魏文礼，洪云飞，刘玉玲，蔡亚希

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安710048)

弯道导流墙对氧化沟水力特性影响的数值模拟

魏文礼，洪云飞，刘玉玲，蔡亚希

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安710048)

【目的】 对两沟道氧化沟内水下推动器、曝气转盘同时运行时，增设弯道导流墙后沟内的流场及流速分布进行研究,以期提高沟内水流混合能力并降低能耗。【方法】 在试验模型右侧增设弯道导流墙，并采用数值计算的方法求解气-液两相流时均方程，紊流模型采用RNG 模型，自由水面捕捉采用VOF(Volume of fluid)法，速度与压力耦合方程组求解时使用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法，对氧化沟内的流场及流速分布进行模拟研究。【结果】 数值模拟表明，在水下推动器、曝气转盘同时运行时增设弯道导流墙后,氧化沟内的流场及流速分布更加均匀，整个氧化沟内流速大于0.3 m/s的流体体积百分比由不增设弯道导流墙时的40.8%提高至47.6%，显著提高了氧化沟内的流速。【结论】 水下推动器、曝气转盘同时运行时，增设弯道导流墙能够明显改善氧化沟内流场及流速的分布，可以提高沟内整体流速，防止或减少沟内污泥沉积。

氧化沟；弯道导流墙；水力特性；水下推动器；曝气转盘

氧化沟是改良的活性污泥法工艺中的一种，又称环形曝气池，在城市污水和工业废水处理系统中发挥着十分重要的作用。目前对氧化沟的研究已经取得了一定的进展[1-3]，所得成果主要集中在工艺设计及设备改进、水力特性试验与流态模拟研究、生物反应动力学、污泥迁移及沉降速率的研究、氧化沟内气相分布的模拟等方面。邓荣森等[4]通过在较宽的沟内设置一道或多道导流墙来预防污泥沉积；赵星明等[5-7]分析了弯道横向环流和水流流速在弯道的重新分布及对污泥沉积的影响，探讨了偏置导流墙对减少沟内污泥沉积的机理；曹瑞钰等[8]提出了加装前后导流板改变氧化沟流速分布的措施，并就目前氧化沟设计与建造中的问题提出了相关的建议；党风武等[9]分析了导流板在实际氧化沟中的应用效果；陈志澜等[10]对导流墙的偏置位置以及导流墙后接导流板的形状进行了研究；陈光等[11]采用多参考系模型，对有曝气机及单侧有无导流墙时的氧化沟内流场进行了三维数值模拟；李磊等[12]采用滑移壁面模型定义转盘的转动，并用Realizablek-ε模型模拟湍流变化，得到了氧化沟直道各断面的流速分布及流场的沿程变化；宋怀辉等[13]模拟了弯道流场的三维特性以及断面环流的形成和发展过程；唐瑜谦等[14]建立了水下推动器三维数学模型，用 MRF 模型定义其转动，同时采用RNGk-ε模型对水下推动器作用下的氧化沟流场进行了三维数值模拟，并用充足的实测数据对模拟结果进行了验证，表明该数学模型能较准确有效地模拟氧化沟内流速的分布及三维流场的沿程变化情况。在氧化沟中，水下推动器、曝气转盘和弯道导流墙均会影响沟内的流场及流速，但目前有关研究尚不够。为此，本研究采用数值模拟方法，对氧化沟内水下推动器、曝气转盘同时运行时增设弯道导流墙后沟内的流场及流速进行研究, 分析沟内不同横断面的流线图，比较分析了有无弯道导流墙时沟内不同测线的流速分布，并统计有无导流墙时沟内流速大于0.3 m/s的体积百分比，以期明确弯道导流墙对氧化沟内流场及流速分布的影响，从而为氧化沟工艺的设计提供理论依据。

1 数学模型及计算方法

1.1 湍流模型的选择

RNGk-ε模型相比其他k-ε模型可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动，并考虑了平均流动中的旋流情况[15]，故本研究选择RNGk-ε模型进行湍流建模，其控制方程如下。

连续方程：

(1)

式中：ρ为流体密度，t为时间，ui为沿i(i为笛氏坐标x、y或z)方向的速度分量，xi为沿i方向的空间坐标分量。

雷诺方程：

(2)

(3)

(4)

紊动动能耗散率ε方程：

(5)

以上方程组构成了求解流场分布规律的封闭方程组，根据实际工况施加相应的边界条件后，构成该方程组的定解问题。

1.2 模拟自由水面的VOF法

VOF法的基本思想[16-17]是：定义体积率函数F=F(x,y,z,t)，表示计算区域内流体体积与计算区域体积的相对比例。对于某一个计算单元，当F(x,y,z,t)=1，则表示该单元被液体充满；当F(x,y,z,t)=0，则表示其是一个空单元；若F(x,y,z,t)∈(0,1)，则表示该单元部分充满液体。显然，自由表面只存在于第3种单元中，F的梯度可以用来确定自由边界的法线方向。计算各单元的F数值及梯度之后，就可以确定各单元中自由表面的近似位置。在每个单元中，水和气的体积分数之和为1。如果aw表示水的体积分数，则气体的体积分数aa可表示为：

aa=1-aw。

(6)

