周边进水沉淀池配水槽设计方法的配水均匀性模拟研究

1.92[30]。
2
算例及几何模型

k
C 1 p C 2
式中， kα 表示组成相 α 相单位质量流体的紊流动能， J/kg； εα 表示组成相 α 相流体的紊流耗散率， W/m3； μtα 表示 α 相的紊流黏度，Pa·s；Uα 表示组成相 α 相的速度矢量， m/s； Cε1 和 Cε2 为常数， 分别取 1.44,
U U

T
S
M
p
N
p r ，kg/m3； 式中，ρ 表示混合相的密度 1
U 表示混合相的速度矢量，m/s； 为哈密顿算子，
, , ； 表示两向量的向量积运算；p x y z 表示混合相的静压强，Pa；μ 表示混合相的动力黏
0
引
言
周边进水式的沉淀池相对传统中心进水沉淀 池而言，具有负荷高、效果好的特点[1-8]，可显著节 约土地资源和提高沉淀池的处理能力，但其设计理 论一直被国外公司所掌握，尤其在进水配水槽部分 的设计方面。国内对此做了较多的研究，从能量守 恒和动量守恒出发，结合小孔淹没出流，根据实际 情况设定条件，得出许多如等流速法、等宽度法、 同时在工程 等水深法及变孔径法等设计方法[1-2,5-8]， 实际上也结合引进技术做了一些尝试。由于工程设 计的唯一性且很难进行配水系统的实际效果测试， 导致工程设计人员不易判断、选择和优化沉淀池结 构设计方法，影响了周边进水沉淀池的应用和标准 化过程。 计算流体动力学（CFD）求解技术的发展为环 境工程带来了新的机遇，其可对流体系统的流动状
q k A 2 gZ h 0
3
（6）
（4）
式中，q 为孔口出流量，m /s；kμ 为孔口流量系数， 取 0.62；A 为孔口面积，m2；Zh0 为孔口作用水头， m。 由于沉淀池的进水中含有待分离的污泥，则其 这也是目前大多数研究人员 流动为液-固二相流动， 采用的处理方式，但 CFD 模拟的几何模型是以整 个配水槽为计算空间的，进水在配水槽内的流动为 自由表面流动（free surface flow），由于建模计算 前无法知道液面的位置，从而水面上部的空气也必 须纳入计算，所以进水在配水槽内的流动归结为 气、液、固的三相流动在理论上更为合理。多相流 动（multi-phase flow）的描述方程有较为成熟的以 流体为主的 Eulerian-Eulerian 多相流模型和强调颗 粒 运 动 的 particle transport （ lagrangian particle tracking） 模型两类[30]， 由于沉淀池进水中所含污泥
r r U SMS t 1
Np
水面曲线法[2,7-8]
dH Hv 2 d L gH v 2
4/3 1 2 1 n 2 g （2） B H L0 L
式中，v 为配水槽内水流的断面流速，m/s；g 为重 力加速度。 牛角形配水槽（对等流速法槽宽的简化）[5,7-8] B B0 1 L / L0 （3） 配水孔孔径（小孔淹没出流公式）[1,5,7-8]
（1）
式中，H 为配水槽内水面标高，m；L 为配水槽长 度， m； n 为配水槽的粗糙度， 一般取 0.012～0.014；
第 19 期
郝飞麟等：周边进水沉淀池配水槽设计方法的配水均匀性模拟研究
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Qh 为配水槽进水平均流量，m3/h；B0 为进水槽起始 宽度，m；L0 为配水槽的总长度，m。
较少，根据实际测量约在 2%左右（二沉池）[3-4,11]， 且在配水槽中流速不低（>0.3 m/s），所以模拟模 型选择以连续流为基础的 Eulerian-Eulerian 多相流 模型中均匀混合（homogeneous model）连续流体模 型。考虑各相的特性和相互之间的作用，基于单项 液/气体流动的 Navier-Stokes 方程对所有相在计算 域上的计算式为[30]： 动量方程（Momentum Equations） U U U t （5）
1
设计及模拟理论
沉淀池配水槽平面图见图 1 所示。根据能量守 恒和动量守恒，周边进水的配水渠宽度和配水孔孔 径可用下述方法计算获得： 等流速法[1,6-8,13]：
nQ 2 L0 dH 1 ( h ) 2 dL B0 H B0 L0 L H
4/3
基金项目：863 项目（516001-H41209） 作者简介：郝飞麟（1971－） ，男，山西忻州人，高级工程师，主要从 事环境工程方面的研究。杭州 310015。Email: haofeilin@ ※通信作者：沈明卫（1969－） ，女，浙江宁波人，副教授，博士，主 要从事农业生物环境工程的研究。 杭州 浙江大学生物系统工程与食品 科学学院，310058。Email: shendu@ 浙江树人大学生物与环境工程学院，
注：1.配水槽起始端 2.配水槽 3.配水孔 h1~h39.配水孔编号
p r ，Pa·s；T 表示矩阵的转置运算； 度 1
N
Fig.1
图 1 沉淀池配水槽平面图 Top view of water distribution channel
Np 表示流体的相数； S M 表示流体外部体积力引起 rα 表示多相流中 α 相所占的体积分数； 的动量源相； ρα 表示 α 相的密度，kg/m3；μα 表示多相流中 α 相 的动力黏度，Pa·s。 连续性方程（continuity equations）[30]
式中，SMSα 表示自定义的质量源；Γαβ 表示单位 体积的 β 相流向 α 相的质量质量流量，kg/(m3·s)。 相 体 积 守 恒 方 程 (volume conservation equations)

