水厂虹吸滤池进水流道水力特性的数值模拟

水厂虹吸滤池进水流道水力特性的数值模拟
彭志威1
, 刘子建1
, 黄丹莲
2
(1.湖南大学机械与运载工程学院,湖南长沙410082;2.湖南大学环境科学与工程
学院,湖南长沙410082)
摘 要: 在计算流体力学(CFD)的基础上,采用重正化群(RNG)湍流模型建立虹吸滤池虹吸流动过程的仿真模型,对真空负荷加载过程及真空负荷去除之后的水流流动过程进行模拟,探讨了真空负荷对虹吸过滤启动和虹吸发展过程的影响。

结果表明,所建模型能有效地仿真虹吸滤池的进水虹吸管在特定压力启动负荷下的水力特性,当真空度为进水渠液面与虹吸管顶部中心线之间的水头高度(-5000Pa)时,能够较快地促使虹吸产生。

关键词: 虹吸滤池; 进水流道; 水力特性; 数值模拟
中图分类号:TU991 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2009)15-0070-03
Nu m erical Si m ul ation of H ydraulic Characteristics of Infl ow Channel
i n Siphon F ilter
PENG Zh i w ei 1
, LI U Zi jian 1
, HUANG Dan lian
2
(1.College of M echanical and Vehicle Engineering,H unan Universit y ,Chang s ha 410082,China;2.Colle g e of Environm ental Science and Engineering,H unan Un i v ersit y ,Chang s ha 410082,China ) Abst ract : Based on the co m putati o na l fluid dyna m ics (CFD),t h e renor m alization group (RNG )turbulence m ode lw as used to estab lish the si m ulati o n mode l of siphon filter si p hon flo w process .The vac
uu m l o ad process and the w ater flo w pr ocess after the re moval o f vacuum load w ere si m u lated,and the in fl u ence of vacuum load on the start up and develop m ent of si p hon filterw as i n vesti g ated .The results sho w that t h e si m ulati o n m odel can effecti v e l y pred ict the hydrau lic characteristi c s o f siphon p i p e i n siphon fil ter under the cond ition of spec ifi e d pressure load ,and the si p hon can be generated m ore qu ickly w hen the vacuum reaches w ater head (-5000Pa)bet w een the w ater channe l leve l and the center li n e i n the top bend o f si p hon pipe .
K ey w ords : si p hon filter ; i n flo w channe;l hydrau lic characteristics ; num erica l si m ulati o n 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60635020、50808073); 湖南省环境保护技术研究计划项目(2007185)
虹吸滤池是快速滤池的一种,在其过滤启动过程中,真空系统能否有效、较快地启动虹吸对水厂的水力自动化来说显得尤为重要,影响着出厂水水质的优劣。

如果真空系统在虹吸管内抽吸空气的时间过长,消耗过多的非过滤时间,通常将使水力自动化夭折
[1~4]
,也就不能较好地保障居民用水安全。

笔者在采用计算流体力学(CFD)的基础上,采用重正化群(RNG )湍流模型建立虹吸滤池虹吸流动过程的仿真模型,并利用该模型对真空负荷的加载过程及真空负荷去除之后的水流流动过程进行模拟,以深入探讨真空负荷对虹吸流动启动和虹吸发展过程的影响,为虹吸滤池的设计和运行操作提供
第25卷 第15期2009年8月 中国给水排水CH I NA W ATER &WA STE WAT ER
V o.l 25No.15
Aug .2009
参考。

1 虹吸滤池的结构
虹吸滤池的给排水体系由进水系统和排水系统组成,其进水虹吸管和排水虹吸管均与真空系统连接,通过真空泵、真空罐或抽真空水射器等真空设备提供的真空负压控制管道虹吸的启动或关闭。

进水虹吸管和排水虹吸管中虹吸启动时的水力特性对虹吸滤池同样重要,是过滤操作和反冲洗操作的关键。

本文的研究仅以进水虹吸管为例,由于进水虹吸和排水虹吸的工作机理相似,对排水虹吸也具有参考意义。

2 虹吸管几何模型
虹吸滤池的虹吸管几何模型如图1
所示。

图1 进水虹吸管流道的几何模型
F i g.1
G eom etr i c model o f i nfl ow channel i n filter
O 点右边管段为虹吸管的进水段,左边管段为虹吸管的出水段。

虹吸管的顶部为真空系统接口,从该接口获得虹吸启动初期的真空负荷。

进水渠的液面高于进水斗的,以保证在真空负荷去除之后能为虹吸管的进、出水口提供压差。

虹吸过程中,水需要从进水渠越过O 点的高度差为400mm 。

3 CFD 计算模型和边界条件3 1 湍流模型
虹吸滤池中真空系统启动虹吸的过程及真空系统关闭之后的虹吸发展过程是湍流流动过程。

虹吸管流道的曲率变化较大。

RNG k 双方程模型可模拟仿真非稳态的湍流流动过程,尤其在大曲率、漩涡
的流动过程仿真中能提供更准确的结果[5]。

故本
文采用RNG k 湍流模型[6~8]
求解虹吸管内流体的连续流动过程。

3 2 计算网格和边界条件
虹吸装置的几何模型需要被划分为若干个网格区域以满足计算的需求。

对水力性能影响最大的虹
吸管内部的水流速度及压强梯度要大于其他区域的,故在虹吸管区域增大了网格密度以提高计算精度。

本次计算中划分的网格单元总数为3905个。

进水渠表面设置为压力进口条件,虹吸管顶端和进水斗表面设置为压力出口条件。

其中,虹吸管顶端需加载的真空负荷设定为进水段管内需达到的液面的水头高度(相对于进水渠液面)。

在固壁边界设置无滑表面条件和标准壁面函数。

为求解压力速度耦合方程,笔者采用基于有限体积法的SI M PLEC 算法,仿真过程采用商业软件FL UENT 6.3,通过计算得到了流动过程中的速度场和压力场。

4 结果与分析
4 1 加载真空负荷时的水流流动特征
由于本研究所选虹吸滤池中虹吸管O 点至进水渠液面的高度差为400mm,为使进水段中的水越过O 点以促使虹吸的产生,初步设定加载真空负荷为-425mm 水头(-4250Pa)。

