折板絮凝池内流场数值模拟和絮凝效果分析.pdf

折板絮凝池内流场数值模拟和絮凝效果分析 ＊ 张秉斌 1 杨开明 1,2 杨小林 1 王 华 1 1. 西华大学能源与环境学院, 四川 成都 610039; 2. 西南交通大学环境科学与工程学院, 四川 成都 610031 摘要 通过流体软件 FLUENT 对不同角度的折板絮凝池内流场进行数值模拟, 比较不同折板絮凝池内液体流态, 结合 设计要求分析其絮凝效果, 提出提高和改善絮凝效果的一些措施, 以指导实际工程。 关键词 FLUENT 折板絮凝池 数值模拟 ＊四川省教育厅自然重点项目 05204097 。 0 引言 折板絮凝池是给水处理中一种常见的絮凝设备, 它是运用折板的缩放或者转弯造成的边界层分离现 象所产生的吸附紊流耗能方式 ,利用搅流机构形成的 水力喷射、微涡漩紊动 、角隅涡流综合效应和竖向流 形成的絮粒网捕作用, 在絮凝池内沿程保持横向均 匀,纵向分散地输入微量而足够的能量 , 有效提高输 入能量的利用率 ,缩短絮凝时间, 提高絮凝体沉降性 能,从而达到絮凝效果。 在竖流折板絮凝设备中, 影响反应效果的主要因 素 [ 1] 为折板间距、 转角和波折数。转角过小,易形成固定 漩涡区或死水区,转角过大,折弯就小, 扰流作用小, 不 利于絮凝体的形成,因而对不同角度、 不同折板间距等 要素的研究具有相当的现实意义。本文运用FLUENT 软 件,采用湍流模型对折板絮凝池内部流场进行数值模 拟,模拟过程中不考虑泥沙颗粒对流态的影响。 1 几何模型 采用与实际絮凝池的弗劳德数 Fr相等的单通道 实验模型 , 见 图 1。 絮凝池 模型的 基本尺 寸为 480 mm220 mm 520 mm ,入水口在第 1 格的底部, 出水口在第6 格的中部,共分为 3 段, 其中第 1 段 第 1、 2 流道 采用单通道异波折板 , 隔板间距0. 0289 m; 第2 段 第 3、 4 流道 采用单通道同波折板 ,隔板间距 0. 0434 m; 第 3 段 第 5、 6 流道 采用直板, 隔板间距 0. 0753 m。絮凝池的计算模型包括池底和四周的固 壁、 折板固壁、上部开口 自由面 、入水口和出水口 组成 [ 2] 。 2 数学模型与边界条件 2. 1 基本控制方程 [ 3] 对折板絮凝池流场的研究 ,其最终目的是为了提 图 1 折板絮凝池模型平面图 高絮凝效果 ,找出水流在絮凝效果上的影响规律, 在 此基础上按照工程要求设计折板絮凝池的合理尺寸。 水流基本控制方程 连续方程 ρ t ρ u x ρ v y ρ w z 0 1 动量方程 ρ u t ρ uu x ρ uv y ρ uw z x μ u x y μ u y z μ u z - P x Su 2 ρ v t ρ vu x ρ vv y ρ vw z x μ v x y μ v y z μ v z - P y Sv 3 ρ w t ρ wu x ρ wv y ρ ww z x μ w x y μ w y z μ w z - P z Sw 4 式中 u 、v 、w x 、y 、z 方向的速度分量 ; ρ 流体密度; t 时间; μ 动力黏度; P 压力; SuFxsx; SvFysy; SwFzsz。 47 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 Fx、Fy、Fz是微元上的体力 , 体力只有重力时, 且是 y 轴竖直向上 ,Fy-ρ g , Fx 0 ,Fz 0; sx、sy、sz是小量 ,对于黏性为常数的不可压缩流 体, sxsysz 0。 k 方程 ρ k t ρ kui xi xj μ μ t σk k xj Gkρ ε 5 ε 方程 ρ ε t ρ ε u i xi xj μμ t σε ε xj C 1εε k Gk- C2ερ ε 2 k 6 式中 μ tρ Cμk 2 ε; Gk μ t ui xj u j xi ui uj ; σk、σε分别为与湍流动能 k 和耗散率 ε 对应的 Prandtl 数 , μt是湍流黏度, Gk是由于平均速度梯度 引起的湍流能 k 的产生项, i 、j 1,2,3。 方程 1 ～ 方程 6 组成了求解折板絮凝池水流 的封闭方程组, 模型中 5个常用参数的取值为 C1ε1. 44; C2ε1. 92; Cμ0. 09; σk1. 0; σε1. 3。 由于模型较为复杂, 因此简化为对每格箱体流道 进行单独模拟 。进行模拟的折板有 90 波形折板, 90 、 100 、 110 、 120 的同波和异波折板。 2. 2 边界条件 进口 边 界 ①速 度 进 口 全 部为 水 , 流 速 为 0. 448 m s;② 压 力 进 口 全 部 为 空 气, 压 力 为 101. 325 kPa 。 出口边界 出口压力为101. 325 kPa ,水面为没有 剪切和滑移速度的自由界面。 壁面边界 为无滑移边界条件 , 壁面上速度为 0 m s,使用标准壁面函数 。 3 数值方法 对以上方程组采用控制体积法进行离散 ,对流项 采用上风差分格式 [ 3] , 使计算结果不致发散, 划分网 格时采用交错网格技术, 以避免棋盘格式分布的压力 场或流速场 ,最后, 采用 TDMA 与高斯 -赛德尔迭代 相结合的方法求解非线性方程组。为了避免非线性 方程组在求解过程中发散 ,对各因变量及压力实行欠 松弛迭代, 以保证解的稳定性和收敛性。 4 模拟结果和分析 自由表面处理用 VOF 方法 ,采用 SIMPLEC 算法 计算 。比较不同夹角折板箱体内的液体流态 ,模拟过 程对于每个流道单独进行 ,因此假定进口流量相同 。 比较 5种进口为30 mm 50 mm的不同异波折板 的流道内部流态见图 2。 图 2 不同异波折板流道内部流速剖面云图 z 0. 