往复隔板絮凝池内流场的数值模拟

往复隔板絮凝池内流场的数值模拟祝皎琳林建国(大连海事大学环境科学与工程学院，大连116026)摘要本文对往复隔板絮凝池内的流场进行7数值模拟，并根据絮凝池的工作特征分析了流场的紊流动能对混凝效果的影响。结果表明絮凝池转弯处过水断面面积A1与廊道过水断面面积A2的比值A=A1／A2，这一影响流场紊流动能的设计参数的最佳范围是1．2～1．S。关键词往复隔板絮凝池，紊流动能，A1／A2，ANSYS)c1概述水和原水中常常含有用自然沉降法不能去除的悬浮微粒和胶体污染物。对于这类原水，必须首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体，然后才能用重力沉降法予以分离。这一过程包括凝聚和絮凝两个步骤，二者统称为混凝。凝聚是混凝的初始阶段，是指药剂在混合设备中，迅速溶于水中发生水解反应，使颗粒脱稳凝聚的过程，反应时间极短。而絮凝是指胶体脱稳后形成的微絮体在反应设备中由机械运动或液体流动造成颗粒进一步碰撞聚集形成较大絮体(俗称矾花)的过程，反应时间较长。直径较大且密实的矾花在混凝过程之后的沉淀过程中容易下沉，去除效果好。絮凝效果的好坏取决于两个因素：①混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；②微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的[101。其中，水动力条件对絮凝体成长起决定性作用，因此可以将絮凝过程当作流体力学问题，对反应设备的水流状态进行研究。混凝反应设备，即絮凝池，分为推流型(简称PF型)和完全混合连续流型(简称CSTR型)。接近推流型的絮凝池有隔板絮凝池、折板絮凝池等；接近完全混合连续流型的絮凝池有机械搅拌絮凝池。比较这两类絮凝池的特性可知：在理想情况下，从絮凝速度考虑，采用PF型絮凝池比用CSTR型絮凝池效果好。虽然，按反应器原理，串联数越多絮凝池效果越好，但考虑到造价及机械设备的增加会使操作复杂化、也给维修带来了不便等因素，在实际工程中，串联数一般不超过4个o】。这样比较而言，还是PF型絮凝池更经济实用。而PF型絮凝池可分为隔板式絮凝池和折板式絮凝池，隔板絮凝池的构造比折板絮凝池简单，进水流量大，能承受突然的水量变化．施工管理方便，目前广泛地应用于大、中型水厂。中石化抚顺乙烯厂生活污水回用工程处理水量为100m3／h，絮凝池采用单个CSTR型机械搅拌池口]。该池絮凝反应时间长，效率不高。本文以该工程为例，设计PF型往复隔板絮凝·861·池，并对其内部的流场进行数值模拟。2絮凝动力学机理水中的胶体颗粒及微絮体的尺度很小，密度与水的密度相近，惯性力很大。因此在惯性力为主导的区域(紊流区)内，流动过程中跟随性很好。若流层间无速度差，随水流同步运动的两质点即使相距为无穷近，也决不会发生相互接触碰撞现象。因此，要使颗粒产生接触碰撞，流层间就必须存在速度差，即速度梯度口]。紊流中充满着大大小小的涡旋，可以看成是各种不同尺度的涡旋运动迭加于平均流速束的结果。水流质点不断地改变运动方向，在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿紊流涡旋的径向碰撞提供了条件。微小涡旋，旋转半径小，离心惯性作用强，颗粒径向加速度大，运动快，速度梯度大，颗粒接触碰撞几率高。而大尺度涡旋离心惯性作用弱，颗粒径向加速度小，速度梯度小，导致颗粒相互碰撞几率低。由此可见，在紊流中若能有效地消除大尺度涡旋，增加微小涡旋的比例，增强紊动作用，就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数，有效地提高混凝效果。要达到好的混凝效果除有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞，使颗粒聚集成大而结实的矾花。絮凝过程中矾花尺度取决于吸附架桥的联结力与紊流剪切力的对比关系口“。吸附架桥的联结能力是由混凝剂性质决定的，而紊流的剪切力主要取决于涡旋尺度与涡旋强度，涡旋尺度越小，涡旋强度越大，水流紊动作用越强，涡旋对矾花的剪切作用越强。因此，在絮凝过程中应采取适当的方式，使紊动作用逐渐减弱，避免强的剪切力使吸附架桥被剪断，破坏矾花的形成。3往复隔板絮凝池特性分析往复隔板絮凝池构造见图I。在一个矩形水池内设置许多隔板，水流沿隔板之间的廊道往复前进。絮凝池长5．22m，宽3．6m，深3．0m。隔板间距(廊道宽度)从进水端至出水端逐渐增大，从而使水在廊道内的流速逐渐减小。通过水流在廊道间往返流动，造成颗粒碰撞聚集。水流的能量消耗来自絮凝池内的水位差，也就是水头损失。廊道内的流速逐渐减小是为了避免逐渐增大的絮凝体在水流剪力下破碎。为此，在往复隰板絮凝池设计中要考虑，尽可能使絮凝池前部紊流程度大些，增加颗粒碰撞机率}而后部紊流程度小些。避免已形成的大絮凝体破碎，特别是在水流转弯处。本文主要探讨絮凝池水流转弯处过水断面面积A1与廊道过水断面面积A2的比值A—At／AZ