懸浮物清除系統的射流器兩相紊流數值模擬研究

白庭河 楊曉霖

（1.中國石油蘭州石化公司；2.蘭州理工大學石油化工學院）

通過分析調研我國目前工業企業技術狀況可知，傳統水處理廠沉淀池池底的淤泥是在放空沉淀池中的水后，利用機械設備或人工挖出的方式清除的。 這種清除方法需中斷沉淀池的運行，且費用較高［1～5］。

為此，筆者提出了一套新型的沉淀池清污技術， 基本思路是在沉淀池池底布設射流噴嘴，攪動池底的淤泥后，利用泥漿泵將高濃度的泥砂從池底抽出，送入過濾罐分離泥砂與水分，這種技術可實現連續生產并降低了清污成本。 清污系統的核心部分是噴嘴和吸收管，系統工作時一方面要求淤泥在池底能被充分攪動，使淤泥能被吸收管抽走；另一方面要求攪動不能過大，以免影響到上層水質。 因而，精確控制噴嘴和吸收管的參數是系統能否高效運行的關鍵。

1 水系統懸浮物清除系統

針對水系統的懸浮物性質，充分考慮懸浮物的黏著性、沉降速率、密度和流動性對懸浮物流體力學性能的影響，設計清理噴掃器、懸浮物吸收管等關鍵設備，其流體力學性能必須滿足以下4個方面的要求： 保證懸浮物清除系統的流體力學特性能夠滿足高效率清除的原則；保證開發的懸浮物清除系統在線運行過程中確保對水系統的出水水質不產生或僅產生非常微小的影響；保證能夠清除干凈工業生產運行系統所含的懸浮物， 而不會有大量的水通過清除系統增加其負荷，降低懸浮物清除的效率；要考慮懸浮物流動過程中所需要的最小水量要求，使懸浮物在清除系統流動通暢， 不會出現懸浮物沉積堵塞的情況。

1.2 水清污系統工藝流程

如圖1所示， 新型沉淀池清污系統由射流噴嘴、吸收管、泥漿泵過濾罐及附屬管線組成。 清污系統需要在實現連續生產的同時使懸浮物能被充分攪動，又不會因攪動能過大而影響最上層主流場的流動特性和水質。 因此，精確計算噴嘴、吸收管的各部分運行參數是該清污系統設計的關鍵，水清污系統及其核心部件的工藝流程圖分別如圖1a、b所示。

圖1 水清污系統工藝流程圖

流體力學中判斷流動是層流還是湍流，需計算雷諾數是否超過了臨界雷諾數。 對于射流流場，目前學術界普遍認為Re≤30時的射流流場是比較理想化、平緩的層流流場。 雷諾數Re計算公式如下：

式中 L——流場特征長度；

V——截面的平均速度；

ν——黏度系數。

2 數值計算及結果分析

2.1 計算模型

實驗系統由水箱、射流管、吸收管、流體輸送及測量系統組成。 具體參數見表1。

表1 實驗系統零部件基本參數

水系統中所含懸浮物物理性能參數如下：

粒徑D 0.085～0.095 μm

體積濃度 20～40 mg/L

密度ρ 950 kg/m3

pH值 7～9

數值模擬根據具體情況在上述范圍內取值，保證盡可能準確地反映實際情況。

本研究使用ProE進行實體建模，并采用ICEM對模型進行網格劃分， 計算區域和網格如圖2、3所示。 總計劃分565萬個網格，并進行了網格無關性檢查。 為研究射流器和吸收管之間所形成流場的準確性和對周圍流場的影響，按清污系統不同的運行工況選擇運行范圍， 數值計算條件與PIV流場測量實驗條件一致。在CFD計算模型系統中，x軸方向與噴咀噴射方向一致。

圖2 單個射流器內部流場計算區域和網格圖

圖3 多個射流器外部流場計算區域和網格圖

2.2 邊界條件及控制方程

入口處采用速度進口邊界條件［2～4］；出口處采用自然出流（outflow）邊界條件［3，4］。

以固液兩相流為介質進行數值模擬時， 根據具體情況選用歐拉湍流模型中的分散湍流模型［5］，其中，控制方程采用標準k-ε模型進行計算［6］，相關系 數 取 值 為Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。 在保證計算精度的前提下盡可能節省計算時間，對流項的離散采用一階迎風格式，耗散項采用中心差分格式， 設定收斂精度為10-5；壓強-速度方程的迭代求解采用SIMPLE算法。

2.3 數值模擬結果及分析

采用流體動力學方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）進行數值模擬，得出循環水池水平面和豎直面上的速度分布如圖4a、b所示。 由圖4b可看出，水池沿垂直于池底從頂面到底面流動的污水出現了流動分層，最上層為層流，中下層為紊流及湍流。

