帶翼片側(cè)向流斜板內(nèi)水流流動特性研究

帶翼片側(cè)向流斜板內(nèi)水流流動特性研究

為了解決前使用的傾斜波形板沉淀效果較差的問題，提出了一種帶翼的傾斜角度沉淀池方案，并對其進(jìn)行了實(shí)驗研究。測試單元如圖1所示。為了研究顆粒物在斜板內(nèi)的沉降過程及帶翼片側(cè)向流斜板沉淀池的沉淀效率是否高于不帶翼片側(cè)向流斜板沉淀池,本文采用了計算機(jī)數(shù)值模擬的方法加以驗證,并結(jié)合模型試驗與實(shí)際工程設(shè)計,這對于節(jié)省沉淀池改造工程的投資及以后運(yùn)行管理費(fèi)用都有重大的經(jīng)濟(jì)意義。1單元內(nèi)水流流態(tài)斜板與水平面成60°傾斜角放置,在每塊斜板的下方引出一排翼片,與水平面仍成60°傾斜角。如圖1所示,帶翼片斜板沉淀池內(nèi)斜板與一系列翼片形成水流流動通道,鑒于各通道尺寸相同,因此只需取其中一個單元進(jìn)行研究。水流由布水穿孔墻至斜板入口處,由于水流分散不均會使入口水流速度大小不等,而計算中只需改變?nèi)肟谶吔绲牧魉偌纯煽疾焖俣确植疾痪樾蜗聠卧w內(nèi)的流動狀況,故選擇單元體進(jìn)行研究具有代表性。本文中的單元體內(nèi)水流流態(tài)為三維流動,如圖2所示計算區(qū)域ABCDEF-GHIJKL為棱柱體,其長度AG為0.96m,一側(cè)邊長AC為0.104m,另一側(cè)邊長CD為0.058m,成120°角,BCIH、DEKJ為兩塊翼片,AGLF、CIJD為斜板。穩(wěn)態(tài)層流不可壓流體的控制方程如下。1.1方程的連續(xù)性1.2變量方程1.3充分發(fā)展邊界條件速度入口:入口速度按均勻流假定z=0,u=速度出口:采用充分發(fā)展邊界條件假定=0,v=0,w=0。邊壁,無滑移邊界條件假定u=υ=w=0。1.4單位顆粒受到的阻力式中u——流體相速度;up——顆粒速度;ρ——流體密度;ρp——顆粒密度。FD(u—up)為單位質(zhì)量顆粒受到的阻力。虛擬質(zhì)量力,(i=1,2,3)。為了消除網(wǎng)格依賴性的影響,先進(jìn)行了試算,最終確定計算采用網(wǎng)格數(shù)為29302,采用有限體積法求解控制方程及SIMPLE方法對速度場與壓強(qiáng)場進(jìn)行解耦。2計算與分析2.1u3000流速公式不帶翼片的平行斜板間水流的長度以兩斜板面AC、DF間距表示,其值為D1=0.09m,取水溫20℃,則水的運(yùn)動粘性系數(shù)υ=1×10-6m2/s,u=Q/A=Q/(HB),u=20/(2.9×0.8)=0.0024(m/s),式中u代表水流的平均流速,Q為流量,A為過水?dāng)嗝婷娣e,R=L1D1/(2L1)=D1/2,Re=uR/v=0.0024×0.045/1×10-6=108。帶翼片的斜板間水流的特征長度以水力半徑R表示,R=A/X,A為小單元過水?dāng)嗝婷娣e,A=L1D1,X為小單元過水?dāng)嗝娴臐裰?χ=2L1+2k1,R=A/X=0.058×0.09/(0.058×2+0.08×2),Re=uR/v=0.0024×0.0189/(1.0×10-6)=45.36,可見雷諾數(shù)降低為原來的42%,明顯增強(qiáng)了水流流動過程中的粘性力,有利于沉淀。2.2速度對懸浮顆粒去除率影響圖3a、b給出了帶翼片與不帶翼片斜板過DJ垂直于x軸切面的速度向量場,圖3a速度場中,只有靠近上側(cè)壁速度很小,而圖3b速度場中,上下兩側(cè)速度均很小,兩者在同樣入口速度的情況下,根據(jù)連續(xù)性方程,則b中主流的最大速度較a大,可見兩者的速度場分布呈現(xiàn)較大的不同,也即水流的主體速度存在差異,b與a相比部分流場區(qū)域速度減小了,部分流場區(qū)域速度增大了,而低速度有利于顆粒物沉淀,究竟哪部分占主要份額難以確定,但速度的改變會造成水中懸浮物攜帶能力的不同,從而造成去除率的不同。