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）

0 前言

强化絮凝技术的关键环节之一是高效的絮凝池的研究。目前常规及新型池子所取得的实验数据及其分析结果尚处于实验阶段，同时混凝理论分析方法对于絮凝池的研究大多处于初级的指导性阶段。因此基于中山市某镇给水厂网格絮凝池基本参数，分析絮凝池的水力特性指导反应条件的优化，使得絮凝剂在最佳工况条件达到强化絮凝的效果是本文研究的内容。

表1 网格絮凝池二维模型参数(单位：mm)

沿切线方向切取尺度为 4 000 mm×1 000 mm平面，见图1。

1 CFD 概述

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方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[1]。

2 网格絮凝池建模及单栅条数值模拟研究

2.1 网格絮凝池数学模型的建立

中山某镇 5 万 t/d 的给水厂，单个竖井尺寸为1 000 mm×1 000 mm×4 000 mm，采用理想液态流模拟絮凝池单井内部流场，顶进底出，水流方向垂直向下。

网格絮凝池的单个竖井结构属于中心对称结构，同时本文主要考虑垂直截面速度、能量耗散对流场的影响，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。

图1 单层网格絮凝池二维模型示意图

2.2 网格絮凝池模型的边界条件的确定

（1）进口边界条件

本文对网格絮凝池单体竖井的模拟为不可压缩流，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、网格絮凝池设计标准》中关于前段栅条流速的选取：0.12～0.14 m/s，因此速度选取为 0.13 m/s，采用 k-ε模型进行的数值模拟计算。

（2）出口边界条件

本文采用自由出流（outflow），它适用于不可压缩流及出口处的流动时完全发展的情况。

（3）设置收敛判断依据：本文数值模拟采用定常流计算，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研究

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有重要意义。

根据中国工程建设标准化协会标准《栅条、网格絮凝池设计标准》中对网格絮凝池设计中，见表2。

表2 网格絮凝池速度梯度设计参数

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员选取参数的随意性和普遍性，不能够根据工程实际来确定参数，造成分格数增多、栅条孔径增大使得池体复杂、庞大。利用计算流体软件模拟不同间距栅条的流场对絮凝的作用机理，为实际工程的优化提供一条新方法。

为了考察栅间距对竖井内部流态的影响，选取了五种栅条布置形式进行模拟。布置方式见表3。

表3 网格絮凝池栅条布置方式

依据单栅条数值模拟方法进行模拟，即在速度进口流速选取 0.13 m/s，水体通过单体竖井栅条迭代收敛后的数值模拟图像见图2、图3。

图2 栅条间距 D=30 mm、40 mm 湍动能分布图

图3 栅条间距 D=50 mm、80 mm 湍动能分布图

从图2、图3可知，湍动能的核心区和多股出流之间的混合点随着栅间距的减小而向上游紧缩，这与各出流（絮体）间的相互混合是紧密相关的。在混合点和核心区域，出流之间，出流与环境流体间，出流与絮体间发生强烈的掺混，引起强烈的紊动。这些湍动能最终通过粘性应力对湍动变形的做功，即湍动耗散率项转化为其他能量耗散殆尽。

从动能分布图中反映出，流体经过栅条板后速度衰减，流体迅速与周围流体剧烈掺混卷吸，这是由于栅条板后附近的湍动动能较大，湍动掺混作用较强所致。同时图形反映出竖井中的速度并非逐次衰减，而是有一段明显的加速区，然后衰减伴随着流动向下游发展，流核区逐渐消失，各断面流速分布趋于一致（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，形成低压流体边界层，它随着流动的发展变得越来越厚，直至扩展到壁面或至出口处。因此在相同因素影响下，多栅条出流具有更大的影响区域。

同时流体中的速度梯度和紊流切应力是非恒定的，都具有由壁面（wall）向流场中心区沿程降低的变化规律。对于絮凝过程中大部分阶段，絮体颗粒较小，水中颗粒跟随性好，颗粒速度与水流流速接近。由于水流速度梯度的存在，相邻流层的颗粒也具有速度梯度，从而为相互碰撞创造了条件。如果是在均匀切变场中，颗粒就会平稳的聚集成长，但是实际工程中的非均匀切变场，不同的流层具有不同的剪切强度，而且变化较大，颗粒的成长就会受到影响。在靠近壁面的区域速度梯度大，颗粒相互碰撞的机率高，但切应力大，水流对颗粒的揉搓作用强烈。在水流中心处，颗粒之间相碰撞之后更容易结合。

3.2 不同栅间距数值模拟湍动能 k、湍动能耗散率ε面平均值评价

采用 CFD 软件中 Mass-Weighted Average 计算，其更接近于高速度区域的值，即有更多质量流通过面上的变量值，见图4。

图4 不同栅间距湍动能 k、湍动能耗散率ε面平均值变化曲线图

根据紊流微涡旋动力学理论，湍动能 k 及湍动能耗散率ε越大，池内絮凝效果越好得到的絮体越密实。根据以上各变化曲线可知，随着栅条间距从 D=120 mm 向 D=40 mm 逐级缩减中，湍动能、湍动耗散率及涡旋速度梯度呈现增加的趋势。当D=30 mm 时，曲线出现一个突跃，是 40 mm 栅距的各指标的 3～4 倍。经过分析，这种突跃是栅条处的流体大部分呈现出射流状态，湍动能及剪切力急剧增加紊动十分强烈。

根据絮凝体破碎理论，絮凝池前置阶段絮凝体形成粒径大而多孔的结构，此时在水流剪切力作用下容易发生破碎。具有较高能级的栅间距D=30 mm 容易使絮体颗粒因强剪切作用及高湍动度造成破碎。因此栅间距 D=40 mm 和 50 mm 的栅条布置方式是较优的。

4 结论

网格絮凝池竖井的内部紊流流动问题是一种相对复杂的流动问题，它对工程设计及现有给水厂的更新改造具有很重要的指导意义。本文得到如下研究结论：

（1）本文主要运用 CFD 计算流体力学软件对网格絮凝池竖井进行了数值模拟。采用 Realizable k-ε模型，对网格絮凝池这类高雷诺数并流动中包含有射流和混合流的模型具有很好的可操作性，计算消耗时间少。

（2）对速度进口流速为 0.13 m/s，通过在竖井内流动中加入栅条方法可以改变整个流场流态；通过改变栅条密度，增加栅条个数可以降低负压对絮凝过程的影响，限制湍流剪切梯度，控制水中涡旋的大小和强度。

（3）新的水质标准对中山市某镇给水厂改造升级提出了要求，栅间距 D=40 mm 或 50 mm 的栅条布置方式具备较高湍动能级、较强速度差异，以其作为网格絮凝池前段栅条布置间距，可以保证网格絮凝池改造后形成密实的絮体，降低出水NTU。

[1] 王绍文,姜安玺,孙喆.混凝动力学的涡旋理论探讨[J].中国给水排水,1991,7(1):4.

[2] 单立志,施汉昌,王锐.网格反应、斜板反应沉淀水处理实验设备的设计制作[J].实验技术与管理,2006,23(10):55-57.

[3] 王启山.水工业工程常用数据速查手册[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 周自坚.网格式机械搅拌絮凝技术的实验及理论研究[D].黑龙江哈尔滨:哈尔滨工业大学.