1 引言

　　氧化溝是活性污泥法的一種改良技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，依靠表面曝氣機械和水下推動裝置對混合液進行充氧、攪拌和推流(Rittmann and McCarty， 2004)，混合液在溝道中不斷循環(huán)流動的過程中完成有機物的去除和脫氮除磷，具有污染物去除率高、出水水質(zhì)好、運行工況穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外城鎮(zhèn)污水處理廠的主選工藝之一. 實際上，氧化溝的上述性能與其獨特的流場特性密切相關(guān)(許丹宇等，2010).隨著計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，已有許多學者將其用于氧化溝水力學特性模擬與優(yōu)化研究，并取得了一定的進展.陳志瀾和楊人衛(wèi)通過流場數(shù)值模擬指出導流墻偏置距的合理布設(shè)可優(yōu)化氧化溝工藝的溝道流場分布，并可有效防止反應器內(nèi)污泥淤積，同時提供了合理的偏置距參數(shù).Yang等(2010)借助滑移壁面模型仿真了氧化溝工藝內(nèi)部溝道的流場分布，并指出滑移壁面模型可有效定義轉(zhuǎn)碟的水力學行為.陳威和柳溪(2011)則以氧化溝中導流墻的長度、偏置距和半徑為研究對象，借助CFD技術(shù)確定了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)取值范圍.劉玉玲等基于計算流體力學理論與工具提出了一種新型結(jié)構(gòu)形式的導流墻，并指出其可有效減小氧化溝隔墻背后回流區(qū)的范圍.梁延鵬等采用三維紊流模型對氧化溝進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)增加墻體光滑度和導流墻的曲率半徑可改善氧化溝的水力特征.Chen等基于CFD數(shù)值方法構(gòu)建了氧化溝的固液、氣液兩相流模型，對傳統(tǒng)氧化溝的水力學優(yōu)化提供有效工具.

　　然而，傳統(tǒng)的氧化溝工藝仍存在占地面積大、能耗高等問題.為此，國內(nèi)有劉俊新和夏世斌(2002)率先提出了一種新型的立體循環(huán)一體化氧化溝(Integrated Oxidation Ditch with Vertical Circle，簡稱IODVC).與傳統(tǒng)氧化溝的平面循環(huán)結(jié)構(gòu)不同，IODVC為上下溝道的立體循環(huán)結(jié)構(gòu)形式，并與固液分離器一體化，實現(xiàn)沉淀污泥自動回流，因此具有占地面積小、能耗低等特點(Xia and Liu， 2004).IODVC的立體循環(huán)結(jié)構(gòu)使其流場特性與傳統(tǒng)氧化溝的流場特性有所不同，為其進一步的優(yōu)化設(shè)計與工藝放大，有必要開展基于CFD的IODVC工藝流場模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.

　　由前期研究可知，加裝導流板可以提高IODVC溝道內(nèi)混合液整體流速，改善下溝道靠近隔板處混合液的流態(tài)分布，但有關(guān)導流板的結(jié)構(gòu)形式對IODVC流場的影響尚缺乏深入的研究.為此，本文利用CFD理論與技術(shù)，借助Fluent軟件平臺對IODVC進行二維流場模擬，探究加裝雙導流板及延長導流板末端長度對IODVC內(nèi)部流場的影響.

