渦旋澄清池反應區數值模擬研究

童禎恭，閔 凱，楊靜芝，董紅軍

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

由華東交通大學研制的渦旋澄清技術在眾多的工程實踐中顯示出了較好的技術性及經濟效益，具有較高的實用價值和社會效益［1］。然而由于對微渦旋絮凝及其澄清機理研究的不夠全面及深入，工程應用時在反應器設計參數及運行參數的選用上［2］，還存在著較大的盲目性及隨意性；一定程度上制約著渦旋澄清技術在安全飲用水工程中的進一步推廣。

Fluent 軟件是應用最廣泛的計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）工程運用軟件，它基于有限體積法，針對每一種流動物理問題的特點，采用適合于它的數值解法使之在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳［3］。本研究利用Fluent軟件模擬水流在渦旋澄清池反應區中的渦旋尺度、渦旋分布、流場狀態，獲得反應器內部流場的詳細信息，同時利用Zeta電位儀及FCD（絮凝光學檢測儀）檢測絮體Zeta電位及其結構形狀的變化情況，通過數值模擬及現場試驗，為優化反應器的設計及運行參數提供思路。

1 渦旋澄清池反應區的試驗研究

1.1 渦旋澄清池試驗系統

渦旋澄清池結構如圖1所示。加入混凝劑的原水經管道混合器后從進水管經噴嘴、喉管進入第1渦旋反應室及第2渦旋反應室（反應室中放置如圖2所示的渦流反應器，有關渦流反應器介紹可參閱文獻［4］），然后流入斜管沉淀區進行泥水分離。

1.2 試驗水質及儀器

實驗中對于處理水質的檢測指標主要包括進出水濁度、Zeta電位、絮體粒徑3項指標；對于原水則需測定其水溫、pH等指標。檢測所需儀器及設備如表1所示；以學校孔目湖小湖的原水作為水源，實驗水質如表2所示，采用的混凝劑是聚合氯化鋁（PAC）。

圖1 渦旋澄清池結構圖Fig.1 The structure of vortex coagulation clarifier

表1 主要試驗儀器及設備Tab.1 The main test instruments and equipment

1.3 試驗結果

試驗進水量分別為6，8，10 m3·h-1，分別對澄清池出水濁度及第2反應室底部（流至沉淀區部分）的絮體粒徑、Zeta電位進行檢測，數據整理如圖3和圖4所示。

在向水體中不斷投加絮凝劑（PAC）的過程中，水中膠體顆粒表面的Zeta 電位也不斷升高，由負電位逐漸變為正電位，凝聚后變成礬花沉淀下來，隨著絮凝劑的過量投加，顆粒表面的正電荷升高，顆粒之間的排斥力增大，阻礙顆粒之間的碰撞，形成礬花的能力減弱，體系重新穩定，出水濁度又會重新升高。圖3 為不同流量的出水濁度和Zeta 電位之間的關系，3種進水流量的Zeta電位都是隨著出水濁度的降低而升高。

圖2 渦流反應器Fig.2 The vortex reactor

圖3 出水濁度和Zeta電位之間的關系Fig.3 The relationship between the outlet water NTU and Zeta potential

圖4 出水濁度和等效粒徑的關系Fig.4 The relationship between the outlet water NTU and floc equivalent

