斜板沉淀池前配水渠的数值模拟及结构优化

姚娟娟，宋莉莉，刘 存

(重庆大学 环境与生态学院，重庆 400045)

1 研究背景

配水渠(或称过渡段)是连接絮凝池和沉淀池的中间构筑物，其作用在于保证配水的均匀性和提高沉淀效果[1-2]。而沉淀效果的好坏将直接影响最终出水的水质、后续水处理工艺的运行负荷以及制水成本的高低[3]。为了提高配水的均匀度，学者们通常采用传统的纯理论计算方法，对配水渠的流态进行控制优化[4-5]。但是理论计算只能对流场的主要特征进行求解，缺乏对流场局部特征的量化表达[6]。近年来，计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)逐渐被应用于水处理领域。对于不同的水处理单元，CFD的研究与应用深度不同，絮凝、沉淀、消毒过程以及活性污泥反应器的相关研究与日俱增，但是关于配水渠的研究相对较少[7-10]。采用CFD软件对配水渠进行数值模拟，可获得流场内的流速分布及其随时间的变化情况，对优化配水渠的设计和提高沉淀的效果有着重要意义。贺卫宁等[11]对微涡流絮凝池和平流沉淀池之间的配水渠进行了三维单相流模拟，通过在进、出口之间安装弧形导流板来改善配水渠内的流速分布，使得沉淀池的进水均匀度明显提升。

目前仍缺乏对其他絮凝沉淀池型之间配水渠及其结构尺寸优化设计方面的研究。由于网格絮凝/斜板(管)沉淀工艺被广泛地应用在中小型规模的给水处理厂中[12-14]。所以本研究选取网格絮凝池与斜板沉淀池中间的配水渠为研究对象，运用CFD软件对其进行三维单向流稳态模拟，以获取出流均匀度最佳的结构尺寸优化方案。

2 数学模型

2.1 几何模型

絮凝池-配水渠-沉淀池系统的布置形式如图1所示。由于配水渠内部的流动属于三维运动，因此需建立三维模型反映其流态分布，配水渠三维几何模型示意见图2。考虑到网格絮凝池出水口和沉淀池进水孔口的布置均具有对称性，本研究取镜面对称简化后的配水渠作为研究对象，简化后的几何尺寸见表1。

图1 絮凝池-配水渠-沉淀池系统布置形式

2.2 湍流模型和控制方程

基于配水渠回流明显，流线弯折曲率较大的特点，湍流模型选择Realizablek-ε模型。该模型在标准k-ε模型基础上增加了1个湍流黏性公式，且耗散率输运方程从精确的方程中推导得到，可以实现使流体在较小流域空间中符合湍流的发展情况。控制方程为连续方程、动量方程、湍动能方程以及湍动能耗散率方程[15-17]，现列出湍动能方程和湍动能耗散率方程如下：

ρε-YM+Sκ

(1)

(2)

表1 配水渠简化几何模型尺寸

2.3 边界条件

(1)进口边界条件：采用流速进口(velocity-inlet)，进口流速v根据《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)设置为0.1 m/s。进口湍流选择intensity and hydraulic diameter，其中湍流强度I设置为5%，水力直径D设置为0.8 m。

(2)出口边界条件：由于配水渠出口处流态发展完全，属于自由出流(outflow)。

(3)壁面边界条件：选择刚体无滑移(no slip)的边界条件，不考虑摩擦力的影响。

(4)配水渠液面基于刚盖假设原理，不考虑液面的竖向流速，设置为symmetry类型。

(5)模型求解选择稳态(steady)控制方式，求解算法采用较为成熟稳定的Simple算法。

2.4 网格独立性测试

使用ICEM CFD软件对配水渠进行结构网格划分，见图3。网格数量依据最大全局尺寸的不同划分为4个梯度来对网格独立性进行测试，具体参数见表2。提取直线x=0.7 m,z=1.1 m上均匀分布的15个点的流速值和直线x=0.8 m,y=1.6 m上均匀分布的15个点的湍动能值，分别绘制不同网格数量下其随坐标的变化曲线，结果见图4。

表2 配水渠模型网格参数表

图2 配水渠三维几何模型示意图 图3 配水渠几何模型的六面体结构网格划分图

图4 不同网格数量下流速及湍动能随坐标的变化曲线

由图4可知，网格数量为789 709个时，各监测位置上的流速值和湍动能值的波动逐渐变小，模拟流场趋于稳定，已基本满足使用要求。为达到更为精确的效果，在现有的计算性能条件下，选取网格数量为1 093 280个(即最大全局尺寸为40 mm)的方案，进行后续的求解和分析研究。

2.5 配水渠出水均匀度评价指标

采用流速变异系数CV值来表征配水渠的出水均匀度[18]，CV值越小，流速分布则越均匀，其计算公式如下：

(3)

(4)

