超大型周进周出式沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟
周进周出二沉池实际运行负荷探讨
周进周出二沉池实际运行负荷探讨刘仲阳;崔丹丹【摘要】在南方城市污水处理厂污泥沉降性能较好的条件下,通过生产试验得出,周进周出二沉池可以承受1.5～1.7m3/(m2·h)的冲击负荷.实际运行情况表明,在冬季低温季节,二沉池表面负荷为1.27～1.39 m3/(m2·h),固体负荷为19～23kg/(m2·h)时,出水SS能稳定达到一级B标准(＜20 mg/L).%Secondary sedimentation tank with peripheral inflow and outflow could withstand the impact load of 1.5 ～1.7 m3/(m2·h)under the conditions that activated sludge had well settleability in southern WWTP.In the actual operation in winter,when the surface load was 1.27 ～1.39 m3/(m2·h) and the solid load was 19～23 kg/(m2·h),SS of effluent could keep stably below 20 mg/L.【期刊名称】《净水技术》【年(卷),期】2017(000)007【总页数】5页(P91-95)【关键词】二沉池;周进周出;表面负荷;固体负荷;实际运行【作者】刘仲阳;崔丹丹【作者单位】长沙市联泰水质净化有限公司,湖南长沙 410219;长沙市联泰水质净化有限公司,湖南长沙 410219【正文语种】中文【中图分类】TU992.3周进周出辐流式二沉池在大中型污水处理厂广泛应用，其表面负荷高，可达1.0～1.5 m3／（m2·h），池容积较小，投资节省，在国内已有成熟的运行经验。
周进周出辐流式沉淀池配水系统水力计算的开题报告
周进周出辐流式沉淀池配水系统水力计算的开题报告一、选题的背景和意义水力学是机械制造工程中的一个重要学科，它研究流体的特性、流动规律以及流体与固体的相互作用。
而水力计算则是水利工程领域中水流的流速、流量、水头、压力等各项参数计算的基础。
在水力学中，辐流式沉淀池是一种常见的废水处理设备，其设计涉及水力学的基本理论和实际计算。
辐流式沉淀池是一种利用自然沉淀作用处理废水的设备，它采用水力学原理，通过调节水的流速和流向，让废水在池中形成水流，使固体悬浮物在水流中沿水流的方向慢慢沉淀，达到净化水质的目的。
因此，辐流式沉淀池的水力计算对于设备的设计和运行至关重要，在设备选型、流量设计、水头设计、能量损失计算等方面均有必要进行水力学计算。
二、选题的目的和内容本文的主要目的是探究辐流式沉淀池配水系统水力学计算的理论和实际运用，并基于水力学原理进行系统的参数设计和计算。
本文的主要研究内容包括：1.了解辐流式沉淀池的基本原理和分类；2.介绍辐流式沉淀池配水系统的构成以及各个部分的功能；3.分析辐流式沉淀池的水力学特性，研究水流的流速、流量、压力、水头计算方法；4.根据实际情况，对辐流式沉淀池配水系统的水力学设计进行分析和计算，包括水泵的选型、管道的设计、水头的计算等；5.对临界流速、悬浮颗粒的沉淀速度等参数进行计算和分析，以确定系统的稳定性和可靠性。
三、研究方法和预期结果本文主要采用文献调研法和数学模型分析的研究方法，根据水力学原理进行参数计算和设计。
预期结果包括：1.理论方面：对辐流式沉淀池配水系统的水力学计算进行全面的介绍，包括流速、流量、压力、水头计算方法等。
对临界流速、悬浮颗粒的沉淀速度等参数进行计算和分析，以确定系统的稳定性和可靠性。
2.实践方面：以某废水处理厂为例，根据其实际情况对辐流式沉淀池配水系统进行水力学设计，包括水泵的选型、管道的设计、水头的计算等，提出相应的优化措施。
四、论文的结构本论文共分为六个章节，分别为：第一章：绪论，介绍选题的背景和意义，阐述研究的目的和内容。
周进周出辐流式二沉池工艺的设计说明书
周进周出辐流式二沉池的工艺设计4.1 配水系统的设计配水系统的设计是周边进水周边出水辐流式二沉池的关键所在。
周进式辐流式二沉池的只有沿圆周各点的进出水量一至，布水均匀，才能发挥其优点。
而常用的配水系统为配水槽和布水孔。
4.1.1 配水槽的设计目前的配水槽大多采用环状和同心圆状如图，也有牛角配水槽如图。