3 種流量相比較，出水濁度在1.7～3.0 NTU 時，Zeta 電位由負值減少的速度隨著進水流量的增大而加快；當出水濁度在0.5～1.7 NTU時，Zeta電位隨著進水流量的增大其數值改變又趨于減小。主要原因是為保證一定的出水濁度，各工況的水力條件不同，因此投藥量也不一樣，導致Zeta電位發生不同的變化。圖4為不同流量的出水濁度和等效粒徑的關系，當出水濁度在1.7～3.0 NTU時，等效粒徑是隨著進水流量的增大而增大，主要原因是在一定投藥量范圍內，流速大則紊流強度大，混合效果相對較好，絮體碰撞機會相對較多。而當出水濁度在0.5～1.7 NTU時，進水流量為6 m3·h-1時其礬花等效粒徑最大，主要原因一方面是投藥量較大，另一方面是此工況下反應時間相對較長，導致絮體等效粒徑相對較大。由于在本試驗投藥系統中無管道混合器（混凝劑直接加入進水管中進行水力混合），流量大則流速快，藥劑與原水混合均勻性好，混合效果好。FCD的測試顯示，隨著絮凝劑（PAC）投加量的不斷增加，泥水分離區的絮體顆粒不斷變大，絮體之間的間距也變得更為密實，絮體粒徑也就越大。但投藥量過大會使礬花結構松散，密實度降低，盡管粒徑加大，但由于密實度不好，導致出水會出現跑花現象。因此，根據澄清池出水濁度，本次試驗確定最佳投藥量為15 mg·L-1左右［5］。

2 渦旋澄清池反應區內流場的數值模擬

2.1 渦旋澄清池模型及邊界設置

本研究采用標準k-ε模型，即分別引入關于紊動能k和耗散率ε的方程，針對渦流反應器的建模采用“top-down”方法，對模型的邊界條件也進行適當設置［6］。

2.2 模擬結果

本次模擬主要是針對渦流反應區而言的，模擬參數如表3所示。模擬的澄清池反應區各剖面速度矢量圖如圖5所示。

表3 數值模擬參數Tab.3 The parameters for numerical simulation

圖5 第1反應室XZ剖面局部速度矢量圖Fig.5 The local velocity vector of XZ cross-section in the first reaction zone

從圖5可知，入口速度比較大，呈現一股射流，數值模擬顯示其紊動能很大，并且隨著進水流量的增大而加強，在一定程度上有效提高顆粒間的碰撞效率。其產生的大渦旋主要是完成動力的傳輸，只有小部分的能量耗散，剩余的能量傳輸給下一級的渦旋，通過這樣逐級遞減的渦旋進行傳輸，直到渦旋尺度達到顆粒粒徑相似，渦旋的離心慣性效應增加，帶動顆粒旋轉運動，顆粒之間相互碰撞，形成礬花［7］。在錐形區域和第1反應室連接的地方，當進水接觸到渦流反應器時，速度明顯衰減，紊動能開始減弱，周圍產生很多微渦旋，大渦旋逐漸變成小渦旋及微渦旋，這樣有效避免在澄清池反應區后端打碎已經形成的礬花。主流由渦流反應器表面的眾多小孔流進及流出，但仍有部分流體從渦流反應器之間的間隙流過，亦形成眾多的微小渦旋。從矢量圖5中可知，在一定范圍內，隨著流速的增大，產生的微渦旋就越多，顆粒之間碰撞的幾率增加，絮凝效果也就越好。

3 渦旋澄清池反應區內模擬結果與實驗的比較分析

在加入渦流反應器后，渦旋澄清池反應區內形成了很多微渦流，湍動能k及湍動能耗散率ε相對未投加反應器時的都高，而從現場試驗中也發現投加渦流反應器的池子Zeta電位上升較高，為顆粒之間的有效碰撞創造了條件，投加渦流反應器的渦旋澄清池形成的絮體等效粒徑較大，所以加設渦流反應器的渦旋澄清池的運行效果較好［8］。現場試驗可知，在相同投藥量，不同進水量情況下的除濁效果有較明顯的區別。下面從三維流動場、湍動能k和湍動能耗散率ε等數值模擬的結果來進一步分析。

在模型上取5 個不同高度的截面，坐標軸的中心落在澄清池的中間，截面高度從上往下依次是-0.4，-0.5，-0.6，-0.8，-0.9 m。按整體高度計算，截面高度從上往下依次為1，1.1，1.2，1.4，1.5 m。

圖6 第1反應室速度v面平均變化曲線圖Fig.6 The surface average curve of velocity in the first reaction zone

