沉淀池工况的数值模拟及流场测量

论文摘要

近些年随着社会经济的快速发展,我国水污染问题尤为突出,同时随着居民生活质量的提高,对水质标准的要求更加严格。因此对水处理各构筑物的处理功能提出了更高的要求,本文主要利用计算流体动力学的方法研究了对沉淀池内水流流动及污染物沉淀特性产生影响的主要因素。对现有沉淀池运行状况进行分析,优化主要设计参数的取值范围,以期更大程度的发挥沉淀池的功能,使其经济低耗的运行。当前沉淀池的设计主要基于理想模型,依据水力负荷或水力停留时间来确定池子的尺寸,假定沉淀池内水流为均一流速的理想模型,常常不能较好地反映出实际情况,实际沉淀池内水流的流态受到池体的几何形状、污染物浓度、温度及风速等因素的影响,悬浮污染物的传质沉淀主要受到水流运动特性的影响,因而沉淀池对污染物的去除率也受到这些外界因素的影响而发生变化。为了研究沉淀池在不同条件下的运行状况,需对沉淀池内水流的流场进行研究,沉淀池内水流流态实际为湍流,需要建立湍流模型。本文的主要研究工作和成果如下:建立了描述沉淀池内的水流流动、混合与沉淀特性的k-ε双层模型及传质沉降模型,结合文献中经典的实验结果进行数学模型及计算方法的验证:检验了不同雷诺数范围内水流由池底进入时数学模型的预测能力,与Imam等人的实验及计算所得速度场（Re=10 900）及挡板后方回流涡长度（雷诺数从2 50025 000）进行了比较,验证了模型的有效性;与Imam等人的实验及计算所得过流曲线进行了比较,结果表明本文预测的结果精度更高;在低浓度污染物（SS<150200mg/L）时,固相对液相的影响一般认为可以忽略,所建立的沉降模型可以预测沉淀池内污染物的去除率,计算结果与其它文献值吻合良好;水流从池子中部进入沉淀池时流场发生了变化,入口处出现了两个旋涡,本文的预测结果也得到了验证。因此本文所建立的数学模型及求解方法可以用来预测沉淀池内低悬浮物固体浓度污水的流动、传质与沉降特性。在数值模拟的基础上,对水流由池底进入沉淀池内的流场进行了分析与总结。将池内水流流场分为三个区域:（Ⅰ）入口挡板后方存在一个较大的回流旋涡区域;（Ⅱ）水流主体流动区域;（Ⅲ）水流出口堰附近较小并与入口漩涡方向相反的小旋涡区域。区域Ⅰ的大小及形状受雷诺数的影响很大,随雷诺数的增大而增大;区域Ⅲ的大小亦随雷诺数的增大而增大,它所占的面积很小,增加的幅度也不大;区域Ⅱ也受到雷诺数的影响,随雷诺数的增大而减小。区域Ⅰ与区域Ⅱ之间剪切力较大,易使形成的絮体破碎,应控制适当的水力条件。压力场的变化规律主要受到入口处挡板及出口处堰板的影响,出现两个低压区:（1）入口挡板的后下方,此低压区较小;（2）出口堰板的上方,此低压区对污染物具有卷吸作用,因此池深较浅且流量较大时污染物易被吸入该区域而被带出沉淀池。建立了描述沉淀池内水流运动的三维湍流数学模型及计算方法,湍动动能在入口区域很大,说明不利于污染物沉淀。利用激光多普勒测速仪测量了模型池内三维流速场并与采用数学模型计算所得结果进行了比较,结果表明模型预测的结果与实际吻合良好。建立了圆形沉淀池在低污染物负荷时受温差影响的数学模型,受温差的影响会产生异重流与浮力流的现象,所建立的数学模型与文献中的结果吻合良好,进一步证明模型的正确性,总结出温差是影响流场的一个很重要的因素。为了进一步深入地了解沉淀池内水流在不同运行工况下的流动特性,为数值模拟结果提供实验的验证,利用二维和三维激光多普勒测速仪（LDV）对沉淀池的流场进行了一系列的测量。考察了流量和进水口高度变化时的流场特征、回流区长度和达到均匀流速的长度变化情况。实验结果表明:（1）在挡板后方存在一个大的回流区;（2）回流区的长度随流量的增加而增大,回流区内时均速度值相对较小;（3）随着挡板高度的增大,回流区的长度也增大;（4）与流量的变化相比较挡板的高度对流场的影响更为显著。在建立的数学模型及求解方法可以用来预测沉淀池内低悬浮物固体浓度污水的流场,传质与沉降特性得到验证的基础上,本文进一步优化沉淀池主要设计参数的取值范围。低悬浮物固体浓度污水时的优化设计的参数包括挡板的淹没深度以及池子的长深比。通过优化确定挡板浸入水的深度占池深的比率Hb/H在0.200.50的范围内其沉淀效率较高;沉淀池的长深比大于12时其对污染物的去除率增大开始不明显,为了达到较高的去除率且尽量节省占地面积,建议长深比宜不小于8,不大于12。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 沉淀池的类型
