立體循環(huán)一體化氧化溝(IODVC)導流板結構優(yōu)化

　　1 引言

　　氧化溝是活性污泥法的一種改良技術(shù)，結構簡(jiǎn)單，依靠表面曝氣機械和水下推動(dòng)裝置對混合液進(jìn)行充氧、攪拌和推流(Rittmann and McCarty， 2004)，混合液在溝道中不斷循環(huán)流動(dòng)的過(guò)程中完成有機物的去除和脫氮除磷，具有污染物去除率高、出水水質(zhì)好、運行工況穩定等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內外城鎮污水處理廠(chǎng)的主選工藝之一. 實(shí)際上，氧化溝的上述性能與其獨特的流場(chǎng)特性密切相關(guān)(許丹宇等，2010).隨著(zhù)計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，已有許多學(xué)者將其用于氧化溝水力學(xué)特性模擬與優(yōu)化研究，并取得了一定的進(jìn)展.陳志瀾和楊人衛通過(guò)流場(chǎng)數值模擬指出導流墻偏置距的合理布設可優(yōu)化氧化溝工藝的溝道流場(chǎng)分布，并可有效防止反應器內污泥淤積，同時(shí)提供了合理的偏置距參數.Yang等(2010)借助滑移壁面模型仿真了氧化溝工藝內部溝道的流場(chǎng)分布，并指出滑移壁面模型可有效定義轉碟的水力學(xué)行為.陳威和柳溪(2011)則以氧化溝中導流墻的長(cháng)度、偏置距和半徑為研究對象，借助CFD技術(shù)確定了各結構參數的最優(yōu)取值范圍.劉玉玲等基于計算流體力學(xué)理論與工具提出了一種新型結構形式的導流墻，并指出其可有效減小氧化溝隔墻背后回流區的范圍.梁延鵬等采用三維紊流模型對氧化溝進(jìn)行了數值模擬，發(fā)現增加墻體光滑度和導流墻的曲率半徑可改善氧化溝的水力特征.Chen等基于CFD數值方法構建了氧化溝的固液、氣液兩相流模型，對傳統氧化溝的水力學(xué)優(yōu)化提供有效工具.

　　然而，傳統的氧化溝工藝仍存在占地面積大、能耗高等問(wèn)題.為此，國內有劉俊新和夏世斌(2002)率先提出了一種新型的立體循環(huán)一體化氧化溝(Integrated Oxidation Ditch with Vertical Circle，簡(jiǎn)稱(chēng)IODVC).與傳統氧化溝的平面循環(huán)結構不同，IODVC為上下溝道的立體循環(huán)結構形式，并與固液分離器一體化，實(shí)現沉淀污泥自動(dòng)回流，因此具有占地面積小、能耗低等特點(diǎn)(Xia and Liu， 2004).IODVC的立體循環(huán)結構使其流場(chǎng)特性與傳統氧化溝的流場(chǎng)特性有所不同，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設計與工藝放大，有必要開(kāi)展基于CFD的IODVC工藝流場(chǎng)模擬與結構優(yōu)化研究.

　　由前期研究可知，加裝導流板可以提高IODVC溝道內混合液整體流速，改善下溝道靠近隔板處混合液的流態(tài)分布，但有關(guān)導流板的結構形式對IODVC流場(chǎng)的影響尚缺乏深入的研究.為此，本文利用CFD理論與技術(shù)，借助Fluent軟件平臺對IODVC進(jìn)行二維流場(chǎng)模擬，探究加裝雙導流板及延長(cháng)導流板末端長(cháng)度對IODVC內部流場(chǎng)的影響.