圖7 第1反應室湍動能k面平均變化曲線Fig.7 The surface average curve of turbulent kinetic energy in the first reaction zone

在圖5的三維流態圖中可知，進水量越大，在錐形區域的射流速度越大，從錐形區域進入第1 反應室后形成的微渦旋越多。圖6 中，在錐形區域，池長在1.2～1.5 m內，流速變化非常明顯，隨著水流流動的方向，速度在逐漸減弱。根據紊流微渦旋動力學理論，湍動能k及湍動能耗散率ε越大，池內絮凝效果越好，得到的絮體越密實。從圖7 及圖8 可知，進水流量越大，速度越大，湍動能k就越大，湍動能耗散率ε越大。在一定范圍內，湍動能和湍動能耗散率越大，產生的微渦旋就越多，微渦旋帶動顆粒之間做沿旋渦徑向運動，顆粒之間的碰撞機會增加，形成的絮體就越密實，出水效果就越好。在現場試驗中測試可知，在相同的出水濁度下（試驗中主要控制渦旋澄清池出水濁度在2.5 NTU左右），進水量大，其Zeta電位相對就較接近等電點，顆粒之間越容易相互吸引，其等效粒徑也相對較大，這與數值模擬的結果基本吻合。但是在圖7及圖8中可以觀察到在錐形區域部分（1.2～1.5 mm），進水量為10 m3·h-1的湍動能和湍動能耗散率曲線下降的幅度都偏大，斜率較高，這是因為在錐形區域部分的流體呈現出的射流狀態，動能及剪切力急劇增加，紊動十分強烈，混合部分接觸的時間過短，橫向部分顆粒碰撞機會減少。此時形成的絮體粒徑較大、多孔且相對不密實，極容易在水流剪切力下破碎。進水量為8 m3·h-1時k值和ε值比較合適，不會因為湍動能過大，造成絮體破碎，也不會因為湍動能過小，不能形成較好的絮體，故本中試模型反應區較適合的處理規模為8 m3·h-1。

圖8 第1反應室湍動能耗散率ε面平均變化曲線Fig.8 The surface average curve of turbulent kinetic energy dissipation rate in the first reaction zone

4 結語

利用Fluent對渦旋澄清池反應區進行模擬，得到了渦旋澄清池反應區的流場狀況，進而獲得反應器內部流場的詳細信息，如局部流速、運行軌跡等；動同時利用電位儀及FCD檢測絮體Zeta電位及其結構形狀的變化情況，并與數值模擬結合分析比較，模擬結果與實際試驗情況基本相符，證明了這個數值模型的可行性和正確性，為優化模型的設計及運行參數提供了依據，對以后的實際工程也具有較好的科學指導意義。同時從微觀的角度觀察池內的水流特性，為從動力學角度研究絮凝機理提供了一個新的研究方法。

［1］童禎恭，胡鋒平.一體化渦旋網格澄清工藝的研制與應用［J］.中國給水排水，2010，26（6）：63-68.

［2］豐桂珍，童禎恭.斜管沉淀技術優化研究進展［J］.華東交通大學學報，2011，28（6）：28-31.

［3］李國強.基于CFD的網格絮凝池中過柵紊流特性數值模擬研究［D］.武漢：武漢大學，2010：9-48.

［4］童禎恭，方永忠，胡鋒平.微渦流混凝技術在十堰水廠的應用［J］.中國給水排水，2008，24（4）：21-24.

［5］楊靜芝.基于Fluent渦旋澄清池反應區流態模擬及參數優化［D］.南昌：華東交通大學，2012：47-56.

［6］賀維鵬.絮凝過程絮體粒度分布特征及流場仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008：52-87.

［7］嚴煦世.給水工程［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，1999：264-267.

［8］楊靜芝，童禎恭，董紅軍.渦旋澄清池反應區流場模擬分析研究［J］.市政技術，2012，30（5）：64-67.