流量变化对机械絮凝池絮凝效果的流场模拟分析

流量变化对机械絮凝池絮凝效果的流场模拟分析

文章对机械絮凝池内进水流量分别为1.5m3/h和3.0m3/h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。针对不同流量下流速、湍动能的变化规律导致絮凝反应过程中质量变化和能量交换的相应变化，探索进水流量的合理变化范围以及相应的最佳搅拌强度，进而优化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、容积及流量变化是导致水流流态发生改变的直接原因[1，2]，这些参数设计不当，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[3，4]。针对絮凝反应池中不同流量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，為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=27rpm，G1=69s-1；第二级搅拌桨：n2=18pm，G2=43s-1；第三级搅拌桨：n3=12rpm，G3=22s-1。

1.2 模拟方案

通过改变絮凝池的进水流量，相应地改变水力停留时间，流量增大停留时间缩短，反之亦然。分别取流量为1.5m3/h和3.0m3/h对不同进水流量的机械絮凝池完成数值模拟。

1.3 模拟条件

本研究利用计算流体力学软件FLUENT 12.0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

针对流量分别为 1.5m3/h、3.0m3/h时絮凝池中竖直平面的速度场变化图分析如下：

图2和图3所示的絮凝池速度场变化图，流量分别为1.5m3/h和3.0m3/h。图2和图3的速度场云图分布区间基本一致。从图中可知：当水流量发生变化时，絮凝池中整体的流速分布状态变化不大，搅拌桨附近的流场变化情况受流量波动的影响很小，在絮凝池中只增加了局部区域的水平方向流速。

表1为进水流量分别为1.5m3/h和3.0m3/h时的湍动能k及湍动耗散率ε的变化规律。从表中可以看出，当进水流量增加时，絮凝池进水口的湍动能k及湍动耗散率ε随之增大，远离进水口处的区域湍动能k及湍动耗散率ε的变化不大。这表明，在絮凝反应过程中搅拌桨的搅拌作用是提供湍动能的主要动因，同时，水力停留时间不能太短，以确保絮凝效果。

表1 不同进水流量对絮凝池内平均湍动能、湍动的影响

随着絮凝池进水流量的增加，在絮凝池进水口处湍动能及湍动耗散率有增加趋势，在絮凝池的第一级内平均湍动能及湍动耗散率略有增加，在絮凝池的第二、三级反应池内平均湍动能及湍动耗散率未发生明显变化。由此可见，絮凝时间和机械桨的搅拌作用是影响絮凝效果的关键。如果机械絮凝池内流量太大，停留时间过短，搅拌桨水流的搅拌作用不充分，絮体形态不完整，絮凝效果差。因此适当降低进水流量，相应延长水力停留时间，有助于絮凝效果的提高，絮凝反应更充分。

3 结束语

絮凝池中平均瑞动能、耗散率受进水流量的变化影响较小，适当降低进水量，相应延长水力停留时间，使搅拌桨的搅拌作用更充分，有助于絮凝池内湍动能和湍动耗散率的提高，絮体颗粒的碰撞几率增大，絮凝效果提高。

参考文献

[1]武吉道，谭凤训，王新文，等.絮凝动力机理与控制指标研究[J].环境工程，2000，18（5）：22-25.

[2]Park N S，Park H，KimJ S. Examining the effect of hydraulic turbulence in a rapid mixer on turbidity removal with CFD simulation and PIV analysis [J].Journal of Water Supply：Research and Technology～AQUA，2003，52（2）：95-108.

[3]Bouyer D，Coufort C，Line A，Do-Quang Z. Experimental analysis of floe size distribution in a 1-L jar under different hydrodynamics and physiochemical

conditions [J].Jour Colloid Interface Sci，2005，292：413-28.

[4]邱振华.烧杯实验的优化设计及在饮用水生产中的应用[J].净水技术，2003，22（1）：28-31.