　　2 數值模型的建立

        2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

　　運用Fluent前處理軟件GAMBIT根據實(shí)驗中IODVC建立1 ∶ 1數學(xué)模型，單導流板IODVC結構示意圖和幾何模型如圖 1和圖 2A所示.裝置溝長(cháng)7 m，溝深1.5 m，有效水深1.4 m;隔板安裝高度0.7 m.曝氣轉刷1個(gè)，共12枚葉片，每片直徑0.4 m，葉片浸沒(méi)深度0.12 m，工作轉速為30 r · min-1.底部推流器1個(gè)，葉片直徑0.2 m，安裝高度0.1 m.曝氣轉刷及底部推流器電機功率均為0.75 kW.半圓形導流板半徑0.34 m.設置A-A、B-B斷面分別作為兩側彎道出口流速監測斷面.加裝雙導流板及延長(cháng)其末端的IODVC幾何模型如圖 2B和圖 2C所示，在彎道兩側 各加裝一道半圓形導流板，半徑為130 mm，圓心位置不變;并以雙導流板半徑大小的50%為基準，10%為遞增單元，依次增加導流板末端的長(cháng)度至其半徑的130%，然后進(jìn)行后續建模與結果分析.IODVC模型中流體所在部分為數值模擬的計算范圍，轉刷葉片只取浸入混合液中部分納入計算域.此外，本文采用單相流模型模擬混合液在IODVC內流動(dòng)行為.

　　圖1 IODVC結構示意圖

　　圖2 IODVC幾何模型(A. 單導流板; B. 雙導流板; C. 延長(cháng)雙導流板)

　　有關(guān)網(wǎng)格劃分，許丹宇等(2007)研究認為在氧化溝的不同計算域上應該采用不同類(lèi)型和密度的網(wǎng)格.本文采用非結構化三角形網(wǎng)格對IODVC不同區域進(jìn)行了不同密度的網(wǎng)格劃分.其中，轉刷轉動(dòng)區域內流場(chǎng)變化較為劇烈，采用Interval Size=4 mm的非結構化三角形網(wǎng)格，靜止區域采用分塊網(wǎng)格劃分方式，在包絡(luò )轉刷轉動(dòng)的區域進(jìn)行適當加密，采用Interval Size=8 mm的非結構化三角形網(wǎng)格，推流器附近區域采用Interval Size=5 mm的非結構化三角形網(wǎng)格，其余靜止區域采用Interval Size=10 mm的非結構化三角形網(wǎng)格，全尺度IODVC網(wǎng)格劃分在精度意義上滿(mǎn)足計算和實(shí)際要求.

　　2.2 湍流模型

　　在氧化溝數值模擬中應用較多的湍流模型有k-ε雙方程模型和Reynolds應力模型，其中

　　k-ε雙方程模型有3種，分別是標準k-ε模型，RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型.根據4種湍流模型各自的應用特點(diǎn)，以及前期對IODVC采用不同湍流模型與實(shí)驗的對比，本文選擇RNG k-ε模型進(jìn)行數值模擬.

　　2.3 邊界條件

　　IODVC入口邊界根據質(zhì)量守恒定律和無(wú)旋假設，假定流速、湍動(dòng)能k以及耗散率ε在入口截面上均勻分布.出口邊界采用壓力出口邊界，出口壓力設置為當前一個(gè)大氣壓水平.自由液面采用剛蓋假定，液面近似為水平面，不考慮液面的波動(dòng)，壓強為標準大氣壓強值，液面垂向流速為零，其它變量的法向梯度為零.底面和壁面使用Launder和Spalding(1974)提議的標準壁面函數，垂向壁面的水平流速的法向梯度為零，底部壁面的垂向流速的法向梯度為零，滿(mǎn)足壁面質(zhì)量通量為零的條件.曝氣轉刷采用多重參考系模型，在轉刷葉片半徑范圍內的流體區域建立獨立的旋轉參考系并定義轉軸原點(diǎn)、旋轉方向和轉速，葉片與該轉動(dòng)區域內流體的相對速度為零，轉動(dòng)和靜止區域重合的兩個(gè)邊界設置為interface.推流器借助風(fēng)扇模型，定義為無(wú)限薄的理想推流器，主要作用是使流體獲得軸向速度，對其引起的混合液旋轉運動(dòng)不作考慮.