圖4 水平面和豎直面上的速度分布

射流吹掃器所產生的流場渦旋沿射流方向，從射流吹掃器出口到對應的吸管吸口之間距離的2/3處出現流場波峰，說明懸浮物清掃系統的射流吹掃器對此波峰之上的系統沒有影響，完全滿足污泥清掃系統在線運行過程中對出水不造成影響的要求。

該流體介質以兩相流為介質進行模擬，固體顆粒的密度大于水的密度，所以下層一般為沉淀的混合液體，而上層為清水，滿足循環用水的需求， 中下層正是利用了噴管和吸管相互作用，清理出了沉淀液，再經過過濾器進行處理，通過這樣循環系統的工作達到了循環清污的目的。

3 PIV實驗測試驗證

3.1 PIV測速系統實驗裝置

實驗裝置由離子圖像測速技術（Particle Imaging Velocimetry，PIV）測速系統和實驗系統兩部分組成（圖5）。 實驗設備參數見表2。

表2 實驗設備參數

圖5 實驗設備圖

PIV測速系統由光路成像系統、 圖像記錄系統和數字圖像分析顯示系統幾個子系統組成［7］。

光路成像系統。 實驗中采用2臺YAG激光器，激光器工作頻率為15～200 Hz，激光波長532 nm，激光束直徑5 mm，脈沖寬度3.5 ns。 每個脈沖最大能量為200 mJ，2臺激光器脈沖時間間隔的調整范圍均為200～0.1 ns，可以滿足其從低速到高速流動的測量要求。

圖像記錄系統。 CCD的分辨率為2048×2048像素，采集速度為7.5 幀/s，結合了跨幀技術和數據矩陣快速傳輸技術。 CCD的2次曝光時間分別為250、125 μs。 實驗采用1個球面鏡和1個柱面鏡組成的光學組件，將激光變為所需要的片光。 在CCD的采集區域內， 片光源的厚度約為1.0 mm，采集區域大小約為300 mm×300 mm。

數字圖像分析顯示系統。 實驗中PIV測速系統的控制和圖像分析由Insight6.0軟件實現，其工作平臺是Windows NT。

3.2 PIV測速系統結構

為了保證驗證結果的準確性，實驗系統中模擬沉淀池的水箱尺寸和數值模擬的尺寸一致，沿長度方向的兩個側面和底面使用玻璃材料， 用于PIV測速［8，9］。 寬度方向的兩個側面采用鋼板，便于進出水管的焊接固定。 同樣，噴射管與吸收管均采用與數值模擬時相同的參數［10，11］。 吸收孔與噴嘴安裝在同一水平面上，管中心線距池底距離為200 mm。

3.3 示蹤粒子的選擇

實際條件下，懸浮物由直徑大小不等的顆粒組成。 根據工業統計分析的結果，懸浮物的粒徑主要集中在80～100 μm。 分析水中顆粒的受力可知，顆粒受到流體力（包括摩擦力及壓差阻力）FD和重力mg兩個作用力。

流體力FD可由下式計算：

其中，A為顆粒的迎風面積，ρ為流體密度，V為顆粒速度，CD為阻力系數，是Re的函數，當雷諾數Re＞1000后可視為CD與Re無關， 本實驗滿足雷諾數大于1 000的條件。

考慮到實驗目的是研究懸浮物顆粒在水中的速度分布狀態，故根據相似理論的動力學相似原則確定實驗系統參數，保證實驗中示蹤粒子的受力等于實際條件下顆粒的受力。

設懸浮物顆粒在實際流體中的流體阻力為FD，示蹤粒子在實驗流體中的流體阻力為FD′。 由流阻計算式（2）可推得：

其中，rs、ri分別為懸浮物顆粒半徑與示蹤粒子半徑；ρfs、ρfi分別為實際流體密度與實驗流體密度。

設懸浮物顆粒重量為Mg， 示蹤粒子重量為mg。若要滿足懸浮物顆粒重量與示蹤粒子重量相等的條件，則顆粒密度與半徑應滿足：

其中，ρps、ρpi分別為懸浮物顆粒密度與示蹤粒子密度。

聯立式（3）、（4），可得到密度條件的滿足式：

式（5）反映了顆粒密度與流體密度之間的關系。 由于實驗中不易保證懸浮物密度與示蹤粒子的密度相等，因此采用改變流體密度的方式以滿足式（5）。

3.4 單噴嘴作用下射流流場及渦量場

圖6為單噴嘴作用下射流流場， 從圖中可看出，流體自噴嘴噴出后以約25°的角度擴散開。 這個角度與噴嘴的混合管相同，流體的縱向速度遠小于軸向速度。 這一測量結果與水下淹沒射流的研究結論一致，在水下淹沒射流中射流邊界基本上為一直線。

