調質性能做出定量評價，并分析各參數在調質過程中的規律分布，為實際工程中往復折流式調質池的優化設計和工程應用提供理論依據。

1 往復折流式調質池數學模型

往復折流式調質池的進水條件設為清水和示蹤劑兩相流，Fluent軟件中的Mixture模型適合模擬不同速度的多相流，第二相所占比例較少且流動中有相的混合或分離，與往復折流式調質池的進水條件吻合。因此，文中選用Mixture模型，清水被設為主相，示蹤劑被設為第二相。

1.1 前處理幾何模型

選擇往復折流式調質池作為研究對象，利用Gambit創建往復折流式調質池幾何模型。最終確定模型調質池外形尺寸L×B×H=12 500 mm×600 mm×500 mm，其中有效水深為400 mm，有效容積為0.3×109mm3。池壁固定15個隔板，每個隔板厚度為6 mm，隔板長度為550 mm，隔板與池壁的距離為50 mm。池兩側各設有8個進水管，進水管直徑為25 mm，出水端設有1個出水管，出水管直徑為25 mm。最終建立幾何模型如圖1所示。

圖1 往復折流式調質池幾何模型示意圖

利用Gambit對幾何體按照線、面、體的順序依次對其進行網格劃分：進水管道部分的線網格間距為5 mm，池體出水管道部分的線網格間距為5 mm，池體部分的線網格間距為20 mm；面網格的劃分，所用面網格為非結構化四邊形平鋪網格，網格間距與線網格相同；體網格的劃分采用Tet/Hybrid，網格主要以四面體網格為主，網格間距與線網格、面網格相同。所生成的網格如圖2所示。

1.2 數學計算過程

1.2.1 控制方程

Mixture多相流模型的連續性方程如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

其中：ρm——混合物的密度；

αi——第i相的體積分數；

ρi——第i相的密度；

t——時間。

動量方程如式(4)～式(6)。

(4)

(5)

(6)

其中：p——靜壓；

μm——混合物的動力黏度；

μ2——第二相的動力黏度；

T——作用力持續時間；

由第二相連續性方程可推導出第二相體積分數方程，如式(7)。

(7)

標準湍流方程如式(8)～式(9)。

Gk+Gb-ρε-YM+Φk

(8)

(9)

其中：ρ——密度；

k——湍動能；

xi——坐標分量；

ui——時均速度；

μ——動力黏度；

μt——湍動黏度；

σk——常數，取1.0；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能產生的影響；

Gb——由浮力影響引起的湍動能產生的影響；

ε——湍動能耗散率；

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

Φk——湍動能的通用變量；

σε——常數，取1.3；

C1ε——常數，取1.44；

C2ε——常數，取1.92；

C3ε——常數，取0.09；

Φε——耗散率的通用變量。

1.2.2 選擇求解器及參數設置

選用基于壓力求解器進行瞬態模擬，并添加重力項。主相清水和第二相示蹤劑均為不可壓縮。水流在往復折流式調質池內流動過程中，速度分量隨著時間而改變，因而選用非定常流動(unsteady)。求解方法基于SIMPLE壓力速度耦合算法，動量方程、湍流動能、湍流耗散率均選用一階迎風格式進行計算。

1.2.3 邊界條件和初始條件

邊界條件的劃分包括進水邊界、內部邊界、墻體以及出水邊界。進水管的橫截面設置為進水面，進水方式設置為質量流量進水(mass-flow-inlet)，進水濃度波動函數是周期為60 min的矩形波函數，將清水作為恒定流進水，清水的質量流量為0.080 0 kg/s，示蹤劑的進水流量利用UDF即用戶自定義函數自行編譯作為進水參數，示蹤劑最大質量流量為0.002 7 kg/s，最小質量流量為0.001 6 kg/s。進水管末端橫截面即進水管的出水面，同時也是池體的進水面，該處設置為interface，被認為是進水管內流體與池體中流體相重合的部分，是介質界面。出水管末端橫截面設置為自由出流(outflow)，自由出流邊界適用于出水口速度未知的情形，與本模擬情況相符。調質池池壁和池底自動設為固定壁面(wall)。選擇標準初始化，初始調質池中示蹤劑的體積分數設為0，認為0時刻池內充滿清水。各項殘差均設為1.0×10-5。