04 m 从图 2 中可以观察到水流在折板结构单元内进 行缩放 , 形成了对称漩涡和单侧漩涡 ; 主流速度约 0. 09 m s,前 4 种折板中间底部水流由于转角离底部 较远, 底部速度较小 [ 4] , 形成了一定的死水区, 最上面 的扩大单元转到最后向下的直道处的剪切速度过大, 这对钒花的形成具有一定的影响。对异波折板的第 1、 2 个缩放单元进行网格加密通过计算得到的速度 矢量图可知 ,90 折板竖流沿着径向速度梯度较大 ,形 成的漩涡尺寸较小 ,有利于颗粒的碰撞 , 有利于能量 的有效传递和利用, 对提高絮凝效果最为有利 。 进口同为30 mm 50 mm的 5 种不同的同波折板 流道内部流态见图 3。 48 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 图 3 不同同波折板流道内部流速云图 z 0. 04 m 由图 3 可知 ,折板夹角较小的 90 折板通道内的 流体速度最大, 其次依次是100 折板 、 110 折板、90 波 形折板、 120 折板 ; 过大的速度梯度则会破坏已经生 成的絮体 [ 5] ,因而选择速度适中的 90 波形折板。对 同波折板的前 3 个曲折单元进行网格加密计算得到 速度矢量图可知 , 90 波形折板由于在波峰和波谷处 加了竖板的缓冲作用使得产生的回流漩涡最微弱 ,能 够有效地防止絮体的破坏 。 5 结论 工程实际中常用 90 异波和 90 同波折板的组合, 而通过 FLUENT 软件对折板絮凝池进行模拟表明 90 异波折板和 90 同波波形折板形成的组合更能提 高絮凝效果。 模拟结果中 ,第四廊道上部水体由于从渐放段小 角度转入, 因而有较大的剪切速度, 会破坏较大絮体 的形成 ,如适当缩短各通道最末档板上端的长度, 扩 大转角角度,减小转角速度,防止絮体破坏; 中间廊道 下部的死水区增加导流板, 减小死水区容积 ,能够进 一步提高絮凝效果。 参考文献 [ 1 ] 刘强. 竖流折板絮凝原理及其工艺设计. 有色冶金设计与研 究,1999, 20 2 63 -66 [ 2] 汪广丰. 竖流折板絮凝工艺的设计与运行. 中国给水排水, 1999, 15 8 27 -31 [ 3] 王福军. 计算流体力学分析 CFD 软件原理与运用. 北京 清华大学出版社, 2004 [ 4] 祝皎琳, 林建国. 往复隔板絮凝池流场数值模拟及混凝效果分 析. 环境工程, 2005, 23 2 72-74 [ 5] 叶峰, 张林生. 水处理絮凝反应动力学优化模型. 净水技术, 2002, 21 4 20 -23 作者通信处 张秉斌 610039 四川省成都市 西华大学能源与环 境学院 E -mail 52705270 163. com 2008- 05-06 收稿 上接第 46页 无植物空白对照系统对 COD、氨氮、总氮和总磷的平 均去除效率分别为 46. 0、 50. 1、 49. 1 和 68. 1。 3 薏苡经济效益较高 , 产值可达1. 8 万元 hm 2 。 将其应用于人工湿地 ,不仅能产生较高的经济效益, 还具有广阔的发展前景。 参考文献 [ 1] 张洪刚, 洪剑明. 人工湿地中植物的作用. 湿地科学, 2006 2 146-153 [ 2] 钱延春. 薏苡的研究现状及开发前景. 特产研究,1998 4 59 -61 [ 3] 张甲耀, 夏盛林, 邱克明, 等. 潜流型人工湿地污水处理系统氮 去除及氮转化细菌的研究. 环境科学学报,1999 3 323-327 [ 4] Seo D C, Cho J S, Lee H J, et al. Phosphorous retention capacity of filtermedia for estimating the longevity of constructed wetland. Water Research, 2005, 39 11 2445 -2457 [ 5] 黄德锋, 李田. 不同基质复合垂直流人工湿地对富营养化景观 水的净化效果. 环境污染与防治, 2007 8 616 -621 [ 6] 周易勇, 付永清. 水体磷酸酶 来源、特征及其生态学意义. 湖泊 科学, 1999 3 274 -282 [ 7] 龚成文, 陈效杰. 薏苡的综合开发利用前景浅析. 甘肃农业科 技, 1998 3 7 -8 作者通信处 张建 250100 济南市山大南路 27 号 山东大学环境 科学与工程学院 电话 0531 88363015 E -mail zhangjian00sdu. edu. cn 2008- 04-01 收稿 49 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 moved through sand infiltration test but no microbial influence.Adsorption of particle COD in constructed soil infiltration is completed by rapid contact adsorption, and above 80focuses on the surface layer within the depth of 20 cm. To seek the reason of clogging in the system, some ex - periments prove that clogging mostly results from the adsorption especially in surface layer, nevertheless microbial increment makes up 3. 7～ 5. 