混凝烧杯实验数值模拟研究

城市道桥与防洪2015年6月第6期收稿日期：2015-02-28基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07403003）作者简介：史伟（1980-），男，浙江人，工程师，从事教学工作。摘要：混凝烧杯实验是水厂确定混凝剂最佳投加量的一种常用方法。如何使烧杯实验的结果更好地用于水厂的生产实践一直是给水排水行业关注的热点之一，其中烧杯实验的条件是一重要的影响因素。现基于CFD软件的fluent6.3，对烧杯实验中烧杯形状和桨叶不同组合方式下的流场进行了模拟和数据分析，并结合现场混凝烧杯实验前后的浊度、高锰酸盐指数的变化进行了综合评价。数值模拟的研究表明，方杯-平桨比其他烧杯桨叶组合形式更适合用于混凝烧杯实验，其实验结果也与水厂的运行数据基本一致。也就是说，采用方杯-平桨组合方式进行烧杯混凝实验所得的结果可以更好地为水厂的生产运行提供参考。关键词：混凝；烧杯实验；fluent6.3；高锰酸盐指数；净水厂中图分类号：TU991.22文献标志码：A文章编号：1009-7716（2015）06-0218-05史伟1，刘宏远1，朱海涛2，田孝禾1，周勇1，孙海平2，钟叶华1（1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014；2.嘉源给排水有限公司，浙江嘉兴314000）混凝烧杯实验数值模拟研究0引言烧杯实验是水厂确定混凝剂投加量的一种简便有效的方法。水厂一般直接采用购置的搅拌设备进行实验，不会去关注烧杯和桨叶形状，而烧杯和桨叶形状的不同在一定程度上会影响到烧杯实验中的水力流态。因此，其实验结果为生产运行提供的可参考性值得商榷。本文基于CFD（ComputationalFluidDynamics）的fluent6.3软件模拟方形烧杯和圆形烧杯与弯叶桨和平桨组合情况下烧杯内部的流态变化，通过数值模拟和相关分析，研究获得较为合理的烧杯和桨叶形式，以便更有效地确定混凝剂投加量，增强混凝效果，从而为净水厂的生产运行提供更为可靠的参考数据[1]。1研究方法在试验研究中，混凝烧杯实验采取数值模拟和现场实验相结合的方式进行。即：一方面通过基于CFD的fluent6.3软件对不同组合情况下的烧杯（圆形烧杯或方形烧杯）和桨叶（平桨叶或弯叶桨）进行数学建模，从而进行混凝烧杯实验的理论模拟研究，通过模型模拟的速度云图和距离烧杯底部不同位置高度处的参数进行综合分析流态变化对混凝效果的影响；另一方面，通过现场实验的方法进行实测验证，研究上述的烧杯和桨叶组合情况下对浊度及高锰酸盐指数的去除效果。综合上述两者结论确定较佳的烧杯形状和桨叶的组合方式，从而为水厂的生产实践提供参考。1.1实验水质特点嘉兴地处杭嘉湖平原地带，河流水系密布，水流缓慢，水体水质常年处于IV-V类，甚至劣V类。烧杯实验原水取自水厂水源南郊河，实验期间具体原水水质指标见表1所列。鉴于水源水质的实际特点，该项实验中的现场实验考察的实验参数为浊度和高锰酸盐指数。1.2搅拌和烧杯设备实验搅拌装置采用JJ-4六联数显电动搅拌器，它具有转速稳、噪声小的特点。同时，设有灯光照明功能，可以观察矾花的形成过程，有利于实验信息的观察和记录。在混凝烧杯实验进行过程中，可以根据实验要求控制操作界面调节不同的转速（范围为40rad/min~1200rad/min）。搅拌装置见图1所示。表1实验期间原水水质指标一览表原水水质指标浊度（NTU）高锰酸盐指数/mg·L-1UV254(A)DO/mg·L-1pH铁/mg·L-1锰/mg·L-1数值变化18.6~31.44.78~6.360.101~0.1234.55~6.207.21~7.731.18~1.960.24~0.55图1JJ-4六联数显电动搅拌器装置实景科技研究2182015年6月第6期城市道桥与防洪图2为混凝烧杯实验中的烧杯和桨叶形状图。这两种烧杯均是烧杯混凝实验搅拌器配套使用的有机玻璃1.5L方形烧杯（简称方杯）和1L圆形烧杯（简称圆杯）。图2（c）、2（d）分别为自行加工的平桨，以及在搅拌器购买中提供的弯叶桨。烧杯实验时桨叶下端距离烧杯底部10mm,取样口位置为烧杯液面下方25mm处。烧杯和桨叶的具体参数见表2所列。1.3混凝剂相关参数实验采用的混凝剂为液态聚合氯化铝（PAC），密度1.24g/mL，Al2O3含量在10.78%，盐75.22%，不溶物含量0.08%。药剂投加浓度为5%（以有效Al2O3百分比计）的溶液。1.4试验操作流程根据国标水处理剂聚合氯化(GBl5892-2009)附录A-混凝性能判定的试验程序混凝控制指标要求,并通过实验现场烧杯混凝正交试验的方法在原有搅拌工况条件[2]下进行优化。正交试验研究表明，实验快速搅拌转速500rad/min、快搅时间1min,慢速搅拌转速为60rad/min、慢搅时间15min，静置沉淀时间20