布水孔的形状分为圆形和方形。
布水孔间距有等距，也有不等距。
图3.3 环状配水槽图3.4 牛角配水槽由于配水槽是混凝土施工，宽度曲线的施工精度不容易保证，牛角配水槽不易实现，因此本次设计选用环形平底配水槽，布水孔孔径和孔距不变的配水系统。
孔径为800mm，孔距为1040mm，并在槽底设短管，且短管长度为50~100mm。
配水槽宽600mm。
根据结构设计分析，配水槽底厚一般为壁厚度的2倍,分别为0.3m和0.15m。
配水槽和集水槽总宽为(从沉淀池池壁边计算)δ2B(δ为配水槽壁和集水++b槽堰壁厚度)。
4.1.2 进水区挡水裙板的设计挡水裙板延伸至水面下1.5m处，以保证良好的澄清絮凝效果。
与池壁的距离与配水槽的宽度相等。
4.2 出水装置的设计出水装置由集水槽和挡板组成。
4.2.1 二沉池集水槽的设计二沉池集水槽是污水沉淀过程中泥水、固液分离的最后一道环节和工序, 在实际的工程设计中, 常见有3 种布置形式: 置双侧堰式、置单侧堰式、外置单侧堰式, 见图3.5。
置单侧堰式、外置单侧堰式均为单侧堰进水, 设计堰上负荷基本一致, 从构造和水力条件来看, 两者没有明显的优劣之分。
置双侧堰式的集水槽因堰上负荷小、出水水质好而应用较多。
但在最近几年的工程设计与应用中发现双侧堰进水集水槽主要存在2个现象[27]：(1) 集水槽两侧水质检测时, 侧水质优于外侧。
(2) 因集水槽平衡孔开孔过大使三角堰均匀集水作用降低。
置双侧堰式置单侧堰式外置单侧堰式图3.5 二沉池集水槽布置形式在实际运行中, 可常观察到一种现象:靠近池壁的出水溢流堰一侧, 挟带较多的活性污泥絮体杂质, 而侧出水溢流堰的絮体杂质相对较少。
周进周出式二沉池流态数值模拟
周进周出式二沉池流态数值模拟全荣【摘要】In order to study the flow pattern in a peripheral-feed and peripheral takeoff secondary clarifier of Hedong wastewater treatment plant in Xiangtan city, a modified RNG k-ε two-equation model was used for the numerical simulation of the flow patterns in the said kind of secondary clarifier under different reflux ratios with the aid of software FLUENT6.3. The results showed that: short circuit did not exist in the peripheral-feed and peripheral takeoff secondary clarifier of Hedong wastewater treatment plant in Xiangtan city; with the increasing of reflux ratio, volume availability increased gradually. It could be seen that, peripheral-feed and peripheral takeoff secondary clarifier could meet the design requirement for flow pattern, and had high volume availability but poor anti-shock loading capability.%为了研究湘潭市河东污水处理厂周进周出式二沉池的流态,利用改进的RNGk-ε双方程模型,借助FLUENT6.3软件,对不同回流比情况下的周进周出式二沉池流态进行了数值模拟.结果表明:湘潭市河东污水处理厂周进周出式二沉池并不存在短流现象;随着回流比的增大,容积利用率逐渐增大,周进周出式二沉池实际流态基本上能达到设计目的,容积利用率较高但不耐水量冲击.【期刊名称】《工业用水与废水》【年(卷),期】2011(042)003【总页数】4页(P40-43)【关键词】周进周出式二沉池;回流比;流态;数值模拟【作者】全荣【作者单位】湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭,411105【正文语种】中文【中图分类】X703.3;O242.1周进周出式二沉池是利用进水的能量将水流和污泥带到二次沉淀池的中间，遇到相反方向的力然后折回，清水流入进水口同侧的集水槽，污泥流入二沉池中心底部的回流出口。
