斜板沉淀池中固--液两相流水力特性数值模拟研究

摘要

斜板沉淀池在我国净水厂中应用广泛，具有处理效率高、污泥沉淀时间短和占地面积小等优点，然而该类型沉淀池在实际运行过程中体内流场、浓度场的变化规律十分复杂，在实际工程中对其部分结构参数和运行参数的影响分析不够系统全面，本研究基于计算流体力学理论对斜板沉淀池的水力特性进行数值模拟，对净水厂沉淀过程的调整和优化具有一定的指导意义。研究成果如下： (1)利用Fluent软件，选用Mixture多相流模型和RNG k-ε湍流模型，对斜板沉淀池固液两相流水力学特性进行数值模拟研究。建立数学模型并选用改良斜板沉淀池浓度场实验实测数据与模拟结果对比进行模型验证，结果表明，模拟结果与实验实测数据结果吻合度较好，误差在可接受范围内，证明了所选数学模型的适用性。 (2)斜板沉淀池池体结构（斜板间距、倾角以及配水区高度）对沉淀池水力特性的影响。研究表明：当斜板间距由12cm减小到5cm的过程中，沉淀池出水口悬浮物浓度降低，去除效率增高了3.6%，斜板间距为5cm沉淀池运行效率最高：斜板倾角由65°缩小到450时，总体上沉淀池对悬浮物的去除率提高了4.6%，其中倾角为45°和60°对，去缘率要优于其他工况，分别为85.4%和84%：当配水区高度由1.5m增加到1.8m对，沉淀池运行效率变化不大，在84%～86%区间内，当配水区高度由1.8m增加到2.1m时，沉淀池运行效率变化幅度较大，总体上本次模拟配水区高度由1.5m增加到2.5m过程中沉淀池去除率增加了6.6%。说明增加配水区高度，有利于提高出水水质。 (3)斜板沉淀池运行参数（进口流速、污泥浓度以及污泥颗粒密度）对沉淀池水力特性的影响。研究表明：随着进口流速由0.06m/s增加到0.20m/s，沉淀池去除率减小了6.8%，降低进口流速有利于沉淀池运行效率的提高：进口污泥浓度由300mg/L增加到600mg/L时，沉淀池去除率随之降低，减小了5.4%，进口污泥浓度的增加不利于沉淀池自勺稳定运行；随着进水污泥颗粒密度的增大，沉淀池去除率也随之不断提高。其中当颗粒密度由1OOOkg/m3增加到1500kg/m3μm沉淀池去除率变化幅度较大，提高了7.8%；适当增加污泥颗粒密度有利于提高沉淀池运行效率。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 沉淀池的发展及分类

1.3.1 沉淀池的发展

1.3.2 沉淀池的分类

1.4 沉淀池国内外研究现状

1.4.1 数值模拟研究现状

1.4.2 实验研究现状

1.4.3 斜板（管）沉淀池研究现状

1.5 斜板沉淀池设计规范及影响因素

1.5.1 斜板沉淀池设计规范

1.5.2 沉淀池运行影响因素

1.6 主要研究内容

1.7 技术路线

2 数值模拟理论概述

2.1 计算流体力学基本控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.2 多相流模型概述

2.2.1 VOF模型

2.2.2 混合模型（Mixture）

2.3 湍流数学模型

2.3.1 标准k-ε模型

2.3.2 RNG k-ε模型

2.3.3 可实现 k-ε 模型 （Realizable k-ε）

2.3.4 雷诺应力模型

2.4 数值离散方法

2.5 数值模拟的求解过程

3 斜板沉淀池固液两相流模型建立与验证

3.1数学模型的选择

3.2模型建立和网格划分

3.3边界条件

3.4结果分析

4 池体结构对斜板沉淀池水力特性的影响研究

4.1研究对象

4.2 网格划分、边界条件的设定及算法

4.2.1 网格划分

4.2.2 边界条件的设定及算法

4.3 斜板间距对沉淀池水力特性的影响

4.3.1斜板间距对沉淀池内流场的影响

4.3.2斜板间距对沉淀池内浓度场的影响

4.3.3斜板间距对沉淀池出水口悬浮物浓度的影响

4.4斜板倾角对沉淀池水力特性的影响

4.4.1斜板倾角对沉淀池内流场的影响

4.4.2斜板倾角对沉淀池内浓度场的影响

4.4.3 斜板倾角对沉淀池出水口悬浮物浓度的影响

4.5配水区高度对沉淀池水力特性的影响

4.5.1配水区高度对沉淀池内流场的影响

4.5.2配水区高度对沉淀池内浓度场的影响

4.5.3配水区高度对沉淀池出水口悬浮物浓度的影响

5 运行参数对斜板沉淀池水力特性的影响

5.1 进口流速对沉沉池水力特性的影响

5.1.1进口流速对沉淀池内流场的影响

5.1.2进口流速对沉淀池内浓度场的影响

5.1.3进口流速对沉淀池出水口悬浮物浓度的影响

5.2进口污泥浓度对沉淀池水力特性的影响

5.2.1进口污泥浓度对沉淀池内流场的影响

5.2.2进口污泥浓度对沉淀池内浓度场的影响

5.2.3进口污泥浓度对沉淀池出水口悬浮物浓度的影响

5.3污泥颗粒密度对沉淀池水力特性的影响

5.3.1污泥颗粒密度对沉淀池内流场的影响

5.3.2污泥颗粒密度对沉淀池内浓度场的影响

5.3.3污泥颗粒密度对沉淀池出水口悬浮物浓度的影响

6总结与展望

6.1 研究总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献