基于cfd的污水處理廠前池三維流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于cfd的污水處理廠前池三維流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(wú)法保證它們的安全運(yùn)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(tái)、壓水板、底板和安裝游泳池。設(shè)置導(dǎo)流墩措施對(duì)水力條件比較敏感,難以形成通用的設(shè)計(jì)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(shí)會(huì)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(huì)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(diǎn),比較容易形成通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,同時(shí)其底孔進(jìn)水的方式還有利于前池中的防淤、減淤。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)已經(jīng)成為流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(tái),對(duì)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(jì)進(jìn)行水力優(yōu)化。1配水孔長(zhǎng)自適應(yīng)內(nèi)流條件的改變首先建立配水池流動(dòng)計(jì)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(jì)基準(zhǔn),根據(jù)已有的水力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選定設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)范圍(1.5~2m/s)。配水孔側(cè)向出水的流動(dòng)呈現(xiàn)彎道水流和附壁射流的特點(diǎn),研究選用對(duì)旋轉(zhuǎn)流和射流預(yù)測(cè)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(jiǎn)化為對(duì)稱邊界條件;所有的固壁邊界按照通常的固壁定律來(lái)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(jì)整流措施的條件下,流動(dòng)紊亂的前池會(huì)使各機(jī)組的進(jìn)水條件存在差異,對(duì)此采用延長(zhǎng)前池長(zhǎng)度的辦法來(lái)解決,主要依據(jù)為:①將進(jìn)水池長(zhǎng)度延長(zhǎng)到L=10D,使得各個(gè)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(shí)較長(zhǎng)的流動(dòng)距離也能夠弱化位于下游的進(jìn)水池尾部流動(dòng)對(duì)位于上游的進(jìn)水池首部流動(dòng)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(dòng)對(duì)位于上游的配水池流動(dòng)的影響。研究主要涉及配水池中的水流狀態(tài),所以在將計(jì)算模型中的進(jìn)水池長(zhǎng)度大幅延長(zhǎng)后,各機(jī)組間流量分配的窄幅變化對(duì)研究結(jié)果基本沒有影響,完全可以給定簡(jiǎn)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(duì)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(shí)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(jì)算的收斂性能較好,整個(gè)計(jì)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(duì)于主要研究對(duì)象(配水池、配水孔和前池首部水體)采用相對(duì)稠密的網(wǎng)格,總共劃分為140×104個(gè)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(guò)水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整,形成了相對(duì)于進(jìn)水池的正向進(jìn)水,并通過(guò)配水孔的均勻配水為每臺(tái)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(gè)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(gè)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(gè)配水孔流量min(Qi)——單個(gè)配水孔流量中的最小值max(Qi)——單個(gè)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(shí)際流動(dòng)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(gè)配水孔的出水流量Φi——第i個(gè)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(gè)流動(dòng)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(gè)單元沿前池縱向的流速uxj——第j個(gè)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?duì)于前池的側(cè)向進(jìn)水轉(zhuǎn)變?yōu)檎蜻M(jìn)水,這時(shí)Φi=0,Φ=0。在實(shí)際流動(dòng)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(shí),優(yōu)先考慮F。3優(yōu)化計(jì)算與分析3.1漲坎相對(duì)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(jì)要求進(jìn)水箱涵的底部要高于前池底部,這樣就會(huì)在配水池進(jìn)口處形成一個(gè)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(huì)對(duì)鄰近配水孔的配水效果產(chǎn)生明顯影響。跌坎相對(duì)高度Z(Z=H/D,H為跌坎高度)對(duì)配水效果的影響如圖2所示。由圖2可見,跌坎相對(duì)高度對(duì)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(duì)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(wú)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(jì),選定為0.7m/s,計(jì)算可知這相當(dāng)于Z=1,這時(shí)的配水效果較Z=0.6時(shí)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(guò)高的跌坎高度所帶來(lái)的不利影響。3.2兩種改進(jìn)形式對(duì)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。可見在Z>0.9時(shí)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(duì)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(dòng),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(gè)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(duì)配水效果的影響見圖5[X為配水池寬度的相對(duì)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]。可見,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(jiǎn)單的規(guī)律性,當(dāng)0≤X≤0.5時(shí)正向偏離角的變化幅度較小。綜合配水池寬度對(duì)F和Φ的影響,可確定最優(yōu)X=0.5。4模型試驗(yàn)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(jì)中選用配水整流措施。其主體進(jìn)水部分設(shè)計(jì)成完全相同的南北兩倉(cāng),每倉(cāng)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(tái)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(yùn)行,進(jìn)行了前池配水整流設(shè)計(jì)的優(yōu)化計(jì)算和整體水力模型試驗(yàn),建立了進(jìn)水池長(zhǎng)度L=6D、單倉(cāng)幾何比尺為8的物理模型。各個(gè)配水孔的流量和出口斷面的流速分布在模型試驗(yàn)中難以直接測(cè)量,但可以測(cè)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(jì)效果的判斷依據(jù)。模型試驗(yàn)中對(duì)配水池優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)量得到的進(jìn)水池?cái)嗝嫦嗤叨认碌牧魉俜植蓟境尸F(xiàn)陣列分布,各臺(tái)水泵機(jī)組之間的裝置效率差值顯著減小,從初始設(shè)計(jì)方案下的1.18%縮小到優(yōu)化設(shè)計(jì)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。可見配水池的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了泵站的整體運(yùn)行性能。5設(shè)計(jì)參數(shù)的確定①配水池的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參