　　2.4 離散方法和求解算法

　　對控制方程組的離散方法采用有限體積法，差分格式采用二階迎風(fēng).求解方法采用Fluent提供的壓力基隱式算法對IODVC流場(chǎng)進(jìn)行穩態(tài)模擬，壓力-速度耦合方法采用SIMPLE算法.計算中考慮重力影響，重力加速度設置為9.81 m · s-2.收斂標準設置為所有方程的殘差絕對值小于10-4.

　　3 數值模擬結果與分析

        3.1 單導流板IODVC流場(chǎng)模擬與問(wèn)題分析

　　在氧化溝工藝中，為了獲得良好的混合和處理效果，氧化溝中混合液體循環(huán)流動(dòng)的最小流速應該是0.15 m · s-1，而為了防止溝道中污泥的沉積，則溝道中混合液平均流速應該大于0.25 m · s-1(De Clercq et al.，1999).本文借助FLUENT對IODVC進(jìn)行全溝道模擬后，利用后處理模塊將IODVC計算域劃分為4個(gè)不同流速大小的區域(<0.05、0.05~0.15、0.15~0.25、>0.25 m · s-1)，進(jìn)而統計各區域比例，得到單導流板IODVC的溝道中混合液的流速分布圖(圖 3).由圖可見(jiàn)，混合液流速小于0.15 m · s-1的區域占總計算域的比例較高，達到41.53%，而相應流速大于0.25 m · s-1的區域占比較低，約為總計算域的32%.由此可見(jiàn)，在此流速分布情況下IODVC溝道內部混合液的整體混合效果不理想，低流速區域的大范圍存在可能導致活性污泥的沉降和淤積，從而影響IODVC反應器的處理效果.圖 4是單導流板IODVC的速度分布云圖.由圖可見(jiàn)，在IODVC兩側導流板的凹凸側、左側彎道出口處(隔板左側上方)以及下溝道的上部區域(隔板下方)存在大范圍的低速區，這是由于彎道出口處的混合液會(huì )由于慣性作用有向外擴散的趨勢所致.

　　圖3 單導流板時(shí)IODVC速度分布圖

　　圖4 單導流板時(shí)速度分布云圖(m · s-1)

　　由于IODVC采用上下溝道的結構設置，雖然導流板凹凸側及下溝道的污泥沉降到底部會(huì )被高速循環(huán)的混合液沖擊而不發(fā)生淤積，但大范圍的低速區勢必會(huì )造成回流現象，導致混合液逆向流動(dòng)而造成動(dòng)力消耗.為此，本文嘗試通過(guò)加裝雙導流板及延長(cháng)導流板末端長(cháng)度來(lái)解決上述問(wèn)題.

　　3.2 加裝雙導流板對IODVC流場(chǎng)的優(yōu)化研究

　　雙導流板的流場(chǎng)速度分布結果如圖 5所示.對比圖 3可知，雙導流板使IODVC溝道中混合液低流速區域占比明顯下降，相應高流速區域占比有較大幅度提高，其中混合液流速小于0.15 m · s-1的區域占比由41.53%下降至34%，流速大于0.25 m · s-1的區域占比由32%增加至41.5%，IODVC溝道中整體混合效果明顯改善.通過(guò)圖 6(雙導流板IODVC速度分布云圖)和圖 4對比可知，雙導流板可以有效提高下溝道特別是靠近隔板下方處混合液的流速，使下溝道內混合液流速分布更加均勻，減小了此處回流區范圍，而且導流板凹凸兩側的低速區域較單導流板有明顯改善，特別是在右側導流板凹凸兩側處，由于高速液流的沖擊，使IODVC彎道斷面的流速分布更加均勻，混合液在上下溝道的過(guò)渡更加平穩，有利于整體流場(chǎng)的穩定.此外，在左側彎道出口處(隔板左側上方)，由于雙導流板的存在，回流區幾乎全部消失.由此可見(jiàn)，雙導流板減小了凹側流道的寬度，改變了彎道處的流場(chǎng)特性，加劇了水流的紊流程度，增大了流速.