僅基于以上結(jié)果分析還不足以比較帶翼片與不帶翼片斜板沉淀池對懸浮顆粒的去除率。下面引入DPM模型進(jìn)行計算分析。采用DPM模型,計算的單元體在速度入口斷面處向水體中加入微小顆粒,假定微小顆粒的初始速度與入口處水流速度相同,考查微粒在不同水流中的去除情況,從而比較兩種斜板對污染物的去除情況。在不同初始速度下帶翼片與不帶翼片時顆粒物質(zhì)的運(yùn)動軌跡是:隨著速度的增加,不帶翼片與帶翼片斜板內(nèi)顆粒物沿著水流方向運(yùn)動的距離均加長,可見隨著速度的增加,顆粒物隨水流運(yùn)動的跟隨性增強(qiáng)。加入翼片后,沿翼片BCIH邊的顆粒在很短距離內(nèi)即可沉降到翼片表面,較不帶翼片去除率高。2.3.2密度效應(yīng)由圖4a、b比較可以看出當(dāng)顆粒密度由1100kg/m3增大到1400kg/m3時,顆粒物沉降路徑縮短,密度大的顆粒有利于沉淀。2.3.3不同粒徑和混凝階段顆粒尺寸的變化由圖5a、b比較可以看出當(dāng)顆粒直徑由1×10-5m增大到5×10-5m時,其顆粒運(yùn)動的軌跡呈現(xiàn)出較大的不同,即說明顆粒物直徑大小也是影響沉淀效果好壞的一項非常重要的指標(biāo),顆粒物的大小與混凝階段密切相關(guān),混凝效果的好壞會影響到沉淀后出水的濁度。2.4試驗結(jié)果分析鑒于以上計算的結(jié)果,采用激光粒度儀(INTERBASICRESOURCESINC,ModelNo.VersaCount)進(jìn)行試驗,因為絮體的顆粒粒徑大小、密度、直徑均存在不確定的因素,所以試驗對模擬結(jié)果的驗證只能從顆粒去除的規(guī)律上進(jìn)行證明。模型池長為4.1m,沿著池長水流方向在池子中部等距放置4個取樣點(diǎn)并進(jìn)行編號。顆粒數(shù)沿著水流方向應(yīng)呈遞減的趨勢,而表1中由取樣點(diǎn)1到取樣點(diǎn)2處出現(xiàn)了上升,這可能是由于中試模型試驗中帶翼片的斜板與穿孔墻之間空隙過小及穿孔墻開孔集中,使得第一段斜板未充分發(fā)揮作用,試驗觀測沉淀池底泥也呈現(xiàn)出第一段出泥量少,第二、三段出泥量大,第四段少。說明需進(jìn)一步改善水力條件,使得第一段斜板充分發(fā)揮作用。建議穿孔墻在整個斜板斷面上布水,第一段斜板距穿孔墻留有一定的緩沖區(qū),使得水流在整個過水?dāng)嗝婢鶆蚍植己笤龠M(jìn)入斜板。取樣點(diǎn)2、3、4的規(guī)律性較好,顆粒粒徑由2μm至30μm均呈現(xiàn)出沿程顆粒數(shù)降低的規(guī)律,與數(shù)值模擬的規(guī)律吻合。總而言之,側(cè)向流帶翼片斜板沉淀池較不帶翼片斜板沉淀池具有更高的污染物的去除效率。對于帶翼片斜板沉淀池對污染物的去除效率的比較還有待于進(jìn)一步的研究,如考察顆粒物在沉降過程中的聚集特性、顆粒密度等。3沉淀池內(nèi)沉淀顆粒沉降規(guī)律(1)分析了加翼片與不加翼片側(cè)向流斜板沉淀池內(nèi)水流流動的雷諾數(shù),發(fā)現(xiàn)加入翼片可以顯著降低水流流動的雷諾數(shù),提出了對于具有翼片側(cè)向流斜板沉淀池的數(shù)值模擬與分析方法,取單元體進(jìn)行研究的思路也可進(jìn)一步用于分析斜管沉淀池。(2)給出了帶翼片側(cè)向流斜板沉淀池與不帶翼片側(cè)向流斜板沉淀池顆粒物的沉降軌跡,可以直觀地分析斜板沉淀池內(nèi)的沉淀規(guī)律,帶翼片側(cè)向流斜板沉淀池加快了顆粒物的沉降,縮短了沉降路徑。(3)隨著水流速度的增大,顆粒的跟隨性增強(qiáng),隨顆粒物密度的增大其沉降性也增強(qiáng)。顆粒粒徑大也有利于沉淀過程的實(shí)現(xiàn),有待于對水中沉降顆粒的密度、聚合特性進(jìn)一步的研究。(4)中試模型還需