带翼片侧向流斜板沉淀池内颗粒沉降过程的数值

作者:快彩平台网站 | 2020-03-23 23:08

  带翼片侧向流斜板沉淀池内颗粒沉降过程的数值模拟_环境科学/食品科学_工程科技_专业资料。关于斜板沉淀的数值模拟

  维普资讯 带翼片侧向流斜板沉淀池内 颗粒沉降过程的数值模拟 刘百仓 马 军 张素霞 梁再辉 马 刚 谢小龙。 黄社华 ( 1哈尔滨工 业大学市政环境工 程学院 , 哈尔滨 3中国科学 院研究生院 , 北京 109 ; 50 0 2北京市 自来 水集 团有 限责任公 司, 北京 108 ; 0 0 5 407) 3 0 2 10 3 ;4武汉大学水资源与水 电工程科学 国家重点实验室 , 009 武汉 摘 要 采用有 限体 积 法研 究 了带翼 片倒 向流斜 板 沉淀 池 内水 流流 动 的特性 , 并计 算 了带 翼 片与 不带翼 片斜板 内水流 的雷诺数 , 果表 明加 入 翼 片 可 以明显 降低 水 流的 雷诺 数 , 数值 为不 带 翼 片 结 其 斜板 雷诺数 的 4 , 2/ 并采 用层 流模 型计 算 了两种情 况斜板 内水流 的三 维流场 分布情 况 。在 此基 础 上 9 6 考察 了加入稀 疏颗 粒后 , 颗粒 物 的运动轨 迹 , 用 D M 模 型进行 计 算 , 果表 明 , 采 P 结 加入 翼 片后 颗 粒 物 沉降 的路 径 缩短 , 有利 于 固液 分 离 ; 着水 流速 度 的 增 大 , 随 颗粒 跟 随 性增 强 , 粒物 密度 ( 用 110 颗 采 0 k / 和 14 0k / 进行 分析 ) 大 , 粒沉 降性也 增 强。 同时 大颗粒粒 径也 有利 于沉 淀 。 g m。 0 g m。 增 颗 关 键词 有 限体积 法 斜板 沉淀 池 稀 疏颗 粒 计算 流体动 力 学 Nu e i a t d fpa tc e e ti r c s e n l t r lfo s t ln m r c ls u y o r i l ss tlng p o e s s i a e a l w e ti g t nk wih i c i d v ne pl t s a t n lne a a e L u B ia g ,M aJ n ,Z a g S xa ,Lin ah i, i ac n u h n u i a g Z i u M a Ga g n ,Xi a l ng ,H u n e ua e Xio o 。 a g Sh h 4 ( .S h ofMu ii a n n io me tl n iern I co l n c l d E vr n na g n eig,Ha bnI s tt o eh oo y, o p a E rin t ue f T c n lg i Ha bn1 0 9 ri 5 0 0,C ia hn 2.B igWae n tr 5Gru o ,Lt ,Be n 0 0 5, ia; o p C . d. Oig1 0 8 Ch n 3 r d ae c ol f teC iee a e f S i cs e ig1 0 3 C ia .S ae y .G a u t h o h n s Acd myo ce e ,B i n 0 0 9, h n ;4 tt S o h n j Ke L b rtrf Wae su cs n d o o rE g n eig, h n U iest Wu a 3 02,C ia a oaoyo tr Reo re a d Hy rp we n iern Wu a nv ri y, h n4 0 7 hn ) Ab t a t s r c :Th i ie v l m e me h d i s d t t d h a e a l wn s tl g t n t n e fn t o u t o s u e o s u y t e l t r lfo i e t n a k wih i — i c i e a e p a e .Re n l sn m b r i c l u a e n b t a e i n i o t a e .Th ac — l d v n lt s n y o d u e a c l t d i o h c s sw t a d w t u n s s h h v ec lu ltdrs l h w ta e n lsn mb ri rd cd da t alo4 n v n sc so aig aee ut s o h tR y od u es e ue rmai l t 2/ i a eaecmp