只要流场中各处水和气的体积分数都已知，所有其他水和气共有的未知量和特征参数都可用体积分数的加权平均值来表示。所以在任何给定单元中，这些变量和特征参数要么代表纯水或气，要么代表两者的混合。换言之，在一个单元中，水的体积分数会有3种情况，即aw=0,1或(0,1)，分别与充满气、充满水和包含水气界面3种情况相对应。

水气交界面可通过求解下面的方程确定：

(7)

式中：t为时间，ui和xi分别为沿i方向的速度分量和空间坐标分量(i=1,2,3)。

引入VOF后,ρ和μ的具体表达式是通过体积分数加权平均值给出。也就是说，ρ和μ是体积分数的函数，而不是一个常数，其表达形式如下：

ρ=awρw+(1-aw)ρa。

(8)

μ=awμw+(1-aw)μa。

(9)

式中：aw为水的体积分数，ρw和ρa分别表示水和气的密度，μw和μa分别为水和气的分子黏性系数。通过对水的体积分数aw的迭代求解，ρ和μ值即可以由式(8)和(9)求出。

2 数值模拟及验证

2.1 计算区域

试验模型为两沟道氧化沟，单沟宽9.5 m，高 7.5 m，有效水深4.24 m，直道长26 m，右侧导流墙半径为4.75 m，氧化沟中间挡板长26 m。氧化沟的推流转轮由8个叶片组成，每个叶片长1.132 m，高 0.5 m，转轮中心距中心挡板的距离为2.6 m，转轮底层距离水面1.0 m，转轮逆时针转动，转速为 29.01 r/min；曝气转刷为转盘式曝气转刷，盘片半径为 1.5 m，盘片数为19片，盘片间隔为0.5 m，曝气转盘安装在氧化沟直道的中间，中心轴高度为 4.74 m，转速为23.89 r/min。两沟道氧化沟模型尺寸如图1所示，计算区域如图2-(a)、(b)所示。

2.2 网格划分

初始计算网格由GAMBIT软件生成。本研究采用结构化与非结构化网格相结合的方法，对氧化沟计算区域如图2-(a)、(b)的2种工况进行模拟。转盘、叶片与整个计算区域相比厚度很小，为保证划分网格时的网格质量，将转盘和叶片简化为无厚度的盘片，网格总单元数为268 875个。2种工况下的网格划分方法及网格结构基本相同，图3(a)为增设弯道导流墙时氧化沟的计算区域平面网格图，图3(b)为三维网格图。

2.3 边界条件

曝气转盘、推流转轮与氧化沟的相对运动采用多参考系模型，定义曝气转盘区域的转速为23.89 r/min，推流转轮区域的转速为29.01 r/min，转盘和转轮均与各自区域内流体在转盘和转轮半径范围内建立独立的旋转参考系，相对速度为0，此外的其他流体区域设为静止坐标系。导流墙、挡板、廊道壁面及底面设为墙，顶面设为压力出口，相对压强为0。采用RNGk-ε紊流模型，对流项采用一阶迎风格式离散，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法，固体壁面上的边界条件采用壁面函数给定，自由水面采用VOF法确定。定义初始条件：液面高度为4.24 m，氧化沟内初始流速为0 m/s。计算采用时间步长为0.005 s，计算总时间为300 s，此时残差曲线均降至10-5以下，认为计算收敛。

3 结果与分析

3.1 流场结构

图4显示了水下推动器、曝气转盘同时运行时有无导流墙工况下，距离沟底z=3.270 m和z=3.775 m时水面上的流线图。

由图4-(a)、(c)可以看出，不增设弯道导流墙时，在弯道出口处出现较大的低速区，形成漩涡，容易造成这一区域的污泥沉积。这是因为弯道的存在，使氧化沟内流态趋于复杂，流速分布不均匀，弯道的凹壁使水流方向改变，水流的惯性对凹壁产生冲击，凹壁对水流施加反力，迫使水流沿墙转向，水流产生的动量变化造成水流速度的重新分布，从而在弯道出口处形成较大的回流区。由图4-(b)、(d)可以看出，增设弯道导流墙后，减少了回水的产生，使回流区长度明显减小，流场分布变得更加均匀。这是因为增加导流墙后，能够使弯道处沟的宽度变窄，水流的紊流状态加剧，削弱了横向环流的作用。

3.2 断面流速分布

为了能够更加直观地观察和分析氧化沟内部沿垂向的流速分布，如图5所示布设1～5及2′、3′、4′共8个测点，提取其流速来验证增设弯道导流墙对氧化沟内流速的改善作用。表1为测点1～5及2′、3′、4′坐标。

