新型波纹板导流墙氧化沟水力特性的数值模拟.pdf

新型波纹板导流墙氧化沟水力特性的数值模拟 陈志澜杨人卫 杭州万向职业技术学院， 杭州 310023 摘要 提出新型波纹板导流墙氧化沟结构， 并基于 N-S 方程和 k-ε 紊流模型， 采用有限体积法， 对新型波纹板导流墙氧 化沟的水流流态和水流速度分布进行数值模拟。同时与无延长导流墙和平板导流墙的数值模拟进行比较， 研究结果 表明 新型波纹板导流墙对降低氧化沟隔墙背后的水流低速区范围和改善污泥沉积有促进作用。 关键词 氧化沟; 波纹板; 导流墙; 流场分析 NUMERICAL SIMULATION OF HYDRAULIC CHARACTERISTIC OF OXIDATION DITCH WITH NEW CORRUGATED PLATE GUIDE WALL Chen ZhilanYang Renwei Hangzhou Wanxiang Polytechnic，Hangzhou 310023， China AbstractBased on the Navier-Stokes equations and the k-ε turbulent flow model， using finite volume ，a new corruga- ted plate structure for an oxidation ditch is proposed and the flow pattern and flow velocity distribution are calculated by numer- ical simulation， which are compared with those of a non-extended guide wall. The results show that the new corrugated plate guide wall can reduce the low water flow areas behind wall for the oxidation ditch and improve the role of eliminating sludge deposition. Keywordsoxidation ditch; corrugated plate; guide wall;analysis of flow field 0引言 弯道处设置导流墙结构的氧化沟已成为城市污 水处理的主要方法之一 ［ 1］， 污水流经氧化沟弯道时， 由于氧化沟断面处内侧和外侧的流速分布不均匀， 将 导致下游沟道隔墙背后处发生悬浮污泥沉淀， 对氧化 沟的整体运行效果产生不利影响。 张红亚等 ［ 2］以氧化沟弯道处设置延长平板导流 墙为前提， 通过采用流量体积积分方法， 导出氧化沟 导流墙偏置距的计算公式， 并获得当氧化沟导流墙半 径小于沟宽的 1 /2 时， 导流墙偏置距应设置在0. 5 m 左右及当导流墙半径大于或等于沟宽的 1 /2 时， 可不 设置导流墙偏置距的结论。但这一结论获得的前提 是假定水流断面速度为抛物线分布， 实际过程中氧化 沟弯道处的水流断面速度是否为抛物线分布仍值得 磋商。赵星明等 ［ 3- 4］以 T 型氧化沟为例， 针对氧化沟 在弯道处设置偏置导流墙和无偏置导流墙的水流流 速分布进行了数值模拟计算和比较， 并给出了导流墙 出口处沿径向方向的速度变化曲线， 认为设置导流墙 不仅可降低弯道阻力， 同时还可避免弯道隔墙背面的 污泥沉积现象。 本文提出新型波纹板导流墙氧化沟结构， 在应用 N-S 方程和 k-ε 紊流模型基础上， 采用有限体积法， 根据连续性水流流场分布特点和水流速度运动轨迹 特性， 对新型波纹板导流墙的氧化沟内部二维流场进 行数值模拟和计算。同时还与无延长导流墙和平板 导流墙的氧化沟流场进行数值模拟比较。从理论上 对 3 种导流墙结构的氧化沟流场进行分析和讨论， 以 揭示水流流态和速度分布与氧化沟弯道隔墙背面的 污泥沉积机理关系， 为氧化沟导流墙结构形状的合理 设计提供理论依据。 