周进周出辐流式二沉池平面设计改进水力计算探讨_胡大锵
根据近期污水处 理 厂 二 沉 池 的 运 行 情 况 （即 经 验 数
据 ）；二 是 考 虑 “手 册 ”推 荐 的 历 史 背 景 。
如果ｑＨ ＝０．９３ｍ３／（ｍ２·ｈ）系指二沉池的实际 表面负荷，则 其 上 升 流 速 ｖ上 ＝０．２６ ｍｍ／ｓ，而 活 性
污泥动态沉降速 度ｕ０＝０．２２ ｍｍ／ｓ，显 然，ｖ上 ＞ｕ０， 也就 是 说，周 进 周 出 辐 流 式 二 沉 池 取ｑＨ ＝１．４ ｍ３／ （ｍ２·ｈ）偏 大 。 具 体 取 值 ，应 同 时 考 虑 以 下 因 素 ：
年 ２ 月 第 ２ 版 第 ５ 册 表 ５－１３）显 示 ：二 沉 池 （常 规 ）的 ｑＨ ＝０．６～１ｍ３／（ｍ２·ｈ）［原 手 册 推 ［１］ 荐 值 为１～１． ５ｍ３／（ｍ２·ｈ）］。不考虑污 泥 回 流 量。“参 照 本”例
题中取ｑＨ ＝１．４ｍ３／（ｍ２·ｈ），相 当 于 常 规 （即 指 中 心进水辐流式）二沉池的０．９３ｍ３／（ｍ２·ｈ）（以 提 高
（１）随着城镇污水处理厂工业废水所占 比 例 的
增大，难降解物质增多；国家对进入天然水体 中的氨
氮浓度要求趋 于 严 格。 两 者 的 共 同 作 用，均 将 导 致
生化系 统 在 低 负 荷 工 况 下 运 行：早 年 污 泥 负 荷 为
０．２～０．５ｋｇＢＯＤ５／（ｋｇＭＬＳＳ·ｄ）（延 时 曝 气 法 及 合建式曝气池除 外）；而 近 年 来，普 遍 要 求 污 泥 负 荷
３．４ 二 沉 池 校 核 堰 口 负 荷 论 证 及 计 算 总 结 城 镇 污 水 处 理 厂 （含 工 业 废 水 ）辐 流 式 二 沉
池出水溢流堰的设计，通 常 采 用 ９０°三 角 堰，由 水 力
模 型 试 验 ，得 出 流 量 计 算 公 式 为 ：
周进周出二沉池配水槽设计总结
r＝（
h k1 − h f 0.5 ） h k1
式－22
r： 均匀系数 6) 校 核导流 墙裙 ：导 流墙裙 底至 水面高 不 小于 2.5m ，下降 流速 ： Vs ＜ 0.025m/s。 Vs＝q / 0.785〔 / D 2 − ( D − B) 2 ] 式－23
B＝2（b－b1） B： 配水槽宽，m b： 槽宽，m b1： 池壁厚，m D： 池直径，m 参考文献： 参考文献： [1] 张自杰，顾夏声等，排水工程下册（第四版） ，北京：中国建筑工业出版 社，1999，86－88 [2] 聂梅生等，水工业工程设计手册废水处理及再用，北京：中国建筑工业 出版社，2002，255－270 [3] 崔玉川、刘振江、张绍怡等，城市污水厂处理设施设计计算，北京：化 学工业出版社，2004，377 [4] 北京市市政工程设计研究总院主编，给水排水设计手册第5册城镇排水 （第二版） ，北京：中国建筑工业出版社，2003，344 [5] 韩洪军，污水处理构筑物设计与计算，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2002，105 [6]严煦世，范瑾初等，给水工程（第四版） ，北京：中国建筑工业出版社， 1999，337
1 n（2h + b） ＝ 2 10 K 3 （bh）
2 4 3
式－11
式－12
q1：进入 A’断面流量，m3/s n：粗糙系数，钢砼为 0.013 A’B 段水头损失计算：
h f2＝
1 3
2 2 − 3.77976n 2 q 0 A1/ 3 2 （A1/ 3 − 1 ） 4 2 A1/ 3 + 1 1/ 3 n arctg 〕 × ｛〔 A − + L − b 7/3 I 3 3( A1/ 3 − 1) A2 / 3 + 1 9 A2 / 3 + A1/ 3 + 1 3 3 3
周进周出二沉池设计
周边进（出）水型二沉池的设计才振刚众所周知，城市污水中含有大量的有毒、有害物质，如不加以处理控制，直接排入水体和土壤中，将会对环境造成污染，不仅损害人民的身体健康，还严重制约着工农业生产和城市的发展。
我国的城市污水处理率很低，长年徘徊在10%以下，一些城市的水环境已经恶化，修建大量的城市污水处理厂已迫在眉睫。
在各类城市污水处理工艺中，最具代表性的就是活性污泥法，而在活性污泥法处理系统中，二次沉淀池是保证出水水质的关键构筑物之一。