r s c y 9 5 n w i ov n s t n a e .Th h e — i n i n l l wil sa s a c l t d h e t r e d me so a o f d wa l o c l u a e .Th e ti g t a e o o i a - f e e s t l r c fs l p r n d tce sc lu a e sn s r t r il o e ( M ) Th e u t h wh t a e a p e p il s i a c l t d u i g Dic e ePa t e M d l DP c . e r s lss o t a n s c n s e d u v t e s l n i u d s p r t g p o e s wih t e i lt eo iy i c e sn h oi a d l i e a a i r c s , d q n t h n ev l ct n r a i g, t e i e ta o c s h n r i l f r e i srn t e e .Th e s yooi p r cer 0 g m。 n 4 0k / sp rtl , t e te gh n d ed n i f l a t l ae11 0k / a d1 0 g m。 e aaey wi t t s d i s hh d n i n r a i g h e ti g a i t s i c e s d Th a g r d a t r o h o i a tce ,t e e st i c e sn ,t e s tl b l y in r a e . y n i e l r e ime e ft e s l p r il s h d b tee tig a i t ft es l a tce e a e . et rs tl bl y oh oi p rilsb h v s n i d Ke wo d :F n t o u e me h d n l e l t e ti g t n y r s i i v l m t o ;I ci d p a e s t l a k;Dic e e s l a tce ;Co e n n s r t o i p r il s d m— p t t n l l i y a c u ai a ud d n mis o f 为 了解决 目前采 用 的波纹斜 板沉 淀效 果不 佳 的 问题 , 出 了一 种带翼 片侧 向流斜 板 沉淀池 的方案 , 提 究 颗粒物 在斜板 内的沉 降过程 及带翼 片侧 向流 斜板 沉 淀池 的沉 淀效率 是否 高于不 带翼 片侧 向流斜 板 沉 淀 池 , 文 采 用 了 计 算 机 数 值 模 拟 的 方 法 加 以验 本 给 水 排水 V 13 N . 1 2 0 1 o. 3 o 1 0 7 39 并 进行 了 中试 研 究 , 验 装 置如 图 1所示 。为 了研 试 维普资讯 0, 一 0, 0。 叫 速度 出 口: 用 充分 发 展边 界 条件 假 定 u , 采 o 一0 一 0, 一 0。 叫 边 壁 , 滑移边 界条件 假定:v 无 =w=0 。 图 1 带翼 片 侧 向 流斜 板 沉 淀 池 不 葸 14 固体 颗粒 控制方 程 . 证_, 1 并结 合模 型试验 与实 际工程 设计 , ] 这对 于节 省 沉淀池 改造 工程 的投资 及 以后 运行管 理费 用都 有重 大 的经 济意 义 。 1 数 学模型 警一D一 ) F地+ ( 式 中— — 流体相 速度 ; 。— — + =,)) i 2 ( 1, 3 3 颗粒速 度 ; 斜 板与水 平 面成 6 。 角放 置 , 0倾斜 在每 块斜 板 的 下方 引出一排 翼 片 , 与水 平面仍 成 6 。 0倾斜 角 。如 图 . 0 —— 流 体密 度 ; p— — 颗粒密 度 。 p 1 示 , 翼 片斜 板 沉 淀 池 内斜 板 与 一 系列 翼 片 形 所 带 成水流 流动通 道 , 于各 通道 尺寸相 同 , 鉴 因此只需 取 其 中一 个单元 进行 研究 。水流 由布水 穿孔 墙至斜 板 人 口处 , 由于水流 分 散不 均 会 使 人 口水 流 速 度大 小 不等 l , 2 而计算 中只需 改 变 人 口边 界 的 流速 即可考 ] F( D一 ) 为单 位质量 颗粒受 到 的阻力 。 虚 质 力 i (一 ,一,3 拟 量 F 专 )1,。 ( 2) 为 了消 除 网格 依赖 性 的影 响 , 先进行 了试 算 , 最 终确定 计算 采用 网格 数 为 2 0 , 用 有 限体 积 法 93 2 采 求解 控 制 方 程 及 SMP E方 法 对 速 度场 与 压 强 场 I L 察速度分布不均情形 下单元 体 内的流动状 况 , 故选择 单元 体进行研 究具 有代 表性 。本文 中的单 元体 内水 流流态为三维流动 , 图 2所示 计算 区域 AB D F— 如 C E 进行解 耦 。 2 计 算 结果与 分析 2 1 雷诺数 比较 . GHUKL 为棱柱 体 , 长度 AG为 09 一 侧边 长 其 .6m, AC为 0 14 1 , 一 侧 边 长 C 为 0 0 8 1 , . 0 I另 T D . 5 I成 T 1 0角 , C H、 lK 为 两 块 翼 片 , L CI D 2。 B J D E AG F、 J 不 带翼 片 的平行 斜 板 间水 流 的长度 以两 斜板 面 AC D 、 F间距表示 , 为 D1 .9m, 其值 —00 取水温2 0℃ , 则 水 的运 动粘 性 系数= 1 0 mzs = ×1 = /, 一O JA— O( f HB)u O (. X0 8 一0 0 24 m/) 式 中 ,=2 / 2 9 . ) . 0 ( s , 为斜板 。 态层 流不可 压流体 的控制 方程 如下 。 稳 速 度 出 口断 面 代表水流 的平均流 速 , 为流量 , 为过水 断 面面积 , Q A 速度人口断 R = L D1 ( L )一 D12 R — u v一 00 2 4× l /2 1 /,e R/ .0 0 0 5 1 0 18。 .4 / ×1一 一 0 带翼片 的斜板 间水 流 的特 征 长度 以水 力半 径 R 表示 , A/ , 为 小 单 元 过 水 断 面 面 积 , — R— Z A A 图 2 计算单 元体几何尺寸及网格 L D为小 单元 过水 断面 的湿 周 , = L +2 R , = 2 d , = =A/ = 0 0 8 . 9 ( . 5 ×2 - . 8 )Re Z . 5 ×0 o / 0 0 8 4 0 0 ×2 , = u v . 0 ×0 0 89 ( . × 1 一 ) 4 . 6 可 R/ =0 0 24 . 1 / 1 0 0 一 5 3 , 1 1 连续 性方程 . = 0, 1 2 3 = ( = ,,) () 1 见雷 诺数 降低 为原来 的 4 , 2 明显增 强 了水 流 流 动 过 程 中的粘性 力 , 利 于沉淀 。 有 2 2 速度场 分布情 况 比较 . 图 3 、 出 了带 翼 片 与 不 带 翼 片斜 板 过 DJ a b给 12 动量 方程 . 02 1 . i ui 一 一 l a_ p + 0 l 2i g , pd 五 (, 1 2 3 ( ) 一 , , ) 2 其 中 ,l f 一  ̄0 一一g - , - 1 3 边 界条件 . 速度 人 口: 口速 度按 均 匀 流 假 定 2 0一 人 — , 1 0 给水排水 4 V 13 N . 1 20 o. 3 o 1 0 7 垂 直于 z轴切 面 的速 度 向量 场 , 3 度 场 中 , 图 a速 只 有靠 近 上侧壁 速 度很 小 , 图 3 而 b速 度场 中 , 下 两 上 侧 速度均 很小 , 两者 在 同样 人 口速 度的情 况下 , 据 根 维普资讯 连续性 方程 , b中主流 的最大 速度较 a大 , 则 可见 两 短, 密度大 的颗 粒有 利于沉 淀 。 2.8 02 5 e+ 者的速度场分布呈现较大的不同 , 即水 流的主体 也 速度 存在差 异 , b与 a相 比部 分 流 场 区 域 速 度 减 小 了, 部分流 场 区域 速度增 大 了 , 而低 速度 有利 于颗 粒 物沉 淀 , 竟哪部 分 占主要份 额难 以确定 , 速度 的 究 但 改变会 造成 水 中悬 浮 物携 带 能 力 的不 同 , 而 造 成 从 去 除率 的不 同。仅 基 于 以上 结果分 析还 不足 以 比较 带翼 片与 不 带 翼 片斜 板 沉 淀 池 对 悬 浮 颗 粒 的 去 除 率 。下面 引入 D M 模 型进 行计 算分析 。 