1物理模型及网格 本文研究对象为日处理6 万 t的某污水处理厂， 该厂设有 2 座卡罗塞尔氧化沟， 现按原型尺寸构造波 纹板导流墙氧化沟， 其弯道半径、 流道宽度和流道长 33 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 度等具体尺寸如图 1 所示。其中， 各导流墙均沿 y 负 方向偏置0. 5 m，波纹板导流墙和平板导流墙均在 x 方向上延长3 m， Ⅰ-Ⅰ区域为 x 1. 0 m处沿隔墙背 后垂直 y 方向的剖面。 图 1波纹板导流墙氧化沟结构与尺寸 水流经过直线段进入氧化沟的弯道部分， 在导流 墙的作用下， 流道的边界曲折变化， 相应水流的流态 和速度大小也发生较大变化。所以在弯道处的网格 划分应进行加密， 为取得较好的计算网格， 本次计算 对偏置导流墙氧化沟流道的单元划分采用结构化的 四角面单元网格， 沿流道宽度网格单元为 120 个， 直 线段轴向单元数为 120 个， 弯道半径单元数为 120 个， 偏置导流墙单元数为 60 个， 氧化沟物理模型的单 元网格如图 2 所示。 图 2波纹板导流墙氧化沟计算模型的网格划分 2数学模型 根据导流墙氧化沟的工作特性， 流体的工作介质 近似为水， 其工作温度为大气温度， 所以可假定为 流 体为不可压缩和稳定流动、 流体的物性不随温度发生 变化， 且流体与氧化沟壁面及与导流墙壁面边界为无 滑移流动。另外， 流体重力与流体的流动速度相比影 响较小， 故忽略重力影响。这样可把三维流动简化成 二维平面流动。通过采用标准 k-ε 方程紊流模型， 且 在近壁处利用壁面函数法对氧化沟流场分布进行数 值计算。 2. 1连续性方程 u x v y 0 1 2. 2动量方程 x 方向动量方程 u t u u x v u y － 1 ρ p x v  2u x 2  2u y 2 2 y 方向动量方程 v t u v x v v y － 1 ρ p y v  2v x 2  2v y 2 3 2. 3标准 k-ε 紊流模型 标准 k-ε 模型 ut ρCu k2 ε 4 紊流动能 k 的输运方程  ρk t  ρkui x i  x j u ut σ k k x [] j Gk－ ρε 5 紊流动能耗散率 ε 的输运方程  ρε t  ρεui x i  x j u ut σ ε ε x [] j C 1εε k Gk－ C 2ε ρ ε 2 k 6 式中ρ 流体密度， kg/m 3; Gk 标准 k-ε 模型中， 紊流动能 k 的输运方 程修正时， 由平均速度梯度引起的紊流 动能 k 的产生项 Gk u { t[ 2 u  x 2 v  y ] 2 u y y  x } 2 ; 7 ut 湍动黏度， 为空间坐标函数， 其值取决于 流动状态， 而不是物性参数; 在标准 k-ε 模型中， 经验常数 Cu 0. 09， C 1ε 1. 44， C 2ε 1. 92， σε 1. 3 ［ 5］。 3数值计算和边界条件 3. 1数值计算方法 本文对压力场的求解采用修正的 SIMPLE 算法， 其计算过程为 1 给定计算域内速度、 压力、 紊流动 能、 耗散率等初始值; 2 在边界条件限制下， 求解 x、 y 方向的 2 个动量方程; 3 更新压力值; 4 更新速度网 格通量; 5 检验迭代是否收敛， 若不满足精度要求， 回到步骤 2 。紊流采用标准的 k-ε 模型， 基于有限 体积法建立离散方程， 对流项用二阶迎风差分格式。 为避免发散， 采用欠松弛技术， 代数方程组采用收敛 快的逐层扫描迭代求解。 3. 2进口边界条件 在氧化沟直道计算区域的进口处， 不考虑 y 轴方 向的速度分布， 给定沿 x 轴进口边界的速度分布， 即 43 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 入口边界 u 0. 3 m/s， v 0 m/s。 3. 