3 模型验证

以配水渠前端网格絮凝池竖井为5个并排布置时的情况设计实验所用装置。所用的配水渠原型尺寸为b=1 400 mm，B=3 900 mm，L=2 250 mm，H=3 370 mm，h=420 mm，根据Fr相等得到模型长度比尺为10，进口流速为0.031 62 m/s。采取脉冲示踪法对模型进行验证，在配水渠入口处瞬间投入3.42 g饱和KCI溶液作为示踪剂，并在配水渠出口断面测量电导率。将测得的电导率换算成相应的示踪剂浓度后，绘出水力停留时间曲线图，如图5所示。

图5 示踪剂浓度-水力停留时间曲线图

由图5可知，通过脉冲示踪实验与CFD模拟两种方式，得到的配水渠出口处示踪剂浓度随时间变化的规律具有的高度一致性，浓度峰值均在62 s左右，并且于180 s左右时归零。另外，由公式(5)可得脉冲实验和模拟结果的平均停留时间分别为82.35和79.49 s，误差为3.6%。由此可知，CFD模拟与实际测量的水力条件吻合较好，模型可以真实可靠地反映配水渠内部的实际水力情况。

(5)

4 配水渠的数值模拟及结构优化

4.1 配水渠进口宽度对出水均匀度的影响

配水渠的进口宽度b通常与网格絮凝池单个竖井的边长相等，以此来保证网格絮凝池末段竖井的出流流速在规范范围内，避免流速增大而导致絮体破碎。本研究在配水渠宽度B=3 900 mm条件下，选取b=1 200、1 400、1 600、2 000 mm 4种进口宽度，探究在不同进口宽度下，配水渠出流均匀度最优时对应的配水渠长度L(L为网格絮凝池至斜板沉淀池方向对应的长度)。其中进口宽度b=1 400 mm时的模拟结果见图6、7。

图6 B=3 900 mm、b=1 400 mm时不同配水渠长度L的进口主流扩散过程对比

图7 B=3 900 mm、b=1 400 mm时不同配水渠长度L的配水渠流速分布多切面云图

由图6可以看出，配水渠进口的主流沿配水渠长度方向发展为一道高速流水舌。当b=1 400 mm时，主流水舌随着L的增加始终都与出口端面相贴合，并在底部形成明显的回流曲线。当b为1 600 mm或2 000 mm时(由于篇幅所限，文中省略配水渠流速分布图)，水舌随着L的增加，逐渐脱离出口端面，同样在配水渠底部发生弯曲回流。

从图7知，越靠近进口位置，水舌流态愈明显，配水渠底部的水舌回流强度越高；越接近配水渠镜面位置，水舌流型越模糊，且水舌在出口近壁面的延伸路程越短。在4组模拟工况中(省略其他3个进口宽度工况的配水渠流速分布)，水舌向下弯折，水舌的上方区域和下方区域形成显著的慢速流区，在上方慢速流区中，对应进口的出口近壁面处，其流速为出口端面流速最小的区域。

b=1 400 mm、L=1 000 mm时的配水渠出口断面的流速分布云图如图8所示，提取各个孔口出口的断面流速来评测其结构的合理性，并绘制流速CV值随配水渠长度L的变化曲线，见图9。

由图9可以发现，随着L的增加，流速分布越来越均匀，但L增大到一定值后均匀度有所下降。具体表现为：对于b为1 200 mm的研究组，在L为2 000 mm的模拟工况中，流速CV值最小，出口流速分布均匀度最高，所对应的L最佳范围在1 750～2 250 mm；对于b为1 400 mm的研究组，其流速CV值在L为2 000和2 250 mm的工况中最小，L的最佳范围同上；同理可知，对于b为1 600和2 000 mm的研究组，L的最佳范围分别为2 000～2 500 mm和2 500～3 000 mm。另外，对于不同的进口宽度b，配水渠在最佳渠长下的流速CV值分别为2.68%，3.12%和4.35%，呈现出上升的趋势，这表明后端沉淀池的来流布水均匀度越来越低。所以，当b增加时，L应该适当增加以便达到最优的出流效果。

4.2 配水渠宽度对出水均匀度的影响

在给水厂网格絮凝池的设计中，一般有5、7、9个竖井并排布置的形式[19]。配水渠宽度B的变化，对应着网格絮凝池的3种布置形式。本研究选择b为1 400 mm，B分别为3 900、5 300和6 700 mm，模拟B变化对出水均匀度的影响并进行结构优化，探究L的最佳范围。其中B为5 300和6 700 mm时，数值模拟的配水渠流速分布云图分别见图10和11(B为3 900 mm时的流速分布云图见图7)。