用计算机模拟该真空负荷下水流的流动过程,发现进水渠和进水斗两段的水在负压作用下开始上升,并有部分水逐渐翻越O 点流入出水段。

在0.9s 时,进入出水段的水形成了封闭水柱,此时出水段由于增加了封闭水柱,液柱总和增长,因而所受重力比进水段的大。

故
可以预计,此时如果关闭虹吸管顶端的真空系统,在只有重力作用的条件下,依靠出水段相对进水段较大的重力作用,管内有可能发生自然虹吸。

4 2 关闭真空负荷后的水力特性
为进一步考察上述时刻管内流体能否仅依靠重力产生虹吸,对关闭真空负荷后的流动过程进行计算机模拟,并根据管道出水段是否产生较大负压来判断真空负荷关闭后是否有虹吸现象产生。

在原真空负荷加载时,由于虹吸管顶部给予恒定的-425mm 水头(-4250Pa),因此管内负压区域的压强应恒定在-4306Pa 附近。

而在真空负荷关闭之后的0.54s ,发现负压区域主要集中在虹吸管的出水段,且管内的压强达到了-5180Pa ,大于最初加载的真空负荷压强(-4306Pa),可见此时管内流体依靠自身的重力作用产生了负压,且进水段的液体流入了出水段,从而证实确实产生了自然虹吸作用。

但是从质量流的流态上来看,虽然发生了虹吸,由于在真空负荷关闭之后管内仍存在较多的气体,观察到的虹吸现象并不是很明显。

可见,为满足虹吸滤池的稳定运行,必须改进真空系统的负荷加载值,分
www .watergasheat .com 彭志威,等:水厂虹吸滤池进水流道水力特性的数值模拟第25卷 第15期
析真空负荷对虹吸产生负压的影响,减少管内存在的气体量,以促使产生更强的虹吸作用。

4 3 真空负荷对虹吸产生负压的影响
在分析加载真空负荷为-425mm水头条件下管内压强变化的基础上,分别计算了加载真空负荷为-450、-475、-500、-550mm水头(-4500、-4750、-5000、-5500Pa)条件下,虹吸管出水段截面产生的压强。

结果表明,压强随时间产生剧烈变化,时间为0.5~1.2s时都产生了较大的、有利于带走管内存留空气的正压突变,这可能是由于出水段水位在真空负荷的作用下不断抬升,压缩了管内气体,使其压强突然增大。

此时发生的这种突变有利于虹吸的产生,这是因为压强的每一次正压突变都导致气体流入真空系统,减少了管内存留的空气。

真空负荷的加载值越大,这种突变发生得越早,幅度也越大,在真空负荷为-500、-550mm水头(-5000、-5500Pa)时尤为明显。

在加载真空负荷1.2s之后,由于管内气体几乎被真空系统抽尽,出水段截面逐渐呈现趋于平稳的负压,且真空负荷加载值越大则负压值越大。

观察加载不同真空负荷的质量流流态,发现设定的真空负荷加载值越高,虹吸管进水段和出水段的液面也越高,管内存留的气体量则越少。

当真空负荷的加载值设定为-500mm水头(-5000Pa)并加载0.8s时,虹吸管进水段的水在真空系统提供的负压作用下到达了O点;加载1.4s时,该管段的水开始越过O点,流入出水段,而此时出水段的液面在真空系统的负压作用下仍在升高,因此管内存留的气体在不断缩小的紊流空间内形成明显的气泡,并随进水段翻越O点形成的水流运动而进入出水段底部;加载2.0s时,进水段的水在翻越O点之后形成了封闭的水柱,管内气泡增大、增多,气体以这种气泡的方式被水流挟带并流出虹吸管道;加载2.6s后,管内存留的气体被逐渐带出虹吸管,发生了明显的虹吸。

而在真空负荷的加载值<-500 mm水头(-5000Pa)时,质量流流态分析显示管内存留气体仍较多,不能产生明显的虹吸。

结果还表明,在仅依靠重力的条件下,管内的虹吸能持续进行,管内负压达到-6000Pa,水的瞬时流速可达到5.0m/s。

因此,可以确定该仿真试验条件下,加载值为-500mm水头(-5000Pa)是最优真空启动负荷。

5 结论
CFD模型能够为预测虹吸滤池中虹吸管内水流流动过程的水力特性提供参考。

不同的启动负压设置对虹吸性能有明显的影响。

当真空负荷的加载值为-425~-550mm水头(-4250~-5500Pa)时,虹吸过程的负压值随真空负荷加载值的增加而升高;当真空负荷的加载值设定为-500mm水头(-5000Pa)时,虹吸管内能够产生明显的虹吸,此时再关闭真空系统提供的负压,虹吸仍能持续进行,而低于该负荷加载值条件下产生的虹吸则较弱。

因此,该仿真试验条件下真空负荷的最优加载值为-500mm水头(-5000 Pa),即对应的真空度为进水池液面与虹吸管顶部中心线之间的水头高度。

参考文献:
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[J].Buil d i ng Env iron,2007,42(11):3872-3882.
电话:(0731)8821726
E-ma il:peng zh i w e@
收稿日期:2009-03-15
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