地下污水处理厂尾水提升导流墙设置CFD技术应用

赵 仝，陈玉英，王 佳，沈 浩，史成波，滕 峰

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430000)

作为现代城镇生活必不可少的组成设施，城市污水处理厂对于环境资源合理配置、城市生态有效改善，以及“碳中和”目标的实现有着不可替代的作用。相比于地上污水处理厂的地上面积占用、环境美化需求等方面的问题[1]，越来越多的地下污水处理厂走入人们的视野[2]。因其尾水与地表存在一定高差，地下污水厂设置尾水提升泵成为必需，但如果尾水水流不能在多台并联尾水泵间合理配置，不但会增大系统压损，还会导致水泵液击、汽蚀等的发生，合理设置导流墙能够有效减轻此类现象的发生。

文献[3]利用模型试验的方法对某水电站溢洪渠道非对称进口导流墙的设置进行了优化研究，结果显示，优化方案在溢洪渠道水力特征改善方面的作用显著，不仅对溢洪渠道的设计施工具有较高借鉴意义，还可有力支撑溢洪渠道引渠段复杂流场的分析。文献[4]采用CFD数值模拟分析二级泵房吸水井不同高度液位对吸水效果的影响，以期得到最低运行液位的判定依据和标准，以及有效降低最低运行液位的设计思路。文献[6—8]采用不同计算软件对各类工程实际问题做各方面计算。结果表明：引入湍流黏度进行数值模拟可更准确的快速模拟分析该类问题，采用导流墙措施可有效解决水泵噪声、震动等问题。

合理设置导流装置可有效减缓因并联提升水泵间液体分配不均导致的液击和汽蚀，以及系统压损增大等问题，而运用CFD技术辅助地下污水厂尾流提升导流墙的合理设置省时省力，但相应参考亟需填补。本文以陈江街道办二号污水处理厂尾水提升泵房为例，利用Fluent软件对其合理布局及导流墙设置进行优化分析，为相似问题的解决提供借鉴。

1 项目概况

项目位于广东省惠州市仲恺高新技术产业开发区陈江街道办内，服务范围包括惠州仲恺潼侨工业片区、科技金融新区及部分潼侨中心区及部分LED产业园片区等区域。污水处理厂区总规模100000m3/d，总用地面积约3.1公顷，采用全埋地下式“粗细格栅+膜格栅+曝气沉砂池+AAO+MBR+紫外线消毒”处理，厂区出水水质按地表准Ⅳ类水标准设计，其中总氮出水指标上限为15mg/L。

尾水泵房模型如图1所示，污水处理厂尾水提升泵房为钢混结构，模型结构尺寸为25.9m×11.0m×8.1m(长×宽×高)。泵房内设5台轴流潜水泵(四用一备)，单台流量、扬程和功率分别为1360m3/h、7mH2O和45kW。

2 数值模拟

为了得到不同结构导流墙设计方案影响尾水提升泵性能的作用，本文使用CFD技术对泵房污水流场流速分布、压力分布情况进行数值模拟及分析。

2.1 物理模型

根据设计方案，本文首先利用revit软件建立了水泵房的物理模型(图1)，通过revit软件中的附加模块导入CFD中进行网格划分等一列工作。

图1 尾水泵房模型

2.2 数值方程及边界条件

数值方程包括连续性方程、动量方程以及RNGk-ε模型方程，并通过修正湍流粘度考虑水流的旋流流动，同时提高直角弯头大曲率情况下的计算精度。其中k和ε的输运方程分别为：

(1)

(2)

式中，ρ—流体密度，kg/m3；GK—平均速度梯度引起的湍流动能的产生；Gb—由浮力产生的湍流动能；YM—可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；αK和αε—K和ε有效普朗特数的倒数；SK和Sε—定义源项。以上数值模型压力为相对压力，进口采取速度进口边界条件，出口采用压力出口边界条件。通过设置迭代残差10-6作为收敛判据。

2.3 网格划分及独立性验证

采用ANAYS软件中的MESH工具对尾水泵房模型计算区域进行离散，速度及压力梯度较大局部区域进行网格加密，区域网格系统既存在正四面体，亦存在正六面体网格。虽然密集网格有利于改善计算精度，但需占用较多计算机资源。本文利用多套网格对网格独立性进行了考核，考核结果如图2所示。经过比较，本文最终选择150万网格系统进行后续的数值计算分析。

图2 网格独立性验证

3 结果与分析

对于流场的判定，速度矢量图最为直观，经过模拟得到速度矢量图，如图3所示。从图3(a)—(b)中可以看出，在不加设导流墙时，水泵出口水流相互影响，污水流动紊乱，容易诱发单台泵附底涡或者附壁涡，也容易造成其他水泵空化的风险。而污水流动速度过快，容易使其相互撞击，增加水泵轴承的负荷和结构破坏，进而影响水泵运行寿命。而在加装较短的导流墙时，如图3(c)—(d)所示，其污水在水泵出水口经导流墙导流，流动较为平稳，且污水水流出水均匀水泵之间相互影响减弱，水泵可以较安全平稳运行。在加装长导流墙之后，如图3(e)—(h)所示，各水泵进、出水流速均匀，平稳，且水泵可安全运行无噪声、震动等现象。

图3 速度矢量图

本文分别对不同高度的无导流墙设置和1.8、3.5m及4.1m长度导流墙作用水泵出口变化流速和尾水池不同高度压力情况行了计算分析，其结果如图4—5所示。图4可以看出，在未加装导流墙的情况下，水流流动紊乱，速较快。而在加装导流墙之后，水泵流速相较于未加装导流墙的流速减缓，其出水更加平稳，且随着导流墙高度的增加，污水离开水泵后流速逐渐减小。当导流墙达到一定高度时(3.5m)，其平缓尾水池流速及改善水泵的作用趋缓。

图4 不同导流墙长度流速变化曲线

从图5可以得知，在高度0.5m之下，因水泵吸水做功，故其呈现负压状态。当污水离开水泵之后，其在管道内水压逐渐上升。在不加装导流墙的前提之下，前期污水流动压力增长平缓，后期因水流紊乱导致其压力变化略大，不利于尾水泵房正常工作。而在加装导流墙之后，后期压力增加较为平缓，随着导流墙长度的提升，其压力较无导流墙情况下增长有所延缓。

图5 不同导流墙长度压力变化曲线

相比之下，安装1.8m高度的导流墙之后，仍不能完全解决水泵出水产生的一系列问题；安装3.5m导流墙之后对于气旋、气蚀现象有明显改善；安装4.1m高度导流墙与3.5m高度导流墙效果相类似。故最终决定选取安装3.5m高度导流墙。

4 结语

随着各类数值工具的发展，对水利设施进行数值模拟优化已经成为水利工程一个不可缺少的环节。对水工设备的优化不仅限于其运行状况，更发展到导流墙等结构参数的优化。在本文数值计算研究中，分别对尾水泵房导流墙设置了3种不同高度的导流墙，最终结果如下：

(1)加设一定高度和长度的导流墙后，水流分布较为均匀，水泵之间影响减弱，其改善尾水池流场分布及水泵工作的效果随导流墙高度和长度的增加，先显著、后平缓。

(2)根据模拟结果，该项目采用推荐3.5m导流墙高度，运行一段时间后反馈，漩涡、汽蚀现象明显改善，并满足出水水质要求。