下面，我结合实际工程，就二沉池的选型、计算探讨如下：一、适用条件沉淀池主要是去除悬浮于水中的可以沉淀的固体悬浮物。
初次沉淀池主要是对污水中以无机物为主体的比重大的固体悬浮物进行沉淀分离。
而二次沉淀池是对污水中以微生物为主体的、比重小的、因水流作用易发生上浮的固体悬浮物进行沉淀分离。
一般来说，二次沉淀池多采用竖流式和辐流式，前者比较适用处理水量不大的小型污水处理厂；后者则适用大、中型污水处理厂。
二、不同类型二沉池设计、运行参数比较一般辐流式和竖流式沉淀池，原污水从池中心进入，在池周边出流，进口处流速很大，程紊流现象，影响了沉淀池的分离效果。
而周边进水型辐流式和竖流式沉淀池与此恰恰相反，原污水从池周边流向池中心，澄清水则从池中心返回到池周边流出，在一定程度上克服了上述缺点。
原污水流入位于池周边的进水槽中，在进水槽底部设有进水孔，再从进水孔均匀地进入池内进行悬浮颗粒的沉淀，从而提高沉淀效率。
根据国外资料介绍，这种沉淀池的处理能力比一般辐流式沉淀池要高出一倍。
沉淀池设计计算时一般以水力负荷来计算有效面积，用固体负荷做较核，在二沉池中尤为重要。
根据国外资料，国外所采用周边进水中心出水和周边进水周边出水的二次沉淀池的水力负荷最大为2.72m3/(m2.h)，最小为1.0m3/(m2.h)，而我国较有代表性的城市污水处理厂中二沉池所采用的水力负荷值，最大为1.19m3/(m2.h)，最小为0.73m3/(m2.h)，由此可以看出，周边进水型二沉池的水利负荷要比普通型二沉池水力负荷平均高出1.72倍。
超大型周进周出式沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟
超大型周进周出式沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟王磊磊;许光明;陈俊;周奇;王国华【摘要】为改善超大型周边进水、周边出水沉淀池的水力性能,利用计算流体力学的方法对工程初步设计方案进行水力性能模拟.针对南方某污水处理厂直径为60m 的周边进水、周边出水沉淀池,借助FLUENT 6.3软件包提供的realizable k-ε模型,运用交错网格有限体积法计算分析沉淀池的流场特征,提出了相关的优化设计参数.计算结果表明:竖向流进水并设置双向挡板的沉淀池,其内部环流的半径可增大至26 ～ 28 m;径深比θ宜在8.0～ 10.0范围内选择；坡降i应控制为0.050.通过适宜的工程优化措施,可提升该沉淀池的内部环流性能.%To improve the hydraulic performance of a super sedimentation tank with peripheral inflow and peripheral effluent, the computational fluid dynamics method was used to simulate the hydraulic performance in a preliminary design scheme for a sedimentation tank. A case study was conducted in a sedimentation tank (with a diameter of 60 m) with peripheral inflow and peripheral effluent in a wastewater treatment plant in the south of China. The optimal design parameters were determined through analysis of the flow field characteristics of the sedimentation tank calculated by means of the staggered-grid finite volume method, with the help of the realizable k-∈ model provided by the FLUENT 6.3 software package. The results show that the radius of circulation increased to 26 to 28 m in the sedimentation tank with vertical flow and a two-way baffle, the appropriate ratio of diameter to depth (θ) ranged from 8.0 to 10.0, and the gradient (I) shouldbe set at 0.050. The performance of circulation in the sedimentation tank could be improved by taking proper optimization measures.