3 in total porosity. And so a beneficial exploration is carried out on system restoration after clogging. Which makes sure that a suitable wet- dry cycle is a good way to solve the problem. Keywords soil infiltration particle COD wastewater treatment adsorption clogging INFLUENCE OF AERATING GAS-WATER RATIO ON TREATING EFFECT OF CONSTRUCTED WETLANDZhong Qiushuang Wang Shihe Sun Xiaowen et al 42 Abstract The influence of different aerating gas -water ratio on treating effect of constructed wetland was discussed from dissolved oxygen. Seven kinds of gas-water ratios, 0, 2, 4, 6, 8, 10 and12, were selectedfor test operation condition. The result showed that aeration could make the level of DO and treating effect improve obviously, especially the removal rate of TN. Treating effect of wetlandswas bestwhen gas-water ratio was 6, and removal rate of COD, TP, TN and NH3-N was respectively up to 85. 6, 70. 9, 83. 1 and 84. 2, the concentration of NO - 3-N of the effluent was the lowest 6. 32 mg L . Keywords constructed wetland aeration gas -water ratio DO treating effect TREATMENT OF TOILET WASTEWATER FROM PARKS BY COIX CONSTRUCTED WETLAND Li Yan Zhang Jian Li Weijiang et al 45 Abstract Subsurface constructed wetland planted with Coix was used for the treatment of toilet wastewater from parks. The results showed that Coix grew well in constructed wetland. With a hydraulic loading rate of 8 cm d and a hydraulic retention time of 1. 5 d, the average removal efficiencies of COD, NH4-N, TN and TP for constructedwetlandwere 56. 4, 53. 3, 49. 8and 73. 0, respectively. While for the sys - temwithout Coix, the average removal efficiencies of COD, NH4-N , TN and TP were 46. 0, 50. 1, 49. 1 and 68. 1, respectively. Coix can be applied to constructedwetland due to its possibility of pollutants removal aswell as its higher economic benefit. Keywords Coix constructed wetland toilet wastewater NUMERICAL SIMULATION AND COAGULATION OF FLOW FIELD FOR FOLDED PLATE FLOC - CULATORZhang Bingbin YangKaiming Yang Xiaolin et al 47 Abstract FLUENT analytic software was used to numerically simulate the flow field of different angles for a foldedplate flocculator. Then it was compared the flow state of fluids in different folded plate flocculators, whose coagulation effectswere analyzed according to the design condi- tions. Finally some measures were proposed for improving and enhancing the efficiency of the flocculator, which could guide the practical engi- neering