設(shè)有擋板的機械絮凝池流場模擬分析

摘 要：文章對機械絮凝池內(nèi)設(shè)置擋板和不設(shè)置擋板情況下的三維流場進行數(shù)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。針對方形絮凝反應池四個角的流速、湍動能均較小，在絮凝反應過程中質(zhì)量變化和能量交換受到極大阻礙，考慮在反應池的池壁上設(shè)置擾流擋板，通過改變此區(qū)域的流態(tài)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(guān)鍵詞：機械絮凝；流場；擋板；fluent模擬

絮凝池的形狀、攪拌槳的轉(zhuǎn)速、槳板的幾何尺寸及槳板在水中的位置是導致水流流態(tài)發(fā)生改變的直接原因，這些因素設(shè)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。針對絮凝反應池中水流流態(tài)的變化規(guī)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(yōu)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(shè)計為三級，每級反應池的尺寸為：長×寬×高=500mm×500mm×750mm，設(shè)計有效水深為600mm。絮凝池設(shè)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(jù)《給排水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，絮凝階段，平均G值一般在20～70s-1，根據(jù)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(zhuǎn)速分別為：第一級攪拌槳：n1=26rpm，G1=70s-1；第二級攪拌槳：n2=19pm，G2=44s-1；第三級攪拌槳：n3=11rpm，G3=21s-1。

1.2 模擬方案

針對絮凝池內(nèi)有無擋板的流場進行比較。如圖1所示，在絮凝池的每級反應池內(nèi)都安裝了4塊規(guī)格尺寸相同的擋板，每塊擋板的尺寸設(shè)計為長×寬=200mm×25mm。對設(shè)有擋板和未設(shè)有擋板的絮凝池分別進行流場模擬計算。

1.3 模擬條件

本研究利用計算流體力學軟件FUJENT12.0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(shè)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(qū)域的流體域定義為運動區(qū)域隨槳葉一起轉(zhuǎn)動，采用旋轉(zhuǎn)坐標系， 其他區(qū)域定義為靜止坐標系，壁面、攪拌軸和攪拌槳設(shè)置為固體壁面，界面采用無滑移固壁條件。

2 模擬結(jié)果與分析

絮凝池的設(shè)計處理能力為Q=1.5m3/h，三級攪拌槳轉(zhuǎn)速分別為n1=26rpm；n2=19rpm；n3=11rpm。分別對設(shè)有擋板的反應池和未設(shè)有擋板的反應池進行流場模擬計算。并取距池底300mm的截面進行分析考察，如圖2所示：

方形反應池具有較有效的擾流作用，使槳板與水流間產(chǎn)生有效的相對運動，能夠提高絮體顆粒的碰撞幾率，提高絮體效率。同時方形反應池存在四角處流速小、湍動能低等不足，且此區(qū)域易形成死水區(qū)，絮體顆粒碰撞幾率小，影響流體的傳質(zhì)效率，阻礙能量轉(zhuǎn)換，如圖2、圖4所示。因此，在每級反應池的壁面上設(shè)置四塊擋板，如圖1所示，以改善絮凝反應的水力條件。

圖3和圖5分別為設(shè)置擋板后反應池距池底300mm處截面的流場圖和湍動能圖。在方形反應池四周池壁上設(shè)有擋板，可以有效地改善邊角等死水區(qū)的水流狀態(tài)，增大此區(qū)域的水流流速，使湍動能分布更為合理有效，提高絮體顆粒間的碰撞幾率，改善絮凝效果。

3 結(jié)束語

通過對機械絮凝池內(nèi)設(shè)置擋板和不設(shè)置擋板情況下的三維流場進行數(shù)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。針對方形絮凝反應池四個角的流速、湍動能均較小，在絮凝反應過程中質(zhì)量變化和能量交換受到極大阻礙，因此考慮在反應池的池壁上設(shè)置擾流擋板，通過改變此區(qū)域的流態(tài)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。

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