基于计算流体动力学（CFD）的二次供水系统贮水设施水力状态数值模拟

基于计算流体动力学（CFD）的二次供水系统贮水设施水力
状态数值模拟
杨坤;姚黎光;舒诗湖
【摘要】Hydraulic state of the secondary water supply storage facility has a significant impact on the secondary water supply water quality. FLUENT and k ε equation were used to simulate the flow field of the tank numerically by authors. Comparison between flow patterns and flow velocity of the tank with different inlet/ outlet position,diversion board length and number shows that the diversion board can improve the flow velocity,reduce the dead zone area,which provides an important reference for the design of the secondary water supply storage facility.%二次供水贮水设施的水力状态对二次供水水质具有重大影响，借助大型流体软件 FLUENT，作者采用k ε方程对水池流态进行了数值模拟，比较进／出水口位置不同、导流板长度及个数不同水池内水流流态和流速。

结果表明设置导流板可以提高水池内水流流速、减少死水区面积，这为二次供水贮水设施的设计提供了重要的参考价值。

【期刊名称】《净水技术》
【年(卷),期】2016(035)005
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】二次供水系统;贮水设施;计算流体动力学(CFD);数值模拟;导流板;水力状态
【作者】杨坤;姚黎光;舒诗湖
【作者单位】上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082;上
海城投水务集团有限公司供水分公司，上海200002;上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082
【正文语种】中文
【中图分类】TU991.3
随着城市的发展，土地资源越来越紧缺，多层、高层、超高层建筑日益增多，市政供水压力并不能满足此类建筑的供水压力要求，因此经过加压和贮存饮用的二次供水是绝大部分城市居民用水途径[1]。

生活饮用水在贮蓄过程中，水池水箱的水力特性是影响水质的主要因素之一。

传统的贮水装置的设计目的主要是最大限度地满足生活、消防等各种用水的需求，起到调节水量的作用。

过于强调水量的蓄贮调节功能，必然会加大贮水容积，导致水池水箱中水力停留时间的延长和水流状态的改变，从而使水质下降。

大量的调查表明，贮水装置中不合适的水力特性会对水质产生潜在的不良影响，甚至使水质恶化[2-4]。

因此研究水池水箱的水力特性对改善二次供水水质具有重大意义。

本模拟采取二维模型来简化模拟三维物体，假设流体在垂直方向上没有显著的变化，在模拟的结果与物理原型的误差控制在可以接受的范围的情况下，这样的简化可以反映出整个流场特征与细节。

本次模拟的水池尺寸为长5.6 m×宽2.5 m，进/出水口管径为100 mm。

2.1 基本方程
采用二维数学模型标准方程，包括水流连续方程、水流动量方程、标准k-ε紊流模型。

对不可压缩黏性流体，在直角坐标系下，其运动规律可用N-S方程来描述，连续
性方程和动量方程分别如式(1)、式(2)所示。

其中： t—时间；
xi、xj—方向；
ui—xi方向流速；
—xi方向时均流速；
—xi方向时均脉动流速；
—xj方向时均脉动流速；
—时均压力项；
ρ—流体密度；
μ—运动粘滞系数；
Fi—单位质量力在xi方向的分量。

标准k-ε模型是一个半经验的公式，主要是基于湍流动能k和扩散率ε。

湍流动能k方程是个精确方程，扩散率ε方程是个由经验公式导出的方程。

湍流动能方程k如式(3)所示。

+Gk+Gb-ρ ε-YM+Sk
扩散方程ε如式(4)所示。

其中： Gb—浮力产生的湍流动能；
Gk—层流速度梯度产生的湍流动能；
YM—可压缩湍流中过渡扩散产生的波动；
C1ε, C2ε, C3ε —常量；
σk—k方程的湍流Prandtl数；
σε—ε方程的湍流Prandtl数；
Sk和Sε—用户定义。

湍流速度μt由式(5)确定。

运用标准k-ε模型进行水池水流的流动模拟时，从试验中得来的包括基本湍流模型
常量：C1ε=1.44, C2ε=1.92, C3ε=0.09, σk=1.0, σε=1.3。

2.2 边界条件
CFD模拟的边界条件如表1所示。

壁面边界采用无滑移边界条件，壁面速度为0，使用标准壁面函数[5]。

2.3 数值方法
采用二阶迎风格式对各控制方程离散化。

采用SIMPLE算法对流场进行计算。

为
确保数值计算的精度和稳定性，在进行网格划分时要考虑节点、光滑度、偏斜度等影响因素[6]，划分网格时采用交错网格技术，对于流场特性变化显著的地方如边
界层、拐角处等采用较高的网格密度，以避免棋盘格式分布的压力场或流速场，提高反映该区域流场特性变化的详细信息的准确性。

进水管与出水管有位于水池同侧和异侧两种情况。

进水管和出水管同侧时，对不设导流板、中间设1/2水池长度的导流板、中间设2/3水池长度的导流板、中间设
3/4水池长度的导流板、设3个7/8水池长度的导流板等5种情况进行模拟。

进
水管和出水管异侧时，对不设导流板、设两个2/3水池长度的导流板、设两个3/4水池长度的导流板等3种情况进行模拟。

(1) 进水口和出水口在水池的同侧，不设导流板时，水池水流流线和速度分布如图
1所示，进水口和出水口在水池异侧，不设导流板时，水池水流流线和速度分布如图2所示。

由图1图2可知，不论进水口和出水口位于水池的同侧还是异侧，水
池中间及拐角处都存在较大面积的死水区。

(2) 进水口和出水口位于水池的同侧，水池中间设长度为1/2水池长度的导流板，由图3可知，与不设导流板相比，水池中间的死水区减小，但是在拐角处死水区
增大，但总的死水区面积小于不设导流板；由图4可知，水池中间设长度为2/3
水池长度的导流板，拐角处的死水区比1/2水池长度导流板时减小；由图5可知，加3/4水池长度的导流板，水池拐角处的死水区明显减小。

(3) 进水口和出水口位于水池的异侧，由图6和图7可以看出，水池设置两个长度为3/4水池长度导流板比设两个2/3水池长度导流板时死水区减少。

(4) 进水口和出水口位于水池的同侧，水池设置3个7/8水池长度的导流板，与前面的几种情况相比，死水区明显减小，水流流速增大。

(1) 不设导流板时，进水口不论在水池的同侧还是异侧，水池都会有很大面积的死水区。

(2) 水池中加设导流板会使死水区面积减小；导流板长度为3/4水池长度以上时，死水区面积有明显减小；导流板的个数增多，水池内水流流速增大，死水区面积减小。

(3) 可以对不同形状的二次贮水设施、不同形状的导流板做进一步研究，探讨其机理。

【相关文献】
[1] 许嘉炯，樊华青，李洋.二次供水系统设施设计关键技术研究[J].给水排水，2012，38(s1)：401-403.
[2] 傅金祥.生活饮用水二次污染控制理论与研究技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2000.
[3] 侯达文.城市二次供水水质改善研究[D].长沙：湖南大学，2008.
[4] 黄怡，周文琪，陶诚.城市二次供水系统水质管理模式浅析[J].净水技术，2012，31(4)： 24-26.
[5] 王福军.计算流体力学分析-CFD软件原理与运用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[6] 杨小林，杨开明，王华，等.基于FLUENT的折板絮凝池三维涡旋水流数值模拟[J].给水排水，2009，35(8)： 21-23.。