圖6 單噴嘴作用下射流流場

以Re=40000為例，從圖7可看出，以約2 m/s的速度從噴嘴噴出的流體速度很快上升到最大約8 m/s后開始下降。 速度下降過程分為兩個階段，在距離噴嘴0.05～0.10 m的范圍內為快速下降過程，隨后進入速度平穩下降的階段。 當距離噴嘴0.50 m時軸線上流體的速度約為0.3 m/s。 而當Re=12000時，在距離噴嘴0.25 m處軸線上流體速度接近0.1 m/s。

圖7 噴嘴在不同雷諾數下軸向速度分布圖

將3條曲線自0.10～0.50 m區間的數據類比于水下淹沒射流軸向速度公式回歸可得：

式中 u0——噴口出流速度；

um——軸向速度。

從圖8可看出， 離噴嘴距離越遠流速下降得越快，當Re=12000時，噴嘴軸線上（即z=0）速度為0.55 m/s， 而當距離噴嘴中心1.0 m的深度 （即z=1.0 m）時，水流速度衰減為0.09 m/s。 受到池底壁面的影響，水流不再呈現出軸對稱的形式。 當水深位于1.0 m以上的區域時，流速小于0.10 m/s。

圖8 在x=0.6 m處，不同Re下沿深度z方向速度分布

實驗中通過改變噴嘴和吸收口的數量、安裝相對位置的方式來改變噴嘴及吸收口各自之間的相對位置。 實驗測定了1個射流吹掃器對應兩個吸口之間的流場分布、3個射流吹掃器對應6個吸口的流場分布、12個射流吹掃器對應24個吸口的流場分布，從而確定最佳的噴嘴與噴嘴之間的距離為200 mm。

3.5 12個噴嘴作用下射流流場及渦量場

從PIV測試結果看，3種工況下的流場分布比較類似，文中僅給出12個射流吹掃器對應24個吸口的流場分布，如圖9所示。

圖9 水平分布位置云圖和速度云圖

當噴射口流速為2.2 m/s、吸入口流速為1.3 m/s時，噴嘴水平面處的渦量云圖與速度矢量圖如圖10所示。 可以看出，射流吹掃器的水平平面內各射流吹掃器與射流吹掃器之間的擾動和射流吹掃器之間的距離準確性。 結合圖9、10可以得出，全部射流吹掃器所產生的流場渦旋相互連接，說明整個系統運行過程中每個射流吹掃器之間在水平平面沒有間隙，滿足懸浮物清掃系統將懸浮物攪起沿射流方向流動的要求。

圖10 垂直渦旋云圖

由數值模擬的圖4和PIV流場測試的圖9、10可以得出，全系統運行過程中射流吹掃器所產生的流場沿射流方向，從射流吹掃器出口到對應的吸管吸口之間距離的2/3處出現流場波峰，射流吹掃器所產生的流場與射流吹掃器CFD流場模擬一致，進一步說明懸浮物清掃系統的各射流吹掃器所產生的流場之間沒有擾動，且全系統運行過程中懸浮物清掃系統的射流吹掃器對系統的影響范圍在垂直平面內有高度限制，完全滿足懸浮物清掃系統在線運行過程之中對出水水質不會造成影響的要求。

4 實例

某煉油化工企業循環水系統的平流式隔油池屬平流式沉淀池的一種， 其主要目的是隔油，針對水停留時間短，沉淀作用不突出和因生產要求每年清理一次， 大約一間隔油池每年排泥60 t的問題，將在此實驗中系統排污量占過濾總量的百分比改為隔油池的進水量與過濾量之比較為合理。 目前，隔油池的進水量為450 m3/h，實驗裝置過濾量為80 m3/h，進、出水濁度分別是90、60 mg/L，懸浮物去除率在25%左右，污泥污水池的濁度由88 mg/L降至7 mg/L，污泥清掃系統工業試驗達到了非常理想的結果。 圖11所示為隔油池排泥實驗記錄懸浮物去除率和濁度。

圖11 隔油池懸浮物去除率和濁度

5 結束語

由于本系統能夠實現在線清掃，從而循環水系統的懸浮物清除可以在工業生產不停止運行的情況下進行操作。 在此系統運行工況下，當選取懸浮物吸收管的個數為清泥噴掃器個數的一倍、噴嘴間距為200 mm時，噴嘴的攪動作用最佳，使得沉淀池中的流體產生分層，然后通過過濾器后最終達到了清污的目的。 此時，射流吹掃器所產生的流場渦旋沿射流方向，在射流吹掃器出口到對應的吸管吸口之間距離的2/3處出現流場波峰，保證了沉淀池上層有一定高度的清水，滿足了工業循環用水的需求。