基于cfd的污水處理廠前池三維流場優(yōu)化設(shè)計

基于cfd的污水處理廠前池三維流場優(yōu)化設(shè)計

在側(cè)壩前的水池中，有復(fù)雜的水流現(xiàn)象，如回波、漩渦和循環(huán)。由于流量紊亂，不同泵站的流量條件差異很大，無法保證它們的安全運行。因此，應(yīng)采取前池排水措施，改善水泵的流量條件，包括設(shè)立導(dǎo)向臺、壓水板、底板和安裝游泳池。設(shè)置導(dǎo)流墩措施對水力條件比較敏感,難以形成通用的設(shè)計準(zhǔn)則;設(shè)置底坎措施適用于清水泵站,應(yīng)用于城市排水泵站時會造成前池泥砂淤積;設(shè)置壓水板措施一般要和導(dǎo)流墩組合使用才會獲得較好的整流效果;設(shè)置配水池措施則具有布置緊湊、形狀規(guī)則的特點,比較容易形成通用的設(shè)計準(zhǔn)則,同時其底孔進(jìn)水的方式還有利于前池中的防淤、減淤。計算流體力學(xué)(CFD)已經(jīng)成為流體動力學(xué)問題的重要研究工具,筆者以專業(yè)CFD軟件Fluent為數(shù)值模擬平臺,對側(cè)向進(jìn)水的城市排水泵站中配水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行水力優(yōu)化。1配水孔長自適應(yīng)內(nèi)流條件的改變首先建立配水池流動計算的基本模型(見圖1),以水泵進(jìn)水喇叭口直徑D為設(shè)計基準(zhǔn),根據(jù)已有的水力設(shè)計經(jīng)驗選定設(shè)計參數(shù):D=0.16m,總流量Q=35L/s,這相當(dāng)于幾何比尺為8的原型中的水泵進(jìn)水管平均流速為1.9m/s,符合離心式水泵進(jìn)水管平均流速的經(jīng)驗設(shè)計范圍(1.5~2m/s)。配水孔側(cè)向出水的流動呈現(xiàn)彎道水流和附壁射流的特點,研究選用對旋轉(zhuǎn)流和射流預(yù)測精度較高的Realizablek-ε紊流模型。在進(jìn)水箱涵的進(jìn)口給定能充分發(fā)展均勻紊流的進(jìn)口邊界條件;將自由水面簡化為對稱邊界條件;所有的固壁邊界按照通常的固壁定律來處理。另外,各機(jī)組的流量也必須是預(yù)先給定的邊界條件。在前池側(cè)向進(jìn)水且沒有精心設(shè)計整流措施的條件下,流動紊亂的前池會使各機(jī)組的進(jìn)水條件存在差異,對此采用延長前池長度的辦法來解決,主要依據(jù)為:①將進(jìn)水池長度延長到L=10D,使得各個配水孔的出水在進(jìn)水池中充分?jǐn)U散調(diào)整,有利于消除各機(jī)組間進(jìn)水條件的差異,同時較長的流動距離也能夠弱化位于下游的進(jìn)水池尾部流動對位于上游的進(jìn)水池首部流動的影響。②配水孔本身較狹小,能夠弱化位于下游的進(jìn)水池首部流動對位于上游的配水池流動的影響。研究主要涉及配水池中的水流狀態(tài),所以在將計算模型中的進(jìn)水池長度大幅延長后,各機(jī)組間流量分配的窄幅變化對研究結(jié)果基本沒有影響,完全可以給定簡化的均勻出流邊界條件。Fluent采用基于非結(jié)構(gòu)化的有限體積法(FVM)對控制方程進(jìn)行離散,能夠適應(yīng)復(fù)雜的幾何邊界形狀,同時具有良好的守恒性。一般認(rèn)為六面體網(wǎng)格的質(zhì)量要高于四面體網(wǎng)格,其計算的收斂性能較好,整個計算區(qū)域比較規(guī)則,所以全部劃分為六面體網(wǎng)格,其中對于主要研究對象(配水池、配水孔和前池首部水體)采用相對稠密的網(wǎng)格,總共劃分為140×104個網(wǎng)格單元。2配水孔流量指標(biāo)首先假設(shè)前池的側(cè)向進(jìn)水在配水池中經(jīng)過水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整,形成了相對于進(jìn)水池的正向進(jìn)水,并通過配水孔的均勻配水為每臺水泵提供完全相同的進(jìn)水條件,所以在理想配水情況下各個配水孔沿進(jìn)水池縱向正向、均勻出水。為了能夠直觀且定量地分析配水效果,定義兩個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):①配水均勻度FF=min(Qi)max(Qi)×100%i∈(1,5)(1)式中Qi——單個配水孔流量min(Qi)——單個配水孔流量中的最小值max(Qi)——單個配水孔流量中的最大值F能夠指示出各配水孔之間的流量差異,理想情況下F=1,各單元的流量完全均勻;實際流動情況下F∈(0,1),F越接近于1則各單元之間的流量越均勻,配水效果就越好。②正向偏離角ΦΦ=∑i=15|Qi?