1.3 調質性能評價方法

調質池的調質效果可以對比進出水特性曲線進行定性評價，但是定性評價不能對比不同調質池、不同進水參數的調質池的調質性能。張新喜等[27]提出了一種可以直接評價調質池調質性能優劣的量化評價方法，定義調質功能系數Z值，對調質池的調質功能進行量化評價。如式(10)，該方法主要需要獲取一定數量的進出水水質濃度值，通過進出水水質濃度的標準差來計算Z值，Z值越接近于1說明調質池的調質性能越好，越接近于0說明調質功能越差。

(10)

其中：σi——調質池進水質量濃度標準差，kg/m3；

σo——調質池出水質量濃度標準差，kg/m3。

該評價方法建立了進水水質與出水水質之間的聯系，可直觀判斷調質池的調質性能，也可直觀進行不同進水參數下調質池調質性能優劣的對比，為調質池的機理研究、結構改造、優化設計提供了科學依據。因此，本文選用該評價方法對不同結構參數下往復折流式調質池的調質效果進行量化評價。

2 驗證試驗裝置及試驗方法

2.1 試驗裝置

圖3為實驗室試驗裝置示意圖。試驗過程中，水質波動發生器產生進水濃度呈矩形波的水流，往復折流式調質池對來水進行調質，分光光度計用于測定調質池出水示蹤劑溶液的吸光度。

圖3 試驗裝置示意圖

圖4為往復折流式調質池試驗裝置，調質池模型由有機玻璃制作而成，外形尺寸L×B×H=125 cm×60 cm×50 cm。有效水深為40 cm，有效容積為0.3×106cm3，池中按池長方向設置15道插槽，插槽厚度為0.6 cm，隔板長55 cm，與池壁間的距離為5 cm，有效過水寬度為7.8 cm。調質池進水采用均布進水方式，出水采用溢流堰出水。該池單側有8個進水管，每個進水口前有兩個閥門，分別用于控制開關和水量，通過控制閥門來改變進水段數。

圖4 往復折流式調質池試驗裝置圖

2.2 試驗方法

試驗選取清水和示蹤劑(紅墨水，上海英雄<集團>有限公司，中國)作為試驗介質，通過水質波動發生器將流量穩定的清水和出流流量呈周期性變化的示蹤劑混合，產生示蹤劑濃度波動變化符合進水波動周期為120 min矩形波的出水水流，示蹤劑質量濃度為10 000 mg/L。矩形波波峰時流量為0.749 0 L/h，質量濃度為326 mg/L；波谷時流量為0.444 0 L/h，質量濃度為196 mg/L。水質波動發生器的出水流至往復折流式調質池，調節調質池的閥門，以兩段進水為例，打開兩個進水口的開閉閥門，關閉其他進水口閥門，調節流量閥門使兩個進水口出水流量相同。待調質池穩定出水后，每隔4 min對出水進行人工取樣，利用分光光度計測定出水水樣吸光度，共測量兩個周期，將數據記錄在試驗表格中。

2.3 試驗分組

為檢驗Fluent中所選模型對往復折流式調質池數值模擬的準確性，設計以下8組進水段數不同的矩形波試驗，比較試驗結果與Fluent模擬結果的吻合度。具體試驗分組如表1所示。

表1 往復折流式調質池試驗分組

3 驗證試驗與數值模擬結果分析

3.1 驗證試驗結果分析

對進水波動周期為120 min的矩形波進水下的往復折流式調質池進行試驗，更改進水段數為1～8段，不同進水段數的試驗出水濃度變化曲線與Fluent數值模擬的進出水濃度變化曲線如圖5所示。

圖5 不同進水段數下往復折流式調質池的試驗結果

由圖5可知，在進水波動周期均為120 min的條件下，進水段數由1段增至8段，往復折流式調質池的試驗出水濃度曲線與Fluent模擬所得的出水濃度曲線吻合度均較高。相比于試驗過程，數值模擬過程并未考慮到示蹤劑在清水中的擴散作用，根據菲克定律[28]，事故沖擊的高濃度進水使得往復折流式調質池內擴散通量增大，導致試驗出水濃度與數值模擬結果存在一定的偏差，但總體變化趨勢相同，說明了該數值模擬方法能夠比較準確地反映往復折流式調質池的調質變化規律，可以利用該數值模擬方法對往復折流式調質池的調質特性進行深入研究。

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 進水段數對調質功能的影響

以往復折流式調質池為模型，模擬進水段數為2段、8段、16段時往復折流池的流場變化，模擬時長共計6 h。從調質池中截取y=340 mm截面，利用Fluent軟件的playback功能，顯示出模擬時長為1、2、3 h和4 h的往復折流池的濃度云圖，如圖6～圖8所示。4 h后往復折流池內部水質混合均勻，與4 h時的云圖沒有太大差別。