P 36 a3 5e } 33 m 0c 3l a3 2e } 29 - 5e03 27 - 7e03 25 - 9e03 一 a 】】 0k / O gm 34 e 3 1/' "o 22 eo '3 4 22 eo 4' 3 2 e 03 07 - l89 '  ̄ o3 l72 ' e o3 l54 a 3 e } 13 ' 7e o3 l 1 e 03 9- 102 - e 03 8 e 42 b p 0 k/ =l 0 gm3 4 667 e 492 - 4 e0 3l7 - 4 e0 14 - z 2e04 _ 上 i i 麟谶 帕吣 张 { 强 §他● 糍 嚣 馥∞ :帕麟 ■ 孙 蘸 强 藏 嚣 们 l; l 俺 一 6 誓 a 不带翼 片 图 4 侧 向流 斜 板沉 淀 池 内颗 粒 物 沉 降 轨 迹 - 糍 登 蕊 0 ( 粒 直 径 5 0 m , 始 速 度 00 24m/) 颗 ×1 ~ 初 . 0 s 38 ea 3 .7  ̄ 5' 3 eo  ̄ 34 e 8 a 3 32 e o 2 3 3 颗 粒直径 影 响 .. 由图 5 、 a b比 较 可 以看 出 当 颗 粒 直 径 由 1× _. ;。l 6 j 2 7 s e } a i _ . 3l a e } 2 譬; s 《i __00瓣 i 1 1 增大 到 5 0 1 时 , 颗 粒 运 动 的轨迹 呈 0 T I ×1 T I 其 现 出较大 的不 同 , 即说 明颗 粒 物 直 径大 小 也 是影 响 甜 滗招 i ; 囊上 : b 带翼片 沉 淀效 果好 坏 的一 项 非 常 重要 的指 标 , 粒物 的大 颗 小与 混凝 阶段 密切 相 关 , 凝 效果 的好 坏会 影 响到 混 沉 淀后 出水 的浊 度 。 38g + e o2 图 3 侧向流斜板沉淀池过 DJ垂直于 X轴 的切面处速度场 2 3 颗粒 沉降轨迹 比较 . 2 3 1 人 口处速 度影 响 .. 36 - 2 %+ 0 349 02 e+ 30+2 e0 3 3 l e 02 l+ 39l 02 e+ i器 : ; 2 33 + e 02 采用 D M 模 型 , 算 的 单 元 体 在 速 度 人 口断 P 计 面处向水体 中加入微小颗粒 , 假定微小颗粒 的初始 速度 与人 口处水 流 速度 相 同 , 查 微 粒在 不 同水 流 考 中的去除情 况 , 而 比较 两种 斜 板 对 污染 物 的去 除 从 2 9 e+ 4 02 l75 +O e 2 l55 02 e+ l36 十 e O2 】1 e ̄ 2 6 9 7l + l eO 77 十 l 6e O 5 82 0 l e+ 38 + l 8e 0 19  ̄+ 1 4 0 0o o o 0 : 情况 。在不 同初始 速度 下带翼 片与不 带翼 片 时颗 粒 物质 的运动 轨迹是 : 随着 速度 的增加 , 带翼 片与 带 不 翼 片斜 板 内颗粒 物 沿 着 水 流 方 向运 动 的距 离 均 加 长, 可见 随着 速度 的增加 , 颗粒 物随水 流运 动 的跟 随 性 增强 。加 入翼 片后 , 沿翼 片 BC H 边 的颗 粒 在 很 I 嚣}e; o+ .+ 10 6 7O 短距离 内即可沉 降到翼 片表面 , 较不 带翼 片去 除 率高。 2 3 2 颗粒密 度影 响 .. 由图 4 、 a b比较 可 以 看 出 当颗 粒 密 度 由 1 1 0 0 b =5 1 一 m  ̄ 0 图 5 侧 向流斜板沉淀池内颗粒 物沉 降轨迹 ( 始速 度 0 0 24m/ , 度 14 0k / ) 初 . 0 s密 0 g m。 给水排水 V 13 N . 1 2 0 1 o. 3 o 1 07 41 k / 增大 到 14 0k / 时 , 粒 物沉 降路 径 缩 g m。 0 gm。 颗 维普资讯 24 试 验结 果分 析及模 拟结果 验证 . 鉴于 以上计算 的结果 , 采用激 光粒度 仪 (NT R I E B 1 RE OURC NC, M o e . ra o n ) AS C S ES I d lNo VesC u t 研究 的思 路也 可进一 步用 于分析斜 管沉 淀池 。 ()给 出 了带 翼 片侧 向流斜 板沉 淀池 与 不带 翼 2 片侧 向流 斜板 沉 淀池 颗 粒 物 的沉 降 轨迹 , 以直 观 可 进行试验 , 因为絮体的颗粒粒径 大小 、 度 、 密 直径 均存 在不确定 的因素 , 以试验对模拟 结果 的验证 只能从 所 颗粒去除 的规律 上进行 证 明。模 型池 长为 4 1m, . 沿 着池长水 流方 向在 池子 中部 等距 放置 4个 取 样点 并 进行编号 。颗粒 数沿着水流方 向应呈递 减 的趋 势 , 而 地 分析斜 板沉 淀池 内 的沉 淀 规律 , 带翼 片 侧 向流 斜 板沉 淀池 加快 了颗粒 物 的沉降 , 缩短 了沉降 路径 。 ( )随着 水 流速度 的增 大 , 3 颗粒 的跟 随 性增 强 , 随颗粒物 密度 的增大 其沉 降性也 增强 。