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(040)002【总页数】5页(P168-172)【关键词】污水处理厂;泥水分离;重力沉淀池;径深比;流场;有限体积法;数值模拟【作者】王磊磊;许光明;陈俊;周奇;王国华【作者单位】上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司研发中心,上海200092;同济大学环境科学与工程学院,上海200092;常州市排水管理处,江苏常州213017;常州市排水管理处,江苏常州213017;河海大学水利水电学院,江苏南京210098;上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司研发中心,上海200092【正文语种】中文【中图分类】X703.3污水处理厂的泥水分离主要靠重力沉淀方式完成.重力沉淀池的形状大多采用圆形池，有效池深为3～5m，直径一般为3～60m.为了提高沉淀池的有效利用率，周边进水、周边出水(以下简称周进周出)式沉淀池替代了传统的辐流式沉淀池[1]，并在2000年后得到了普遍应用，目前已成为国内污水处理厂中常见的一种池型.实际运行表明，周进周出水系统易在池子中上部形成驻流或慢流区，特别是当沉淀池直径较大(＞50m)时，这种现象尤为突出，造成中上部已澄清的水无法及时排出，影响效率.通常在1.5～2.0h的沉淀时间里，悬浮颗粒的去除率一般只有50%～60%[2]，远低于设计水平.据报道，沉淀池内的水力性能[3]、流场条件较差[4-5]，是造成这一问题的重要原因.目前在我国主要城市的污水处理系统中尚没有直径超过55m的周进周出式沉淀池，设计时该如何考虑这种超大型沉淀池的水力特性也未见报道，因此有必要对超大型圆形沉淀池内的流态和悬浮物浓度分布进行研究，从而精确地确定沉淀池的尺寸和沉淀效率.周进周出式沉淀池主要用于水解酸化池厌氧污泥的泥水初步分离，并将沉淀污泥回流至水解池，以提高水解池污泥浓度[6].笔者以南方某污水处理厂直径60 m的周进周出式沉淀池为研究对象，该沉淀池设计规模为10万m3/d，初始设计方案为:直径 60 m，有效水深 5.2 m，底坡坡降 0.05，设计水力表面负荷1.7m3/(m2◦h)，圆周侧向进水，145个配水孔.拟利用数值模拟的方法模拟水流在沉淀池内的流动情况，以得到水流在沉淀池内的流速分布和停留时间分布，据此优化沉淀池的结构，为其设计和运行管理提供依据.1 数学模型1.1 控制方程沉淀池内的流场本质上属于固液两相流，但已有研究[7-8]表明，进水活性污泥混合液固体质量分数不超过0.3%，固体颗粒的密度在1.015～1.034g/cm3之间，粒径在10～70μm之间，由于固相与液相密度接近，固体含量很低、直径很小，具有很好的跟随性.从流体力学的角度看，低加载率使得两相之间的耦合作用呈单向，即作为载体的流体介质可以通过推流和涡漩影响粒子的运动，但是粒子对流体运动却没有影响，因此可以简化为单相流场计算.通用计算流体力学软件包FLUENT 6.3中提供了多种湍流模型，其中realizablek-ε模型[7-8]在k-ε标准模型的基础上增加了湍流黏性公式和耗散率输运方程，因此在流动分离和二次流方面有很好的模拟性能.笔者在研究中选择realizable k-ε模型进行计算，其紊动能k和紊流动能耗散率ε的运输方程分别为式中符号含义同文献[7-8].计算时假定进入沉淀池的清水密度为1000.35kg/m3，动力黏度为1.005e-3Pa◦s.考虑进水口对沉淀池的影响较大，因此按原设计方案取145个进水口.沉淀池的主要设计参数见图1.计算采用非结构网格，网格节点为30万个.