辐流式沉淀池内部水流运动模拟

正方形沉淀、澄清池内部水流运动模拟及设计应用

金陶胜1※，赵彦琳1，丁南华2，吴鹏飞2，刘海洪3

（1、南开大学环境科学与工程学院，天津，300071

2、江苏新纪元环保有限公司，江苏宜兴，214214

3、东南大学，江苏南京，210096）

摘要：本文针对江苏新纪元环保有限公司自主研发的上下全截面正方形沉淀、澄清池进行水流运动模拟及分析。正方形沉淀澄清池的水力特性对其沉淀效果有很大影响，在沉淀池水力设计中应通过对池型以及各种几何参数的优化，使其池内回流区范围尽可能减小，并且尽量使池内垂直断面上流速均匀平稳，本研究中，主要利用模型模拟正方形沉淀澄清池在不同进水流速和不同挡板布置形式下的水流流场，经过分析比较出较为合理的沉淀池运行工况以及较为合适的挡板布置形式，进而提高沉淀池的运行效率。

关键词：正方形沉淀池，流速，挡板，模拟

国内外用于泥水分离的沉淀澄清池，通常采用矩形或圆形。矩形池虽布局紧凑占地省，但桁车或链板式刮泥机运行方式导致池体两端存在死角，易造成泥沙堆积，池体过长容易造成泥体上浮现象，刮泥效果不好；圆形池虽具有水力特性好、泥水分离效果优等特点，但不能充分利用圆池四角面积，相邻布置需留有足够空间，占地面积大，同等占地面积处理水量小，建设投资大。

近年来，江苏新纪元环保有限公司发明了一种新型正方形沉淀、澄清池[1,2,3]，是将水处理工艺中各种沉淀、澄清、浓缩、混凝池设计成兼具圆形池和矩形池两者优点，又能克服两者缺点的上下全截面正方形结构池。在该发明设计中，由于引入了刮泥机铰链四连杆装置技术，从而使得正方形刮泥机也能刮除圆周以外四角沉淀污泥，达到了项目占地池容最大化及建设投资最小化。据初步测算，相同池径单池可增加面积27%(处理水量增加27%)，相邻合建节约占地35%以上，节省总投资25%。

Zhou 等人[4]通过模拟、分析辐流式二沉池挡板位置对池内水流情况和悬浮物浓度的影响，得到低弗鲁德数和挡板与进口距离较小时，沉淀池运行较好。也有一些国外学者利用流体力学软件对各种污水处理反应器流场进行了数值模拟,取得了很有价值的成果[5-7]。韦安磊等[8]利用CFD 软件，对二沉池中入流挡板的结构进行改进，解决池内因涡流现象引起的问题，从而提高二沉池处理能力。另外很多国内的学者专家将数值模拟的方法应用于沉淀池的优化设计，同样取得了不容小觑的成绩[9-12]。

作为一种新型的沉淀、澄清池，正方形池综合圆形及长方形池优点，可以在四角碰撞产生紊流，强化混凝反应。本论文正是基于相应的正方形沉淀池设计，采用计算流体力学软件对池内的流体运动进行模拟，分析其流体运动状况与沉淀池的设计流速以及结构参数等因素之间的关系，以更好的发展应用正方形沉淀、澄清池泥水分离技术。

一、模型的建立

江苏新纪元环保有限公司提供长30米×宽30米正方形沉淀、澄清池，中心进水周边出水形式，中心稳流筒直径D=1.8米，高度2米的尺寸，结合《正方形沉淀、澄清池计算书》（日设计流量为20万m3）提供的数据建立模型如下，其中方形池边长为30m，池体主体部分高为4.91m（不包括超高，污泥斗以上的椎体部分坡度忽略，只看作0.41m），由于本研究只考虑正方形沉淀、澄清池体内部的水流运动，因此未考虑污泥斗部分，模型中未建立。共划分约220000个网格，如图1所示。

图1（a ） 正方形沉淀、澄清池结构模型

图1（b ） 正方形沉淀、澄清池模型网格

竖直剖面图见图2（a ）、（b ），取沉淀池中心断面为监测面，以后分析皆以此监测面为研究对象。

图2（a ） 正方形沉淀、澄清池垂直断面结构模型

入水口

挡板 监测面

图2（b）正方形沉淀、澄清池垂直断面模型网格

二、不同入口速度下的水流运动情况

《边长30m正方形沉淀、澄清池计算书》中给出的设计流量Q为20万m3/d，变化系数为1.3，由中心筒直径D=1.8m可以得出过流面积S=2.5434m2，由此可以计算出入口流速为1.183m/s，得到监测面的模拟图形，如图3所示。

图3 进口流速为1.183m/s时监测面流线图

从图形中可以看出右侧有较明显的回流，这会影响沉淀、澄清池的水力性能，减小流速，

得到模拟图形，如图4所示。

图4 不同进口流速的内部流线图

从图4可以看出，随着进口流速的减小，池体内部的回流现象会逐步减弱，但是在实际设计中，还应考虑其他因素（如每天所需达到的处理水量等），以得到最适流速。

三、挡板对水流运动的影响

《边长30m 正方形沉淀、澄清池计算书》中给出的挡板形式为中心稳流筒，稳流筒可以使进口水流尽量保持均匀平稳，以提高沉淀效率。现设定进口流速V=1.183m/s （由《计算

书》中设计流量为20万m 3/d 换算得出），针对不同的稳流筒直径和高度进行模拟，如图5

（改变直径D ），图6（改变高度H ）所示。

V=0.0005m/s

V=0.3m/s V=0.8m/s V=0.05m/s V=0.01m/s

V=0.001m/s

V=1.183m/s V=0.005m/s

图5 不同挡板直径的沉淀、澄清池内部流线图

从图5中可以看出，当不设置挡板时（D=0），入口处流速较大，且产生较大漩涡，势必影响沉淀池的运行效率，挡板直径分别为4m 、5.5m 、7m 时，挡板左侧回流逐渐增大，有利于提高混凝反应强度和混凝效果，而挡板右侧无明显差别，但是可以看出，D=5.5m 时，池体内部整体流线图比较均匀，可减小回流现象对絮体沉淀过程的影响。

图6 不同挡板高度的沉淀、澄清池内部流线图

图6的结果显示，挡板高度在1m 时有较明显的漩涡影响，而挡板高度在2m 和3m 时的流线比较均匀，污泥絮体沉淀扰动相对较小。产生这种现象的原因可能是因为稳流筒内流速较大，且与池内水相比，这股水流相对密度也较大，而挡板高度的增加可以抵消部分出口水流的动能，缓解进口水流对池体内部的冲击，也就是尽可能保证了池内的布水均匀。综合考虑经济因素，选择挡板高度在2m 比较适宜。

四、结论

1、在本研究中，进口流速对池体内部流线图有较为明显的影响，但是在实际操作过程中，要结合实际情况，考虑所需处理水量等因素，确定最适流速。

2、对于挡板高度与直径的研究，本实验是将进口流速确定在《计算书》中的设计流速

V=1.183m/s （设计流量为20万m 3/d ）的情况下模拟的，从所模拟的情况来看，挡板直径在

5.5m ，高度在2m 时比较适宜。

参考文献

[1]丁南华.新型正方型泥水分离池刮泥机应用前景.流程工业杂志,11/2009,P52-53.

[2]丁南华,虞国量,任洪强,庄昌玺.正方型沉淀池刮泥机技术研发及产业化应用前景,亚洲环保杂志,7/2009,P11-14.

D=0m D=5.5m

D=4m D=7m

H=1m H=2m H=3m