 

　　圖5 雙導流板時(shí)IODVC速度分布圖

　　圖6 雙導流板的速度分布云圖(m · s-1)

　　3.3 延長(cháng)導流板末端長(cháng)度對IODVC流場(chǎng)的優(yōu)化研究

　　圖 7是導流板末端不同長(cháng)度時(shí)混合液流速大于0.25 m · s-1的區域占比.由圖可見(jiàn)，當導流板末端延長(cháng)至導流板半徑的50%~100%時(shí)，溝道中混合液流速大于0.25 m · s-1的區域占比隨導流板長(cháng)度增加而增大;繼續增加導流板長(cháng)度，則占比呈減小趨勢.其中，當導流板延長(cháng)的長(cháng)度等于導流板半徑時(shí)，流速大于0.25 m · s-1的區域占比達到最大44.21%.圖 8為導流板末端延長(cháng)的長(cháng)度等于導流板半徑時(shí)的IODVC速度分布云圖.由圖可見(jiàn)，當導流板末端延長(cháng)時(shí)，下溝道上部(隔板下方)及右側彎道出口處的混合液流速較不延長(cháng)(圖 6)時(shí)有所提高，低速區范圍明顯縮減.可見(jiàn)，導流板末端延長(cháng)的長(cháng)度等于導流板半徑時(shí)，IODVC內部流場(chǎng)更加趨于均勻，相應結構的優(yōu)化更加趨于完善.

 

　　圖7 導流板不同延長(cháng)長(cháng)度時(shí)流速>0.25 m · s-1 區域占比

　　圖8 導流板延長(cháng)長(cháng)度等于導流板半徑速度分布云圖(m · s-1)

　　在上述研究基礎之上，進(jìn)一步分析單導流板、雙導流板和延長(cháng)導流板(其長(cháng)度等于導流板半徑)等3種結構情況下彎道出口A(yíng)-A、B-B斷面流速分布，其結果見(jiàn)圖 9.由圖 9A可知，與單導流板相比，雙導流板的斷面流速分布更加均勻，在垂向坐標0.7~0.88 m范圍內，流速明顯升高，流速最大達到0.2 m · s-1，可有效防止此處形成回流;而延長(cháng)導流板可使流速進(jìn)一步提高.隨著(zhù)垂向坐標繼續增加，雙導流板及延長(cháng)導流板的流速分布均接近直線(xiàn)上升趨勢，其中在垂向坐標1.05 m附近，延長(cháng)導流板使流速曲線(xiàn)有所波動(dòng)，可能是導流板的末端和所取斷面A-A比較靠近所致.由圖 9B可知，在垂向坐標0~0.35 m范圍內，三者流速分布相似，但在垂向坐標0.35~0.7 m范圍內，對比3條曲線(xiàn)可知，雙導流板和延長(cháng)導流板可使此區域流速均值保持在0.15 m · s-1以上，整個(gè)斷面流速分布優(yōu)于單導流板的情況.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 

　　圖9 監測斷面速度分布(a. A-A斷面;b. B-B斷面)

　　由此可見(jiàn)，雙導流板可改變彎道寬度的比例分布，從而減小了彎道水力半徑，顯著(zhù)加強了對彎道處混合液的導控作用，而且延長(cháng)導流板可進(jìn)一步加強導控，使彎道出口處流場(chǎng)向內側收攏，從而達到提高區域流速及使流場(chǎng)分布更加均勻的目的，有利于IODVC溝道中混合液達到良好的混合效果.

　　4 結論

　　1)模擬結果表明，在IODVC的彎道處加裝雙導流板可使混合液高流速區域占比增加9.5%，特別是改善了彎道斷面和彎道出口斷面的混合液流態(tài)，從而有效減小此處回流區范圍，有利于斷面流速的均布.

　　2)將導流板末端適當延長(cháng)可以進(jìn)一步加強對水流的導控作用，使彎道出口斷面的混合液流態(tài)向內側收攏，提高了隔板附近區域混合液流速，降低了此處形成回流區的可能性.當導流板延長(cháng)的長(cháng)度等于導流板的半徑時(shí)效果最佳.