颗粒 粒径 大 也有利于沉淀过程的实现 , 有待于对水 中沉降颗粒 的密度 、 聚合特 性进 一步 的研究 。 ( )中试模 型还需 进一 步进 行计 算 与试 验 的考 4 察, 如设 计 中翼 片堆 放 的深 度是 一个很 关键 的 因素 , 如果过深 , 能会造 成沉 淀池底 部 的翼片积 泥 , 可 长期 运 行则会 形成 严重 的短 流现象 。 ( )通 过计算 流体 动力 学原 理 的分 析结 果 指导 5 实践 , 计 出更 为合 理 的水 处 理 构 筑物 是 今 后 的重 设 要研究 方 向 。 表 1中由取样点 1 到取样点 2处 出现 了上升 , 可能 这 是 由于中试模型试 验 中带翼 片 的斜板 与 穿孔 墙 之 间 空 隙过小及穿孔 墙开孔集 中, 使得第 一段 斜板未 充分 发挥作用 , 试验观测沉淀池底泥也呈现出第一段 出泥 量少 , 第二 、 出泥量大 , 四段少 。说 明需进 一步 三段 第 改善水 力 条 件 , 得第 一 段 斜板 充分 发 挥 作 用 。建 使 议 穿孔墙 在整个 斜 板 断 面上 布 水 , 一段 斜 板 距 穿 第 孔 墙 留有 一定 的缓 冲 区 , 得水 流在 整 个过 水 断 面 使 均 匀分布 后再进 入斜板 。取 样点 2 3 4的规 律性 较 、、 好, 颗粒粒 径 由 2 m 至 3 m 均呈 现 出沿 程 颗 粒 0 参 考文 献 1 王福 军 , 计算流 体动力学分 析-C D软件原理 与应用. 京 : - F 北 清 华 大 学 出版 社 ,0 4 2 0 数 降低 的规律 , 与数值 模拟 的规律 吻合 。 表 1 沿带翼片新型斜板沉淀池颗粒粒度分布 1 # 2 # 3 # 4# 2 严煦世 , 范瑾初 , 给水工程. 4版. 第 北京 ; 中国建筑工业 出版社 , 19 95 颗 粒位径 m\ / 2 5 1 O 42 1 7 7 7 9 8 3 5 01 1 9 1 4 10 O 20 3 1 3 4 4 4 1 15 1 6 2 9 5 2 9 o 电线 E mal a a g i y h o c i o — i b i n l @ a o . on i : c u . l 收稿 日期 :0 7 O —2 20 一 1 2 修 回 日期 :0 7 0 —1 20 — 8 5 厂 “ ” “ ” “ ” “ ” “ ” ” ” ” ” i 1 5 3 O 5 0 7 0 1 O O 2 8 2 0 0 0 3 4 2 0 0 0 1 3 1 0 0 0 9 1 0 0 0 ” ” ” 、 ‘ i 湖北将在 2O 年底前再建 7 座污水处理厂 + O9 9 ; + + 总而 言之 , 向 流带 翼 片斜 板 沉 淀 池较 不 带 翼 侧 ; 目前湖北 省共 有城 市污水处 理厂 3 座 , 市污 水 ; 3 城 +处理率为 5.5 低于全国平均水平。其中武汉市城 t 23 %, t市污水 处理 率达 到 了 7 . , 3 1 高于全 国平 均水平 。为 片斜 板沉 淀 池具 有更 高 的污染物 的去 除效率 。对 于 带翼 片斜 板沉淀 池对 污染物 的去 除效率 的 比较还 有 待 于进一 步 的研 究 , 如考 察 颗粒 物 在 沉 降过 程 中 的 i 湖北省计划 20 年底前, 此, 09 再建 7 9座污水处理厂。 i ;新建的 7 座污水处理厂主要分布在县市。20 年全部 ; 9 09 t建成后, 全省城市污水处理率可达到 7以上。 0 t t 为确保污水处理厂正常运转 , 湖北省政府要求各市 j 聚 集特性 、 颗粒 密度等 。 3 结论 i州今年内将污水处理费提高到 08 r , . 元/ 3县市明年内 ; n ;提高到 0 8元/n 。对 城市 污水 处理 设施 建 设严 重 滞 ± . r3 ()分析 了加翼 片与 不加 翼 片侧 向流斜 板 沉 淀 1 池 内水 流流动 的雷 诺 数 , 现加 入 翼 片 可 以显 著 降 发 低水 流流 动 的雷 诺 数 , 出 了对 于具 有翼 片侧 向流 提 t后 、 不落实污水处 理费收 费政策 、 污水 处理 厂建 成后 一 t 年内实际处理水量达不到设计能力 6的, 0 以及已建成 i ;污水处理设施无故 不运行 的地区 , 暂缓审批该 地区项 ; 将 十目环评 , 暂缓下达有关项 目的建设资金 。 t 斜板 沉淀 池 的数值 模 拟 与 分析 方 法 , 取单 元 体 进 行 1 2 给水排水 4 V 13 No1 2 0 o.3 .1 07


快彩平台网站