本研究在转轮与转盘转速一定时，对比增设弯道导流墙与不增设弯道导流墙2种工况下氧化沟内流速的变化，提取这2种工况下测点1～5及2′、3′、4′沿垂向的流速分布，结果如图6所示。

由图6可以看出，增设弯道导流墙后，氧化沟弯道内侧的水流流速略有减小，但弯道外侧的水流流速明显增大，这是因为设置弯道导流墙能够使弯道处沟的宽度变窄，水流的紊流状态加剧，削弱了横向环流的作用，减少了回水的产生，有利于减少固体在隔墙背后的沉淀，这说明导流墙的存在能够显著提高氧化沟弯道处的整体流速。由图6中测点1和2的流速分布图可知，液流在弯道处存在离心力作用，表现出外侧流速大、内侧流速小的特点，而增设导流墙后，在弯道出口处外侧高速液流流速有所减小，出口内侧低速液流流速增大，使得弯道出口处内外侧的流速相差不是很大。在水下推动器与曝气转盘同时作用下，这种流态不但可以减少能耗,而且减缓了弯道出口内侧流速极低的现象, 能有效地防止氧化沟弯道处的污泥沉积。

3.3 氧化沟内流速

为防止污泥在氧化沟中淤积，氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范[18]要求氧化沟中液流平均流速要大于0.3 m/s。本研究将水下推动器与曝气转盘同时运行时，增设导流墙与不增设导流墙2种工况下，整个流体区域中流速大于0.3 m/s的流体体积与整个区域流体体积的百分比作为统计分析的一个参变量，得到2种工况下流速大于0.3 m/s的流体体积百分比如图7所示。

由图7可以看出，水下推动器与曝气转盘同时作用下，与不增设弯道导流墙相比，增设弯道导流墙对氧化沟内流速分布及流场流态有较大影响，整个沟内流速大于0.3 m/s 的流体体积百分比由不增设弯道导流墙时的40.8%提高至47.6%。因此，导流墙的存在不仅能够提高局部水流流速，而且能够显著提高整个氧化沟内的流体流速，有利于降低能耗，减少氧化沟内的污泥沉积。

4 结 论

本研究采用气-液两相流模型对氧化沟内水下推动器与曝气转盘同时作用下，增设弯道导流墙对沟内流场及流速的影响进行数值模拟研究，分析了有无弯道导流墙这2种工况下氧化沟内不同断面的流场结构及流速分布，结论如下。

1)增设弯道导流墙，使弯道出口处回流区长度明显减小，流场分布变得更加均匀。同时，导流墙的存在使氧化沟上下层水流流速分布更加均匀，促进了沟内的水流混合，并使整个沟内流速大于0.3 m/s 的流体体积百分比由不增设弯道导流墙时的40.8%提高至47.6%，显著提高了氧化沟内的流速。

2)弯道导流墙的设置使得弯道出口处外侧高速液流流速有所减小,内侧出口处低速液流流速有所增加,弯道出口处内外侧的流速相差不是很大,这种流态不但可以减少能耗,而且能有效防止弯道处的污泥沉积。

3)数值模拟是研究氧化沟水力特性的有效方法，模拟结果对实际工程中减少氧化沟内的污泥沉积、提高氧化沟的污水处理效率具有一定的指导意义。

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Numerical simulation of the influence of bend guide wall on hydraulic characteristics of oxidation ditch

WEI Wen-li，HONG Yun-fei,LIU Yu-ling,CAI Ya-xi

(InstituteofHydraulicEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an，Shaanxi710048,China)

【Objective】 The flow field and velocity distribution after adding guide wall in two channel oxidation ditch with submersible propellers and disk aerator running simultaneously were investigated to improve the flow mixture ability and reduce energy consumption.【Method】 Guide wall was added in the test model on the right side and the gas-liquid two-phase flow equation was solved by numerical simulation.The RNG model was used and the VOF (Volume of fluid) method was applied to track the flow surface.Velocity and pressure coupling equation was solved by the SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)algorithm to simulate the flow field and velocity distribution of the oxidation ditch.【Result】 Adding guiding wall in the two channel oxidation ditch with submersible propellers and disk aerator running simultaneously made the flow field and velocity distribution more uniform.The velocity greater than 0.3 m/s after adding guiding wall in the whole oxidation ditch increased from 40.8% to 47.6%.【Conclusion】 The guide wall not only improved the distribution of flow field and velocity but also improved the velocity of the whole oxidation ditch and reduced the sludge deposit in oxidation ditch with submersible propellers and disk aerator running simultaneously.

oxidation ditch;bend guide wall;hydraulic characteristics;submersible propellers;disk aerator

2014-01-17

国家自然科学基金项目(51178391)；陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室开放基金项目(106-221223)；中央财政支持地方高校发展专项资金特色重点学科项目(106-00X101)

魏文礼(1965-)，男，陕西大荔人，教授，博士，主要从事环境水力学、水污染控制理论与技术研究。 E-mail:wei_wenli@126.com

时间:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.025

TV131.4

A

1671-9387(2015)07-0228-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.025.html