• 1.2.1 按池内水流方向分类
• 1.2.2 按工艺布置分类
• 1.3 沉淀池的设计
• 1.3.1 设计规范及参数规定
• 1.3.2 一般规定
• 1.3.3 设计的规定及说明
• 1.4 沉淀池的研究现状
• 1.4.1 速度及浓度场的研究
• 1.4.2 温度对流场的影响
• 1.4.3 沉降模型的研究
• 1.4.4 优化设计的研究
• 1.5 研究的目的与意义
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 数值模拟的理论基础及数学模型
• 2.1 流体运动的基本方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 运动方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.1.4 异质扩散方程
• 2.1.5 布辛涅斯克近似方程组
• 2.2 湍流的基本方程
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 动量方程
• 2.2.3 能量方程
• 2.2.4 扩散方程
• 2.3 湍流的计算模型
• 2.3.1 湍动能方程
• 2.3.2 湍动能耗散率方程
• 2.3.3 雷诺传热与传质方程
• 2.4 三维定常对流扩散方程的混合有限分析格式
• 2.5 计算技术与方法
• 2.5.1 交错网格
• 2.5.2 SIMPLE算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 平流沉淀池的数值模拟
• 3.1 平流沉淀池内水流的雷诺数和流态分析
• 3.2 常湍流粘性系数模型的应用
• 3.2.1 数学模型及计算方法
• 3.2.2 计算结果及分析
• 3.2.3 与自控结合的讨论
• 3.3 二维湍流k-ε模型的应用
• 3.3.1 数学模型及边界条件
• 3.3.2 流场计算结果
• 3.3.3 传质过程
• 3.3.4 沉淀池内流场变化的规律
• 3.4 沉淀池流场三维分析
• 3.4.1 三维数学模型
• 3.4.2 方程的无量纲化
• 3.4.3 固壁边界的处理——壁函数法
• 3.4.4 计算结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 圆形沉淀池的数值模拟
• 4.1 数学模型及边界条件
• 4.2 圆形沉淀池温度对流场的影响研究
• 4.2.1 无温差的影响
• 4.2.2 低温水进入高温水的影响
• 4.2.3 高温水进入低温水的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 沉淀池内速度场的测量及验证
• 5.1 实验装置及测量系统
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 速度测量系统
• 5.1.3 实验工况参数
• 5.2 实验结果及其分析
• 5.2.1 流量及挡板高度对流场的影响
• 5.2.2 中部进水时流场的测量
• 5.2.3 流场的三维测量
• 5.2.4 风速对流场的影响
• 5.3 本章小节
• 第6章 沉淀池的优化设计
• 6.1 污染物的去除率模型
• 6.2 非均一颗粒模型
• 6.3 均一颗粒模型
• 6.3.1 挡板的淹没深度
• 6.3.2 沉淀池长度与有效水深之比的设计
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历