3出口边界条件 计算区域的出口截面选在距氧化沟直道出口一 段距离并与流动方向垂直的位置， 在该面上的平均压 力为零， 其出口边界数学描述为 压力 P 0 N/m3 相 对于大气压 。 3. 4壁面边界条件 对氧化沟近壁面处和导流墙近壁面处的流动， Re 较低， 黏性影响比较明显， 即壁面边界条件为 u 0 m/s， v 0 m/s。 4计算结果及分析 4. 1氧化沟内速度等值线分布 图 3 ～ 图 5 分别为在径向偏置0. 5 m时无延长导 流墙、 平板导流墙和波纹板导流墙的氧化沟内速度等 值线分布图。 图 3无延长导流墙氧化沟内速度分布 图 4平板导流墙氧化沟内速度分布 图 5波纹板导流墙氧化沟内速度分布 由图 3 ～ 图 5 的水流速度分布可知， 氧化沟弯道内 的水流速度在导流墙的作用下， 其流动方向改变， 并在 隔墙背后形成涡流区。比较图 3 ～ 图 5 在隔墙背后涡 流区的大小， 可以发现， 波纹板导流墙氧化沟在隔墙背 后处的涡流区最小， 平板导流墙氧化沟的涡流区其次， 而无延长导流墙氧化沟的涡流区最大。从改善或减小 涡流区范围角度出发， 波纹板导流墙结构设计的氧化 沟在隔墙背后处的水流流态分布最佳。换言之， 波纹 板导流墙结构的氧化沟将导致涡流区范围缩小， 使其 对隔墙背后污泥沉积的影响降至最低。 4. 2沿垂直Ⅰ-Ⅰ剖面流场分布 图 6 为氧化沟隔墙背后沿Ⅰ-Ⅰ剖面的水流速度 变化曲线图。 ■无延长导流墙; ▲平板导流墙; ●波纹板导流墙 图 6三种导流墙在Ⅰ-Ⅰ剖面的水流速度曲线 4. 2. 1隔墙背后至导流墙内侧壁面 沿隔墙背后至导流墙内侧壁面处， 无延长导流墙 的速度分布、 平板导流墙的速度分布和波纹板导流墙 的速度分布， 均随着垂直方向的半径增加而增大， 在靠 近导流墙内侧壁面处， 三者的最高速度分别达 0. 48， 0. 6， 0. 5 m/s。 由于波纹板导流墙或平板导流墙的特殊 结构， 使得在靠近导流墙内侧壁面处产生水流扰动和 二次通道水流截面突然收缩， 这种双重作用构成了导 流墙内侧壁面处形成有较大范围的速度高速分布区 域。显然， 安置波纹板导流墙或平板导流墙所形成的 高速水流主流区对削弱污泥的沉积具有明显的效果。 比较三种导流墙在靠近隔墙背后处的水流低速 区域， 即水流速度分布小于0. 1 m/s的区域 无延长导 流墙水流低速区为 0 ～ 0. 8 m 约占整个水流区域的 38 ， 且在 0. 3 ～ 0. 5 m区域， 其水流速度出现二次 下降趋势， 即速度值由0. 1 m/s下降到0. 04 m/s。平 板导流墙水流低速区为 0 ～ 0. 5 m 约占整个水流区 域的 23. 8 ， 同时在隔墙背后 0. 3 ～ 0. 5 m区域有一 个速度较低的平滑区域。波纹板导流墙水流低速区 为 0 ～ 0. 2 m 仅占整个水流区域的 9. 5 ， 其速度 分布呈现近似直线上升趋势。由此可见， 无延长导流 墙和平板导流墙在靠近隔墙背后区域， 都存在着范围 较宽的水流低速区， 而波纹板导流墙的特殊结构， 在 下转第 44 页 53 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 减少排污水量， 排污量可控制在 3 ， 按实际循环水 量420 m3/d， 则循环水排污量12. 5 m3/d 包括污泥夹 带水量6 m3/h 。 5新增构筑物及设备参数 1 过滤泵 型号为 2PW 污水泵 2 台， 1 用 1 备。 流量为 20 ～ 30 m3/h， 扬程为 30 ～ 20 m。 2 絮 凝剂 投加 装 置 絮 凝 剂 采 用 聚 丙 烯 酰 胺 PAM ， 投加量为2 mg/L， 投加装置尺寸为1. 0 m 1. 2 m， 1 台。投加方式为利用过滤泵吸程管负压进 行投加， 借助水泵叶轮进行药剂与废水混合。 3过滤器 过滤采用机械过滤器， 滤料为石英砂 和无烟煤双层滤料， 滤料采用反级配装填， 为深层过 滤。过 滤 速 度 取 10 m/h。 过 滤 器 为  1. 6 m 3. 