图1 周进周出式沉淀池主要设计参数(高程单位:m;尺寸单位:mm)Fig.1 Main design parameters for sedimentation tank with peripheral inflow and peripheral effluent(Units:elevation in m，and sizein mm)1.2 边界条件进口为速度边界条件，出口压力为敞开大气压，水面为自由界面，没有剪切和滑移速度，池底和边壁为固体壁面，壁面上流速为零，使用标准壁面函数.用交错网格有限体积法(CVM)求解微分方程，压力与速度耦合方程用SIMPLEC方法进行求解，对湍动能、湍流耗散、动能均采用QUICK离散格式.2 沉淀池内部环流的优化利用已建立的沉淀池数值模型模拟计算周进周出式沉淀池内部环流区域的流场特征.辐流式沉淀池的内部环向流速受池底、边壁、进口挡板及出口溢流堰影响较大[9]，与假设切向速度为零的理想沉淀池存在很大差异.为改善内部环流，拟分别讨论进水方式、挡水裙板、径深比和坡降对沉淀池内流场的影响.2.1 进水方式的比选针对初始设计方案中侧向进水的方式计算沉淀池内的速度矢量分布，分析沉淀池内的流场特点.计算结果见图2.尽管沉淀池内流态复杂，但如果忽略池底部及池顶自由液面的影响，池内各纵断面的流动情况基本一致，表明进水处水流的分配基本均匀.如图2所示，侧向进水时进口流速较大，水流未直接从挡板上方的溢流堰流出，而是在配水槽后10～20m范围后形成一股旋流，但在同一断面内流速衰减较快，半径20m的断面靠近池底处流速已接近1.00×10-2m/s.为了增加水流动力效应对悬浮污泥颗粒的裹挟作用并促使污泥均匀沉降，进一步增大池内水力环流的半径，将沉淀池进水方式改为竖向流，使断面上不同深度的流速增大.进口处局部放大的流速矢量显示，竖向进水时沉淀池中间水位的流速有所增加，一般在2.00×10-2～4.50×10-2m/s，与设计流速基本吻合.2.2 挡水裙板的优化设计沉淀池挡水裙板的设置一方面可以起到消能和稳定水流的作用，且挡板浸入水下深度宜大些;另一方面，由配水槽下向流进水时，入口段挡板后方出现了一个较大的旋涡区，随着挡板相对淹没深度的增加，旋涡的回流区域也在增大，即淹没深度越大则池内死水区也越大，不利于沉淀[10].因此，挡板的相对淹没深度存在一个合理范围.根据设计方案，建模时选择3种方案(图3)进行比选.3种方案分别如下:方案b1，即原设计方案，无挡水裙板，沉淀池侧面进水;方案b2，沉淀池底部挡板旁边设置裙板，沉淀池上部进水;方案b3，进水口与方案b2的布置形式相同，但裙板的位置不同.分别对3种方案建立模型，并计算相应的流场特性参数.流速分布计算结果见图4.图2 进水方案不同断面的流速分布Fig.2 Inflow velocity distributions at different cross-sections图3 挡水裙板布置示意图(高程单位:m;尺寸单位:mm)Fig.3 Layout of water-retaining baffle(Units:elevation in m，and size in mm)对比局部断面的流线(图略)可知，方案1流线最短，可能是水流从侧面进入沉淀池后直接从上部的溢流堰流出，内部形成短流的可能性较大.因此，侧面进水时无挡板和裙板方案的水力条件较差.试验结果及图4表明，沉淀池进口无挡板时，起端流速较大，但未在纵断面上形成明显的环流中心，池内流速的梯度差只有0.002m/s，至池中心时流速偏于混乱，易造成已经形成的污泥颗粒沉降不均匀.方案b2与方案b3的进水方式相同，但裙板布置方式不同，2种方案中水流先从进水口进入，然后通过挡板和裙板折流至底部，再从溢流堰流出.加设垂向挡板后，池内流速的梯度差增大至0.007m/s，纵断面上形成明显的环流中心，并且随着2块挡板垂向间距的缩小，起端流速和环流半径均略有增加，池内沉降区流速分布较合理，悬浮污泥颗粒既能被带走又不至于破裂.这2种方案的流线均较长，基本可至沉淀池中心位置，内部环流明显，形成短流的可能性较小.2.3 径深比的影响理论上，圆形沉淀池的径深比θ(其直径与有效水深h e之比)越大，对污染物的去除越有利，但沉淀池占地面积随径深比的增加而增加，相应的工程费用也增加，且会对水厂的整体布局造成困难;当径深比达到一定数值时，随着径深比的增大，沉淀池对污染物去除率的增加程度很小，因此有必要提出合理的径深比范围.根据GB50014—2006《室外排水设计规范》的推荐范围及设计方案，模拟计算时选择8种不同径深比方案(表1)建模，以考察径深比对沉淀池内部环流的影响.建模时，将中沉池进水及出水部分简化，并考虑对称建立半圆周的模型.