Φi|∑i=15|Qi|(2)式中Qi——第i個配水孔的出水流量Φi——第i個配水孔出口斷面的當(dāng)量流向偏角在配水孔出口斷面存在部分回流區(qū)域,且配水孔上層和下層之間的流速分布也不相同,綜合各個流動方向的影響,在各配水孔斷面已剖分為完全相同的網(wǎng)格單元條件下,將配水孔出口的當(dāng)量流向偏角Φi定義為:Φi=arctg(∑j=1Juyj/∑j=1Juxj)(3)式中uyj——配水孔出口斷面第j個單元沿前池縱向的流速uxj——第j個單元沿配水池縱向的流速J——斷面劃分的單元總數(shù)在理想情況下,配水池能夠?qū)⑾鄬τ谇俺氐膫?cè)向進(jìn)水轉(zhuǎn)變?yōu)檎蜻M(jìn)水,這時Φi=0,Φ=0。在實際流動情況下,Φi∈(-90°,90°),Φ越趨于零則配水池的出流方向越接近前池縱向,配水效果就越好。應(yīng)當(dāng)指出的是,配水措施僅僅是前池整流措施的一部分,前池中仍然可以采用導(dǎo)流墩等措施繼續(xù)調(diào)整配水孔后的水流方向,因此將F作為優(yōu)先目標(biāo)函數(shù),當(dāng)F和Φ難以兩全時,優(yōu)先考慮F。3優(yōu)化計算與分析3.1漲坎相對高度的影響出于防淤、減淤的考慮,城市排水泵站的進(jìn)水設(shè)計要求進(jìn)水箱涵的底部要高于前池底部,這樣就會在配水池進(jìn)口處形成一個跌坎。跌坎的存在改變了配水池中原有的水流結(jié)構(gòu),特別是在跌坎掩護(hù)下所形成的角渦,會對鄰近配水孔的配水效果產(chǎn)生明顯影響。跌坎相對高度Z(Z=H/D,H為跌坎高度)對配水效果的影響如圖2所示。由圖2可見,跌坎相對高度對配水均勻度和正向偏離角有明顯影響,Z~F曲線和Z~Φ曲線都呈單峰形狀,且恰好存在一共同的最優(yōu)跌坎相對高度:Z≈0.6。從配水效果的角度出發(fā),清水泵站中Z=0.6無疑是最優(yōu)跌坎高度,排水泵站進(jìn)水箱涵中的平均流速一般按不淤流速設(shè)計,選定為0.7m/s,計算可知這相當(dāng)于Z=1,這時的配水效果較Z=0.6時有很大差距,必須改進(jìn)配水池底部結(jié)構(gòu)形式以弱化由過高的跌坎高度所帶來的不利影響。3.2兩種改進(jìn)形式對比配水池底部結(jié)構(gòu)主要有引水斜坡和引水斜坡結(jié)合引水槽(見圖3)兩種改進(jìn)形式,相應(yīng)的配水效果如圖4所示?？梢娫赯>0.9時兩種改進(jìn)形式可以明顯地提高配水均勻度,降低正向偏離角,改進(jìn)配水效果。其中引水斜坡結(jié)合引水槽形式在改善配水均勻度方面要優(yōu)于引水斜坡形式,但在改善正向偏離角方面則次之,考慮到配水均勻度為優(yōu)先目標(biāo)函數(shù),故確定采用引水斜坡結(jié)合引水槽的結(jié)構(gòu)形式。3.3配水池寬度對配水效果的影響配水池寬度的增加使得水流在配水池進(jìn)口附近呈突擴(kuò)流動,形成回流旋渦,改變了配水池中原有的水流結(jié)構(gòu),影響到各個配水孔的配水效果。在Z=1、引水斜坡結(jié)合引水槽的底部結(jié)構(gòu)形式條件下,配水池寬度對配水效果的影響見圖5[X為配水池寬度的相對增幅,X=(B-b)/D,B為配水池寬度,b為進(jìn)水箱涵寬度,b=2.5D]?？梢?并非配水池越寬配水效果越好,X~F曲線呈單峰形狀,最優(yōu)配水均勻度的X≈0.5,而正向偏離角的變化則沒有簡單的規(guī)律性,當(dāng)0≤X≤0.5時正向偏離角的變化幅度較小。綜合配水池寬度對F和Φ的影響,可確定最優(yōu)X=0.5。4模型試驗結(jié)果分析上海市污水治理三期工程中的汶水路泵站采用側(cè)向進(jìn)水形式,初步設(shè)計中選用配水整流措施。其主體進(jìn)水部分設(shè)計成完全相同的南北兩倉,每倉各自擁有互不連通的進(jìn)水箱涵、側(cè)向配水池、矩形進(jìn)水池和5臺同樣的潛水式離心泵。為保證建成后的泵站能夠安全高效運行,進(jìn)行了前池配水整流設(shè)計的優(yōu)化計算和整體水力模型試驗,建立了進(jìn)水池長度L=6D、單倉幾何比尺為8的物理模型。各個配水孔的流量和出口斷面的流速分布在模型試驗中難以直接測量,但可以測量進(jìn)水池流態(tài)和水泵機(jī)組性能并將其作為配水池設(shè)計效果的判斷依據(jù)。模型試驗中對配水池優(yōu)化設(shè)計前、后的進(jìn)水池流態(tài)和水泵機(jī)組性能進(jìn)行了比較。在優(yōu)化設(shè)計方案下各水泵機(jī)組間的配水均勻性得到明顯改善,表現(xiàn)為測量得到的進(jìn)水池斷面相同高度下的流速分布基本呈現(xiàn)陣列分布,各臺水泵機(jī)組之間的裝置效率差值顯著減小,從初始設(shè)計方案下的1.18%縮小到優(yōu)化設(shè)計方案下的0.12%,其原因在于進(jìn)水側(cè)邊機(jī)組的裝置效率從66.56%大幅提高到67.92%,而其他水泵機(jī)組的裝置效率則變化幅度很小?？梢娕渌氐膬?yōu)化設(shè)計提高了泵站的整體運行性能。5設(shè)計參數(shù)的確定①配水池的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參