8 m， 共 2 台， 1 用 1 备。反冲洗采用气水联合搓 洗， 气源采用厂内罗茨风机气源。清水池用原有清水 储存池。 6处理效果 处理效果见表 3。 7结语 1 本工艺处理能力大， 体积负荷高， 节约占地面 积， COD 的去除率为 85 ～ 95 。污泥产量低， 运行 表 3系统出水水质指标 系统ρ COD / mgL － 1 ρ SS / mgL－ 1 pH 原设计处理系统≤100≤1006 ～ 9 深度处理系统≤50106 ～ 8 中不会产生污泥膨胀， 能保证出水水质的稳定。本工 艺有活性污泥法和生物接触法两者的优点， 一次性投 资及占地面积及运行费用低， 在工程中可以进行推广 和应用。 2 废水经深度处理后全部回用于生产。 3 造纸废水处理后再反复循环使用于生产过程 中， 会出现盐类等污染物及其他杂质不断积累， 以致 水质会逐渐下降， 将影响产品质量。因此， 循环使用 一定程度后要定期排污置换。本厂现有27 306 m2林 地， 二沉池水剩余活性污泥6 m3/d用于林地灌溉。排 污水6. 5 m3/d 一部 分用于冲厕、 绿化和道路喷洒 1. 5 m3/d， 其余5 m3/d排污水用于林地灌溉。 作者通信处张玉芝063000唐山市河北能源职业技术学院 E- mailzyz2396 sohu. com 2009 － 10 － 19 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 35 页 波纹的弧形段内壁处发生二次反向水流扰动， 正是这 些水流扰动冲刷了导流墙的壁面， 破坏了水流边界层 的流动阻层， 最后在隔墙背后至导流墙内侧壁面处使 得水流低速区范围最小。 4. 2. 2导流墙外侧壁面至氧化沟壁面 沿导流墙外侧壁面起至氧化沟壁面处， 三种导流 墙的速度分布和波纹板导流墙的速度分布， 均随着垂 直方向的半径增加呈现速度缓步上升趋势， 但三者的 速度曲线基本发生重合现象， 即导流墙的延长或结构 发生变化， 对导流墙外侧壁面至氧化沟壁面处的速度 分布影响不显著。另外， 由于该区域整个速度分布均 处水流高速区， 相应污泥沉积的现象在该区域不明显。 5结束语 1 无延长导流墙在氧化沟隔墙背后的涡流区最 大， 平板导流墙的涡流区其次， 而波纹板导流墙在隔 墙背后处的涡流区最小， 从减小涡流区范围角度讲， 波纹板导流墙结构的氧化沟在隔墙背后处的水流速 度分布最佳。 2 波纹板导流墙的结构可使隔墙背后的水流低 速区域所占比例大幅度下降， 相应扩大了水流高速区 域所占的比例， 同时改善了氧化沟隔墙背后的污泥沉 积现象。 3 沿导流墙外侧壁面至氧化沟壁面处， 导流墙 的延长或结构变化， 对导流墙外侧壁面至氧化沟壁面 处的速度分布影响不显著。 参考文献 ［ 1］ 陆豪， 徐菲. Carrousel 氧化沟转子水动力学特特性研究［J］ . 水利 与建筑工程学报， 2008， 6 2 111- 113. ［ 2］ 张红亚， 汤利华. 氧化沟导流墙偏置设置的探讨［J］ . 安徽理工 大学学报， 2007， 27 2 21- 23. ［ 3］ 赵星明， 王萱， 王爱军. 氧化沟弯道水流特性研究［J］ . 环境科学 与技术， 2008，31 4 104- 106. ［ 4］赵星明， 张庆华， 黄廷林， 等. 氧化沟弯道的污泥沉积分析与水 力计算［J］ . 中国给水排水， 2008，24 6 38- 40. ［ 5］ 韩占忠， 王敬， 兰小平. FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用 ［M］ . 北京 北京理工大学出版社， 2004. 作者通信处陈志澜310023杭州市西溪路 896 号杭州万向职业 技术学院 电话 0571 87171753 E- mailchenzl99 yahoo. com 2009 － 05 － 08 收稿 44 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期