基于CFD的网格絮凝池栅间距特性研究.pdf

2014年11月第11期
城市道桥与防洪
科技研究193
基于CFD的网格絮凝池栅间距特性研究
李国强,邴帅,刘鹏亮,王卫东
(青岛市市政工程设计研究院,山东青岛266071)
摘要:以广东中山某镇给水厂单体竖井建立分析模型,借助CFD软件对网格絮凝池单个竖井內湍流场进行数值模拟。通过对
图形曲线及模拟变量--湍动能k分析搡讨,确定了单层栅条板栅间距D=4cn或5cm的栅条布置方式,其具备较高湍动能级、较
强速度差异优点,对现有网格絮凝池网格分布改造具有重要意义。
关键词:计算流体力学;网格絮凝池;湍动能k
中图分类号:TU991.22
文标识码:A
文章编号:1009-7716(2014)11-0193-03
0前言
流场的影响,因此可以将竖井简化成二维模型进
行计算。模型参数见表1。
强化絮凝技术的关键环节之一是高效的絮凝
表1网格絜凝池二维模型参邀(单位:mm
池的研究。目前常规及新型池子所取得的实验数双模双栅条栅条研条网格划分
据及其分析结果尚处于实验阶段,同时混凝理论
长度高度厚度宽度间距尺度
分析方法对于絮凝池的研究大多处于初级的指导
10004000
10
10
性阶段。因此基于中山市某镇给水厂网格絮凝池
80、120
基本参数,分析絮凝池的水力特性指导反应条件
沿切线方向切取尺度为4000mmx1000mm
的优化,使得絮凝剂在最佳工况条件达到强化絮平面,见图
凝的效果是本文研究的内容。
CFD概述
进口
计算流体力学( Computational Fluid Dynamics,
简称CFD),是通过计算机数值计算和图像显示技
Grid
栅条
术,对包括有流体运动和热传导等相关的物理现
象系统所作分析的一门新兴学科。
CFD的基本原理:把原来在时间域及空间域
l.壁面
上连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上
的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式
建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数
出口
方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似
值叫
X模型宽度
2网格絮凝池建模及单栅条数值模拟硏究
图1单层网格絜凝池二维模型示意图
2.1网格絮凝池数学模型的建立
2.2网格絮凝池模型的边界条件的确定
(1)进口边界条件
中山某镇5万td的给水厂,单个竖井尺寸为
本文对网格絮凝池单体竖井的模拟为不可压
1000mmx1000mm×4000mm,采用理想液态
流模拟絮凝池单井内部流场,顶进底出,水流方向缩流,采用速度进口。速度的选取参照中国工程建
设标准化协会标准定制的《栅条、网格絮凝池设计
垂直向下。
网格絮凝池的单个竖井结构属于中心对称结
标准》中关于前段栅条流速的选取:0.12~0.14ms
构,同时本文主要考虑垂直截面速度、能量耗散对因此速度选取为0.13ms,采用k-8模型进行的
数值模拟计算。
收稿日期:2014-07-07
(2)出口边界条件
作者简介:李国强(1984-),男,山东青岛人,工程师,从事水
动力学及排水管网研究工作。
本文采用自由出流( outflow),它适用于不可压
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缩流及出口处的流动时完全发展的情况。
Turbulent Kinetic Energy
(3)设置收敛判断依据:本文数值模拟采用定
D=30mm
常流计算,采用简化后整个流场绝对累积误差来
判定收敛情况。变量残差值达到1e-4,即可以认为
计算收敛。同时,收敛后验证 Mass Flow Rate出口
cs
质量稳定性。
3网格絮凝池单层栅条板过栅紊流特性的
数值模拟硏究
3.1不同栅间距下湍动能及湍动耗散的影响分析
随着栅条个数的增加,栅条出流的湍动能和湍
动能耗散率也随之变化。从水体的紊动结构来分
析,栅条所产生的整流作用对反应效率的增加具
X
有重要意义。
图3栅条间距D=50mm、80mm湍动能分布图
根据中国工程建设标准化协会标准《栅条、网格
Turbulent Kinetic Energy
絮凝池设计标准》中对网格絮凝池设计中,见表2。
D=50mm
D=80mm
表2网格絮凝池速度梯度设计参数
池型
絮凝池分段速度梯度
孔眼
前段
70-100
(安放密栅条
50 mm
网格絮凝池中段(安放疏
40-60
80 mm
栅条)
末段
10-20
(不安放栅条)
在网格絮凝池的实际设计中,一般的研究设计
人员采用该标准进行设计参数的选定。然而这种
传统的经验设计参数选取方式很容易造成设计人
图2栅条间距D=30mm、40mm湍动能分布图
员选取参数的随意性和普遍性,不能够根据工程
从图2、图3可知,湍动能的核心区和多股出
实际来确定参数,造成分格数增多、栅条孔径增大流之间的混合点随着栅间距的减小而向上游紧缩,
使得池体复杂、庞大。利用计算流体软件模拟不同这与各出流(絮体)间的相互混合是紧密相关的。在
间距栅条的流场对絮凝的作用机理,为实际工程混合点和核心区域,出流之间,出流与环境流体间,
的优化提供一条新方法。
出流与絮体间发生强烈的掺混,引起强烈的紊动。
为了考察栅间距对竖井内部流态的影响,选取这些湍动能最终通过粘性应力对湍动变形的做功,
了五种栅条布置形式进行模拟。布置方式见表3。即湍动耗散率项转化为其他能量耗散殆尽。
表3网格絮凝池栅条布置方式
从动能分布图中反映出,流体经过栅条板后速
栅条编号(宽一距)栅条数
栅条宽度
备注
度衰减,流体迅速与周围流体剧烈掺混卷吸,这是
5-3(cm x cm)
50 mm
由于栅条板后附近的湍动动能较大,湍动掺混作
5-4(cm×cm
12
mm
用较强所致。同时图形反映出竖井中的速度并非
5-5(cm x cm)
mi
横向均布
逐次衰减,而是有一段明显的加速区,然后衰减伴
5-8(cm x cm)
8
50
随着流动向下游发展,流核区逐渐消失,各断面流
2(em x cm)
6
50m
Im
速分布趋于一致(或有一致性趋向)。在这一过程
中,板后负压流体能将能量传递给附近流体,形成
依据单栅条数值模拟方法进行模拟,即在速度低压流体边界层,它随着流动的发展变得越来越
进口流速选取0.13mks,水体通过单体竖井栅条送厚,直至扩展到壁面或至出口处。因此在相同因素
代收敛后的数值模拟图像见图2、图3。
影响下,多栅条出流具有更大的影响区域。