图8 配水渠出口断面流速分布云图(b=1 400 mm，L=1 000 mm) 图9 不同进口宽度孔口出口流速CV值随配水渠长度L变化曲线

图10 B=5 300 mm、b=1 400 mm时不同配水渠长度L的配水渠流速分布多切面云图

图11 B=6 700 mm、b=1 400 mm时不同配水渠长度L的配水渠流速分布多切面云图

由图10和11可以看出，不同渠宽下的模拟流场的主要特征同图7。在渠宽方向上，流速剖切面越靠近配水渠对称面位置，流域流速越小，且随着B的增大，这一新的慢速流区范围也显著扩大，导致远离进口的出水孔口相对其他出口流量偏小。

取各个出口的断面流速并绘制流速CV值随配水渠长度L的变化曲线，见图12。

图12 不同水渠宽度孔口出口流速CV值随配水渠长度L变化曲线

由图12可知，B为3 900 mm时，其流速CV值在L为2 000和2 250 mm的模拟工况中最小，出口流速分布均匀度最高，所对应的L最佳范围为1 750～2 250 mm；同理可知，对于B为5 300和6 700 mm时，所对应的L最佳范围分别为2 000～2 500 mm和2 500～3 000 mm。随着B的增加，出口断面的流速CV值整体增大，最小流速CV值从3.12%上升到4.74%和5.07%，这表明B越大，其最佳出流条件下出口流速的分布均匀度越低，对应的最佳渠长应适当增大。另外，当B从3 900 mm增加到5 300 mm时，即对应着网格絮凝池从5个竖井变化到7个竖井并排布置时，其出水均匀度降低了52%，而当B从5 300 mm增加到6 700 mm时，即从7个竖井变为9个竖井并排布置时，出水均匀度仅仅降低7%，这表明在后期，B的增加对出水均匀度的影响程度有限。

4.3 双段配水渠及其挡墙位置的优化

双段配水渠的出现往往是为了防止短流现象的发生，优化布水效果。选择L为2 000 mm，b为1 200、1 400、1 600、2 000 mm的配水渠进行研究，模拟共分为3组，挡墙距进口的距离分别为800(l1)、1 000(l2)和1 200 mm(l3)。b为1 400 mm时模拟的配水渠流速分布云图见图13。

图13 挡墙距进口不同距离时配水渠流速分布切面云图(L=2 000 mm，b=1 400 mm)

由图13可以看出，进口的集中来流形成主流水舌，在首段配水渠扩散程度较低；主流翻越挡墙时，在挡墙上方区域的扩散程度加大；在第2段配水渠内主流进一步扩散，贴着出口端面一侧向下流动，此时其流速分布已经较为均匀。

提取各个出口断面的流速，计算其流速CV值，并与单段配水渠(无挡墙)进行比较分析，其结果如图14所示。

图14 不同进口宽度下挡墙距进口的距离对出流均匀度的影响

分析图14可以发现：(1)当b为2 000 mm时，挡墙的加设对均匀出流贡献了57%的提升率；而当b为1 200 mm时，挡墙对均匀出流的效果仅仅提升了9%；而当b为1 400 mm，挡墙位置在距离进口1 000和1 200 mm时，出流均匀度反而降低了。表明在相同的L下，b较长时(1 600和2 000 mm工况)，双段配水渠对均匀出水的贡献效果才更为明显。(2)在确定设置双段配水渠的情况下，双段配水渠挡墙一般不应安置于配水渠中间，而应安置于距离进口800 mm的位置，以减小低效率配水渠(首段配水渠)的流域空间，增加第2段配水渠容积，从而提高主流扩散程度，此种条件下的流速CV值最小，出水流态最为均匀。

5 结 论

本文采用CFD数值模拟方法，针对网格絮凝池与斜板沉淀池之间的配水渠进行了三维单向流稳态模拟，以流速变异系数CV值为评价指标对配水渠进口宽度b、配水渠宽度B、配水渠长度L进行了水力优化研究，得出以下结论：

(1)为达到最优的均匀出流效果，研究了b(等于网格絮凝池竖井边长)变化时L的最佳取值范围。优化结果显示，当b在1 200～1 600 mm范围之内时，L的最佳取值范围在1 750～2 250 mm之内，此时出水均匀度最优；当b较窄时，L的最优取值可适当缩短；当b大于1 600 mm时，L的最优取值应适当增加，但不应大于3 000 mm。

(2)针对网格絮凝池的3种常规布置形式，对B与L的函数关系进行了数值模拟研究。分析结果发现，当网格絮凝池为7个或9个竖井并排布置时(对应B为5 300或者6 700 mm)，L的最佳取值范围在2 250～2 750 mm内，相对于5个竖井并排布置的工况增加了500 mm。

(3)通过改变b，对双段配水渠及其挡墙位置进行了优化研究。分析结果发现，b较大时(2 000 mm左右)，设计双段配水渠对出流均匀度的提升效果显著，提高率可达为57%；b较窄时(1 200～1 600 mm)，双段配水渠对出流均匀度的提升效果较低，仅为9%；若设计双段配水渠，其挡墙位置应靠近进口一侧布置而不宜位于池体中间。