由于仅考察沉淀池径深比对内部环流的影响，因此建立二维模型、比较中心断面流场分布即可[11-12].环流半径R c和雷诺数Re计算结果见表1.图4 沉淀池不同裙板的纵向速度分布(h=3.2m)Fig.4 Longitudinal flow velocity distributions in sedimentation tank with different layouts of baffle(h=3.2 m) 试验结果得到的8种有效水深时沉淀池内速度矢量的分布情况表明:θ由8.6增至12.0时，沉淀池内部低压力区域由池周向中心移动，而速度分布显示内部环流逐渐缩小，环流半径由28.6m降至15.4m;θ由8.6增至10.0时，紊流有所减弱;θ由10.0增至12.0时，池内紊流程度略有升高，压力变化很小.由此可见，设计时θ宜不小于8.0，当其值大于12.0时沉淀池内基本上无环流产生，死水区域过大.为节约用地、保证悬浮物的沉降，建议设计时取θ=8.0～10.0.2.4 池底坡降的影响根据污泥颗粒的沉降特性，沉淀池底的坡度有益于沉积污泥的刮除或吸出.坡度越大，沉淀池排泥越顺畅.另一方面，沉淀池底坡度的增加要求机械排泥设备相应地提高传动深度.以本工程为例，每增加0.010的坡降，污泥斗的深度需增加0.3m，同时沉淀池的工程造价也相应提高.因此，按照GB50014—2006《室外排水设计规范》和工程经验，辐流式沉淀池的坡降一般宜选择为0.050.以下通过建模和数值计算，分析沉淀池坡降适当增加对池内流态的影响.根据设计方案，模拟计算时采用不同坡降i及中心深度h，选择4种坡降方案建模.方案d1，i=0.050，h=6.70m;方案d2，i=0.050，h=7.50m;方案d3，i=0.075，h=8.25m;方案 d4，i=0.100，h=9.00m.其中方案d1的有效水深为5.2m(初始设计方案)，方案d2～d4的有效水深为6.0m.建模时，将中沉池进水及出水部分简化，并考虑对称建立半圆周的模型.由于仅考察坡降对池内环流的影响，因此建立二维模型、比较中心断面流场分布即可.计算结果见图5.计算结果表明，沉淀池底坡的坡降对池内流场有一定的影响.图5显示了3种坡降(0.050，0.075，0.100)的紊动能变化情况，说明随着池底坡度的增大，池内流场的紊动半径向着中心有所减小，但整体紊动强度的减弱并不明显.坡度0.050时沉淀池内部的环流明显，死水区域相对较小;坡度0.100时沉淀池内部的环流几乎消失，只在池中心形成一定的环流区域，对集水不利，同时死水区域相对较大.另外，3种坡降的总压等值线(图略)说明随着坡度的增大，高压区域逐渐分散，并向池中心移动，这与计算的速度矢量结果一致.因此，在0.050～0.100的范围内增加沉淀池的坡降，对沉淀池内部的整体流态改善有限.由于坡降增加对工程造价及设备要求的影响较大，因此沉淀池底坡降的设计应综合考虑工程造价等经济指标.经数值计算后，建议本工程的沉淀池坡降选择0.050.表1 不同径深比方案的环流半径和雷诺数比较Table 1 Circulation radiuses and Reynolds numbers of options with different ratios of diameter to depthc1 10.0 6.0 19.8±1.4 477863 c2 8.5 7.1 22.0±1.2 419847 c3 7.5 8.0 24.1±1.0 409924 c4 7.0 8.6 27.7±0.9 428626 c5 6.5 9.2 27.5±1.6 424809 c6 6.0 10.0 26.9±0.9 413359 c7 5.5 10.9 25.3±1.3 482824 c8 5.0 12.0 16.1±0.7 5072523 结论图5 沉淀池不同坡降的湍动能强度分布Fig.5 Turbulent kinetic energy intensity distributions at different gradientsa.南方某污水处理厂直径为60m的周进周出式沉淀池采用竖向流的进水方式较优，有利于提高沉淀池纵断面不同深度的流速分布，增大沉淀池内部的环流区域.b.改进周进周出式沉淀池内部环流的措施包括:设置互为垂向的挡板和裙板，但挡板高度及边距对沉淀池运行效率影响不大;沉淀池的径深比θ宜控制在8.0～10.0范围内;在i=0.050～0.100范围内，增加沉淀池的坡降对整体流态改善有限，沉淀池坡降宜选择0.050.