设有挡板的机械絮凝池流场模拟分析

设有挡板的机械絮凝池流场模拟分析

文章对机械絮凝池内设置挡板和不设置挡板情况下的三维流场进行数值模拟计算，分析了不同水力学条件下絮凝池的流体变化及流场分布情况。针对方形絮凝反应池四个角的流速、湍动能均较小，在絮凝反应过程中质量变化和能量交换受到极大阻碍，考虑在反应池的池壁上设置扰流挡板，通过改变此区域的流态来改变流速及湍动能，进而改善絮体颗粒间的碰撞和凝聚作用。

标签：机械絮凝；流场；挡板；fluent模拟

絮凝池的形状、搅拌桨的转速、桨板的几何尺寸及桨板在水中的位置是导致水流流态发生改变的直接原因，这些因素设计不当，会降低絮体颗粒的碰撞几率，阻碍絮体的形成，甚至导致絮体的破碎。针对絮凝反应池中水流流态的变化规律以及对絮凝反应过程的影响，通过CFD工具Fluent软件进行三维流场的模拟计算，对复杂的絮凝反应过程进行量化描述和科学阐述，为絮凝工艺优化提供简单、高效的研究方法。

1 流场模拟方案方法

1.1 机械絮凝池模型

机械絮凝池装置设计为三级，每级反应池的尺寸为：长×宽×高=500mm×500mm×750mm，设计有效水深为600mm。絮凝池设有一个进水口一个出水口，由前端底部进水，后端顶部出水。平面尺寸如图1所示。

根据《给排水设计规范》规定，絮凝阶段，平均G值一般在20～70s-1，根据絮凝反应的特点，从第一级至第三级逐级递减。因此，机械絮凝池的三级搅拌桨的转速分别为：第一级搅拌桨：n1=26rpm，G1=70s-1；第二级搅拌桨：n2=19pm，G2=44s-1；第三级搅拌桨：n3=11rpm，G3=21s-1。

1.2 模拟方案

针对絮凝池内有无挡板的流场进行比较。如图1所示，在絮凝池的每级反应池内都安装了4块规格尺寸相同的挡板，每块挡板的尺寸设计为长×宽=200mm×25mm。对设有挡板和未设有挡板的絮凝池分别进行流场模拟计算。

1.3 模拟条件

本研究利用计算流体力学软件FUJENT12.0进行模拟计算，反应池进水口采用均匀水流速度条件，出水口设为自由出流。对于搅拌桨叶与池壁之间的相互作用，采用多重参考系法（MRF），桨叶及其附近区域的流体域定义为运动区域随桨叶一起转动，采用旋转坐标系，其他区域定义为静止坐标系，壁面、搅拌轴和搅拌桨设置为固体壁面，界面采用无滑移固壁条件。

2 模拟结果与分析

絮凝池的设计处理能力为Q=1.5m3/h，三级搅拌桨转速分别为n1=26rpm；n2=19rpm；n3=11rpm。分别对设有挡板的反应池和未设有挡板的反应池进行流场模拟计算。并取距池底300mm的截面进行分析考察，如图2所示：

方形反应池具有较有效的扰流作用，使桨板与水流间产生有效的相对运动，能够提高絮体颗粒的碰撞几率，提高絮体效率。同时方形反应池存在四角处流速小、湍动能低等不足，且此区域易形成死水区，絮体颗粒碰撞几率小，影响流体的传质效率，阻碍能量转换，如图2、图4所示。因此，在每级反应池的壁面上设置四块挡板，如图1所示，以改善絮凝反应的水力条件。

图3和图5分别为设置挡板后反应池距池底300mm处截面的流场图和湍动能图。在方形反应池四周池壁上设有挡板，可以有效地改善边角等死水区的水流状态，增大此区域的水流流速，使湍动能分布更为合理有效，提高絮体颗粒间的碰撞几率，改善絮凝效果。

3 结束语

通过对机械絮凝池内设置挡板和不设置挡板情况下的三维流场进行数值模拟计算，分析了不同水力学条件下絮凝池的流体变化及流场分布情况。针对方形絮凝反应池四个角的流速、湍动能均较小，在絮凝反应过程中质量变化和能量交换受到极大阻碍，因此考虑在反应池的池壁上设置扰流挡板，通过改变此区域的流态来改变流速及湍动能，进而改善絮体颗粒间的碰撞和凝聚作用。

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