由圖6～圖8可知，往復折流池模擬前池內充滿清水，池內濃度均為0，濃度云圖中顯示為藍色。模擬開始后，示蹤劑流量呈周期為60 min的矩形波變化進入往復折流池，圖中顏色變化反映了示蹤劑濃度變化。往復折流池水流沿著隔板向前推流，在隔板末端與池壁的空隙處大部分水流反向繼續推流，部分水流則反向在廊道內回流。由圖6可知，模擬4 h后，2段進水往復折流池不同廊道內既有綠色區域、黃色區域，又有紅色區域，顏色相差大且分布不均，表明水質沒有混合均勻。由圖7可知，模擬4 h后8段進水往復折流池各廊道顏色相近，說明各廊道內水質穩定，此時進水水質波動對出水口水質的影響變小。由圖8可知，16段進水時進水口流量變小，停留時間變長，模擬5 h后池內水質穩定，各廊道均為淺黃色，說明池內各廊道濃度相差較小，調質效果最好。

注：圖中數值為兩相占比，下同

圖7 8段進水往復折流式調質池濃度云圖

圖8 16段進水往復折流式調質池濃度云圖

為進一步了解不同進水波動周期下進水段數對往復折流式調質池調質性能的影響，檢測往復折流式調質池在不同進水段數、不同水質波動周期下的進出水濃度變化，從而計算出不同進水段數、不同水質波動周期下往復折流式調質池的調質功能系數Z值。

圖9為不同進水波動周期的情況下Z值隨進水段數變化的情況。可以看出，進水段數從2段增至16段，各進水波動周期下往復折流式調質池的Z值總體呈先快速增大、后出現減小趨勢。當進水段數由2段增至14段，調質池Z值快速增大，由0.80、0.78、0.77、0.68、0.58、0.49分別增大至0.86、0.86、0.83、0.84、0.84、0.84，此時的Z值最高。通過縱向對比可知，隨著進水段數的增加，不同進水波動周期的調質池Z值的差距逐漸減小，在進水段數為14段的情況下，各進水波動周期的調質池Z值均較為接近。當進水段數從14段增至16段時，往復折流式調質池的Z值出現減小。

圖9 不同進水波動周期下Z值與進水段數的關系

3.2.2 進水波動周期對調質功能的影響

以往復折流式調質池為模型，選取進水段數為2段，模擬進水波動周期為66、75、86、100 min和120 min時往復折流式調質池的流場變化，模擬時長為6 h。從調質池截取y=340 mm截面，通過Fluent的playback功能，顯示出模擬時長為4 h的往復折流池的濃度云圖，如圖10所示。可以看出，進水段數為2段時，進水波動周期從66 min增至120 min，模擬4 h后往復折流式調質池不同廊道內顏色相差增大，表明水質混合效果隨進水波動周期的增大而降低。可初步推斷，相同進水段數下，進水波動周期增大，往復折流式調質池的Z值減小。

圖11為不同進水段數的往復折流式調質池的Z值隨進水波動周期的變化情況。可以看出，當進水段數小于14時，Z值隨進水波動周期的變化而改變的范圍相對較大，當進水段數為14和16時，Z值隨進水波動周期的變化差距拉小。說明在進水段數較大的情況下，進水波動周期對往復折流式調質池的Z值影響較弱。當進水段數小于14時，Z值隨著進水波動周期的增大而減小；當進水段數為14和16時，Z值隨進水波動周期的增大而減小，當進水波動周期逐漸增大至大于75 min后，Z值隨進水波動周期的增加而基本保持穩定。在工程應用中，當進水水質波動周期發生變化時，可根據Z-T曲線圖尋找調質效果最優的進水段數，最大化地發揮往復式折流調質池的調質功能。

圖11 不同進水段數下Z-T關系曲線

4 結論

(1)往復折流式調質池的進水段數由2段增至14段時Z值不斷增大，14段增至16段時Z值出現減小，進水段數為14段時的Z值最高，調質效果最好，表明增加進水段數可降低調質池的出水CODCr濃度波動，是提高往復折流式調質池調質效果的有效途徑。

(2)進水波動周期對Z值的影響較為顯著，往復折流式調質池的Z值隨進水波動周期的增大而減小，兩者呈現負相關的關系。此外，Z-T圖顯示不同進水波動周期均存在調質效果最優的進水段數，為工程設計和運行調控中應對不同進水波動周期的進水選擇最優進水段數提供了理論支撐。