参考文献:【相关文献】[1]BAJCARA T，GOSARB L，ŠIROKA B，et al.Influence of flow field on sedimentation efficiency in a circular settling tank with peripheral inflow and central effluent[J].Chemical Engineering and Processing，2010，49(5):514-522.[2]EKAMA G，MARAIS P.Assessing the applicability of the 1D flux theory to full-scale secondary settling tank design with a 2D hydrodynamic model[J].Water Research，2004，38(3):495-506.[3]LÓPEZ P R，LAVÍN A G ，LÓPEZ M M M，et al.Flow models for rectangular sedimentation tanks[J].Chemical Engineering and Processing，2008，47(9/10):1705-1716.[4]MARTIN A D.O ptimisation of clarifier-thickeners processing stable suspensions for turn-up/turn-down[J].Water Research，2004，38(6):1568-1578.[5]DAVID R，SAUCEZ P，VASEL J L，et al.Modeling and numerical simulation of secondary 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２ １ 年 ３月 ０２
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｒａ ｏ Ｈ ｈｉ ｎｖｒｔ Ｎｔｒ ｃｅｃｓ ｏ ｎｌ ｆ ｏａ Ｕ ｉ ｓｙ ａ ａ Ｓｉ ｅ） ｕ ｅ ｉ（ ｕ ｌ ｎ
Ｖｏ ．０ １４ Ｎｏ． ２ Ｍａ ．２ ２ ｒ Ｏ１
２ 同济大学环境科学与工程学院 ， ． 上海
２０９ ； ． ００ ２ ３ 常州市排水管理处 ， 江苏 常州
２０ ９） １０ ８
２３ １； １０７
４河 海 大学 水 利 水 电学 院 ， 苏 南 京 ． 江
摘要 ：为改善超 大型周边进 水、 周边 出水 沉淀 池的 水力性 能 ， 用计 算流体 力 学的 方 法对 工程初 步 利
设计 方案 进行 水 力性 能模 拟 ． 对 南方 某污水 处理 厂直径 为 ６ ｍ的 周边 进水 、 边 出水 沉淀 池 ， 针 ０ 周 借
助 Ｆ Ｕ Ｎ ． 软 件 包提 供 的 ｒ ｌａｌ ｋ Ｌ Ｅ Ｔ６３ ｅ ｉ ｂ － 型 ， 用交错 网格有 限体 积 法计 算分 析 沉淀 池 的流 场 ａｚ ｅ ｓ模 运
特征 ， 出了相关的优化设计参数 ． 提 计算结果表明： 竖向流进水并设置双向挡板的沉淀池， 内部环 其 流 的半径 可增 大至 ２ ６～２ ｍ； ８ 径深 比 宜在 ８０ ００范 围 内选择 ； 降 应控 制 为 ０ ００ 通 过适 ． —１ ． 坡 。５ ．
宜的工程优 化措 施 ， 可提升 该沉 淀池 的 内部 环流 性 能 ．
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关键 词 ：污 水处理 厂 ； 泥水分 离； 力沉 淀池 ； 重 径深 比 ； 场 ； 限体积 法 ； 值模 拟 流 有 数
中 图分类 号 ： ７３ ３ Ｘ０ ． 文 献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ：００ １８ （０ ２０ — １８ ０ １０ —９ ０ ２ １） ２０ ６ — ５
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超大型周进周出式沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟
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