新型翼片式斜板沉淀池的數值模擬與優化研究

陶　赟　繆昊君　許金天　劉　琦（東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

高新技術

新型翼片式斜板沉淀池的數值模擬與優化研究

陶赟繆昊君許金天劉琦
（東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

本文介紹了一種新型的翼片式斜板沉淀池的工作狀態，使用固液兩相流方法通過Fluent模擬，并設置含沙量為變量，模擬了在含沙量80kg/m3和140kg/m3時沉淀池中泥沙濃度隨時間的變化，結果 表明含沙量較小時有更好的泥沙去除效率。并觀測了速度模擬結果，其表明泥沙在翼片間呈環流，泥水在斜板末端呈異向流分離。

翼片式斜板；Fluent模擬；橫向環流

我國的經濟發展日新月異，70年代后主要是斜管、斜板及復合型沉淀池，但是去除效率低。2006年之后執行的《城市污水處理廠污染物排放標準》1 級A排放標準中的濁度（SS）由原來的30mg/L提高到10mg/L，其他行業標準也隨之提高。因此，對傳統沉淀工藝的技術改良，提高沉淀效率迫在眉睫。為了研究顆粒物在斜板內的沉降過程及沉淀池的沉淀效率，本文采用計算機數值模擬的方法加以驗證。

1 實驗裝置與方法

1.1 物理模型

本試驗裝置由斜板和翼片構成，其中斜板豎向排布，如圖2所示。其結構參數包括沉淀池長a、沉淀池寬b、沉淀池高c、兩斜板之間間距d、上斜板與墻面距離e，斜板的長度g、斜板的寬度h，斜板與X方向的傾角α、斜板與Y方向的傾角β。本試驗裝置采用上層進水，下層出水的方式，實體裝置底端還將增加一個排泥斗。

圖1　

圖2表示翼片式斜板的工作原理。廢水從兩斜板之間的間隙流入，經過翼片作用后流入下一組斜板，翼片與斜板之間是主流區，從主流區進入翼片口為渦流區，翼片內為環流區。環流區流速緩慢，接近于層流狀態，有利于顆粒沉降，而且絮凝體顆粒在環流離心力的作用下也會邊沉降邊甩向翼片和斜板。另一方面，由于渦流區的存在，渦流中的絮凝顆粒旋轉前進，部分被前面翼片阻擋在環流區，其余被后面翼片擋入環流區沉降。

圖2

1.2 實驗方法

沉淀池的原理是利用固體顆粒的自然沉降達到去除效果，本試驗采用液固兩相流模型。因兩相流的流動現象復雜，影響因素多樣，主要通過數值模擬、實驗研究和數據處理三方面研究兩相流。課題分別采用軟件Gambit和Fluent兩款軟件建立物理模型和分析模型。

1.3 實驗參數

設計模擬水量0.5L/min，斜板長g=105cm，寬h=42cm，斜板與X方向的傾角α=30°，斜板與Y方向的傾角β=60°，兩斜板之間間距d=9.5cm，上斜板與墻面距離e=2.5cm。

顆粒粒徑小于0.05mm的占88.7%，小于0.01mm的占38.3%，小于0.0053mm的占14.3%，小于0.0015mm的占7.3%。由Table 1所示，中值粒徑D50=0.025mm。

模擬實驗分為兩組，以含沙量為變量，分別為80kg/m3和140kg/m3，對應體積分數分別為5.0%和8.3%。

圖3

2 實驗結果與討論

2.1 濃度變化

進出水口及斜板底邊濃度隨時間變化：

根據圖4，圖5數據表示，泥沙不會在斜板處淤積。底部的濃度數據變化顯示，砂體積分數越大，沉降速率越快，但當體積分數5%時，沉降濃度與初始濃度比值1.26，而8.3%時比值只有1.125，有所下降。

2.2 速度分析

待沉淀池模型流態穩定后：

圖4

圖5

根據圖6，圖7，得到5%砂體積分數下的x與y方向泥沙速度矢量圖，其中可以看出泥沙顆粒在沿斜板流動的過程中，Vx max=0.0384m/s，Vy max=0.10m/s。x方向上的最大流速產生于主流區（層流區），而y方向上則產生于湍流區。這表明清水流帶著泥沙大致沿斜板均勻向下流動，同時在翼片間形成向下流動的橫向環流，當運動到斜板末端時，清水流高速逆向折入下層斜板，泥沙滑落至泥沙通道做垂直向下運動，形成順時針垂向異重流。

圖8，圖9表示了砂體積分數為8% 時x與y方向的泥沙流速。與5%的時候相比，泥沙因受重力影響，流速更快，Vx max=0.029m/s，Vy max=0.96m/s。

2.3 實驗結論

本文通過分析沉淀工藝的基本理論，提出一種新的沉淀池池型，即在斜板沉淀池的基礎上加設翼片構成新型翼片式斜板沉淀池。

（1）該池型充分利用了斜板的“淺層沉淀”特性，并運用了渦流的特性，去除效率有所提高。利用 Fluent 商業軟件對新型翼片式斜板沉淀池進行液固兩相流數值模擬，采用固液二相流模型，得到與數值模擬一致的結果。

（2）實驗以含沙量為變量，比較了不同含砂量條件下的沉淀情況，直觀地分析斜板沉淀池內的沉淀規律，相較于普通的斜板沉淀池，新型翼片式斜板沉淀池加快了顆粒物的沉降，縮短了沉降路徑。

（3）限于自己對二相流和湍流的認識還遠遠不足，混合液中顆粒受力復雜，模擬過程中部分參數設定有待進一步研究。

圖6 x方向泥沙流速

圖7 y方向泥沙流速

圖8 x方向泥沙流速

圖9 y方向泥沙流速

[1]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]秦麗華.沉淀工藝的研究進展[J].山西建筑，36（14）.

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