Np
1
r 1
（7）
压力控制方程（pressure constraint）[30] （8） p p 1, , Np 式中，pα 表示各组分相的分压，Pa。 沉淀池进水在配水槽内流动时，上部为大气， 下部为含污泥颗粒的液体，气相和液相构成自由表 面流动，其接触面的张力为[30]：
（1. 浙江树人大学生物与环境工程学院，杭州 310015； 2. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州 310058） 摘 要：为分析周边进水沉淀池配水槽各种常用设计方法的实际效果，采用计算流体力学（ computational fluid dynamics, CFD）方法对直径为 20 m 沉淀池进水槽进行了三维稳态模拟，比较了各种设计方法下配水孔的配水、 配泥质量流量的均匀性，模拟以 Eulerian-Eulerian multiphase model 中的均匀混合连续流体模型（homogeneous model）为框架，包含配水槽中的水、污泥颗粒和水面上部的大气三相，设计方法选择了工程实践中常用的变槽宽 定孔径、变槽宽变孔径、定槽宽定孔径和定槽宽变孔径 4 种配水槽设计方法。模拟结果显示：4 种配水槽设计方 法中各配水孔质量流量的标准差最小在 10%左右，变槽宽的等流速设计整体来说配水、配泥相对均匀，可以考虑 优先采用；变孔径设计孔径变化很小，但当采用等槽宽设计时，配水、配泥质量流量的均匀性改善明显。 关键词：流体力学，模型，设计，进水沉淀池，配水槽设计，均匀性，三维模拟 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.19.008 中图分类号：TQ053, X172 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-19-0056-07 郝飞麟，沈明卫. 周边进水沉淀池配水槽设计方法的配水均匀性模拟研究[J]. 农业工程学报，2012，28(19)：56 －62. Hao Feilin, Shen Mingwei. 3D simulation on four design methods of water distribution uniformity for typical peripheral feed sedimentation tank[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(19): 56－62. (in Chinese with English abstract)
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农业工程学报
2012 年
r p
t r r k U k k t k
（10）
r t r t （11） r
表 1 4 种典型设计方法计算孔径 Diameters of water distribution holes calculated by four methods
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第 28 卷 2012 年
第 19 期 10 月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 沉淀池配水槽设计方法的配水均匀性模拟研究
郝飞麟 1，沈明卫 1,2※
F ( n )n S
（9）
式中，σαβ 表示接触相间的表面张力系数；σ 表示混 nαβ 表示液面曲线上某点指向气相 合相的张力系数； 的法向量； S 表示两相界面的梯度算子。 水流流动过程中受到槽壁的作用，会产生紊 流， 本文采用应用较广的 k-Epsilon 紊流模型[18,23-30]:
收稿日期：2012-03-30 修订日期：2012-08-15
态进行精确模拟和预测，节约大量的实际试验工 作。国内外研究人员已经利用 CFD 技术在沉淀池 内部流态模拟预测方面取得了一定的效果[3-4,9-29]， 但在配水槽配水方面尚未进行过 CFD 模拟分析与 比较，本文通过对目前典型的等流速牛角形定孔径 配水槽（方法 1）、定槽宽定孔径平均配水槽（方 法 2）、等流速牛角形变孔径配水槽（方法 3）和 水面线法定槽宽变孔径配水槽（方法 4）4 种周边 （由 配水槽工程设计方法[1-2,6-8,13]进行 CFD 模拟探索 于变孔距法虽可保证孔口出流的均匀性，但对整个 沉淀池配水平面来讲，会造成沿圆周配水的不均 匀，故未列入比较），分析比较配水均匀性较优的 方案，以期指导工程实践。