design. Keywords FLUENT folded plate flocculator numerical simulation PREPARATION OF Fe -Mg-Al COMPOSITE FLOCCULANT FOR PRETREATMENT OF LANDFILL LEACHATESang Yimin Gu Qingbao Sun Tichang et al 50 Abstract In order to get optimal preparation conditions of Fe -Mg -Al composite flocculant PFMASfor pretreatment of landfill leachate, COD removals of landfill leachate were optimaized by jar test from concentration of raw FeSO4,MgSO4and Al2 SO43, mole ratio of three salts, aging temperature, aging time and dosage. The experimental results of a landfill leachate indicated that the optimal preparation conditions of PF - MAS were as belownFeⅢ ∶ nMg Ⅱ ∶nAl Ⅲ5∶ 0. 35∶ 0. 5, aging temperature50 ℃ and aging time0. 5 h. After pretreatment by PFMAS, COD removal could reach over 60. PFMAS is a kind of inorganic macromolecular copolymer of Fe Ⅲ , MgⅡand AlⅢ , with long macromolecular chains and macrocosmic crystal structure. Keywords landfill leachate inorganic polymer flocculant copolymer of Fe Ⅲ MgⅡand Al Ⅲ COD removal rate preparation optimization THE STUDY ON THE INOCULA FOR BOD5DETERMINATION Cui Jiansheng Wang Fang Wei Fusheng 54 Abstract Three strains screened from the municipalwastewater were used to make the BOD5inocula for BOD5test. The best conditionsfor making the freeze dry power BOD5inoculawere studied. The characteristics of the BOD5inoculawere compared by test on soil leaching solution and commercial Polyseed of GGA s and the actualwastewater s BOD5determinition. The standard deviation of inocula, soil leaching solutionand polyseedwas 3. 60, 8 . 34 and 2. 87 mg L respectively in GGA s experiment, and 8. 5, 33. 2 and 6. 0 mg L in the test of actual wasterwater. Keywords Biochemical Oxygen Demand BOD5 inocula repeatability UATION AND IMPROVING ON THE S OF MONITORING COD IN SEDIMENT- LADEN RIVERHe Zhijuan Xiao Xiangqun Mao Yuxia et al 57 Abstract Based on the analysis of the characteristics of sediments in the Yellow River and the impacts of sediments on the water environ - ments, this paper analyzed the primary problem which existsinmonitoring COD in Yellow Riverwith the prevenient and current monitoring meth - ods. According to which, an improved of monitoring COD was put forward.In this , the concept of non -attenuation COD value of sediment was introduced and the computing ula of the value in lower reaches of the Yellow River was got by experimentation. The experiments 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008