　　2 數(shù)值模型的建立

        2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

　　運用Fluent前處理軟件GAMBIT根據(jù)實驗中IODVC建立1 ∶ 1數(shù)學模型，單導流板IODVC結(jié)構(gòu)示意圖和幾何模型如圖 1和圖 2A所示.裝置溝長7 m，溝深1.5 m，有效水深1.4 m;隔板安裝高度0.7 m.曝氣轉(zhuǎn)刷1個，共12枚葉片，每片直徑0.4 m，葉片浸沒深度0.12 m，工作轉(zhuǎn)速為30 r · min-1.底部推流器1個，葉片直徑0.2 m，安裝高度0.1 m.曝氣轉(zhuǎn)刷及底部推流器電機功率均為0.75 kW.半圓形導流板半徑0.34 m.設(shè)置A-A、B-B斷面分別作為兩側(cè)彎道出口流速監(jiān)測斷面.加裝雙導流板及延長其末端的IODVC幾何模型如圖 2B和圖 2C所示，在彎道兩側(cè) 各加裝一道半圓形導流板，半徑為130 mm，圓心位置不變;并以雙導流板半徑大小的50%為基準，10%為遞增單元，依次增加導流板末端的長度至其半徑的130%，然后進行后續(xù)建模與結(jié)果分析.IODVC模型中流體所在部分為數(shù)值模擬的計算范圍，轉(zhuǎn)刷葉片只取浸入混合液中部分納入計算域.此外，本文采用單相流模型模擬混合液在IODVC內(nèi)流動行為.

　　圖1 IODVC結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2 IODVC幾何模型(A. 單導流板; B. 雙導流板; C. 延長雙導流板)

　　有關(guān)網(wǎng)格劃分，許丹宇等(2007)研究認為在氧化溝的不同計算域上應該采用不同類型和密度的網(wǎng)格.本文采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格對IODVC不同區(qū)域進行了不同密度的網(wǎng)格劃分.其中，轉(zhuǎn)刷轉(zhuǎn)動區(qū)域內(nèi)流場變化較為劇烈，采用Interval Size=4 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，靜止區(qū)域采用分塊網(wǎng)格劃分方式，在包絡(luò)轉(zhuǎn)刷轉(zhuǎn)動的區(qū)域進行適當加密，采用Interval Size=8 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，推流器附近區(qū)域采用Interval Size=5 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，其余靜止區(qū)域采用Interval Size=10 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，全尺度IODVC網(wǎng)格劃分在精度意義上滿足計算和實際要求.

　　2.2 湍流模型

　　在氧化溝數(shù)值模擬中應用較多的湍流模型有k-ε雙方程模型和Reynolds應力模型，其中

　　k-ε雙方程模型有3種，分別是標準k-ε模型，RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型.根據(jù)4種湍流模型各自的應用特點，以及前期對IODVC采用不同湍流模型與實驗的對比，本文選擇RNG k-ε模型進行數(shù)值模擬.

　　2.3 邊界條件

　　IODVC入口邊界根據(jù)質(zhì)量守恒定律和無旋假設(shè)，假定流速、湍動能k以及耗散率ε在入口截面上均勻分布.出口邊界采用壓力出口邊界，出口壓力設(shè)置為當前一個大氣壓水平.自由液面采用剛蓋假定，液面近似為水平面，不考慮液面的波動，壓強為標準大氣壓強值，液面垂向流速為零，其它變量的法向梯度為零.底面和壁面使用Launder和Spalding(1974)提議的標準壁面函數(shù)，垂向壁面的水平流速的法向梯度為零，底部壁面的垂向流速的法向梯度為零，滿足壁面質(zhì)量通量為零的條件.曝氣轉(zhuǎn)刷采用多重參考系模型，在轉(zhuǎn)刷葉片半徑范圍內(nèi)的流體區(qū)域建立獨立的旋轉(zhuǎn)參考系并定義轉(zhuǎn)軸原點、旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，葉片與該轉(zhuǎn)動區(qū)域內(nèi)流體的相對速度為零，轉(zhuǎn)動和靜止區(qū)域重合的兩個邊界設(shè)置為interface.推流器借助風扇模型，定義為無限薄的理想推流器，主要作用是使流體獲得軸向速度，對其引起的混合液旋轉(zhuǎn)運動不作考慮.

　　2.4 離散方法和求解算法

　　對控制方程組的離散方法采用有限體積法，差分格式采用二階迎風.求解方法采用Fluent提供的壓力基隱式算法對IODVC流場進行穩(wěn)態(tài)模擬，壓力-速度耦合方法采用SIMPLE算法.計算中考慮重力影響，重力加速度設(shè)置為9.81 m · s-2.收斂標準設(shè)置為所有方程的殘差絕對值小于10-4.

　　3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

        3.1 單導流板IODVC流場模擬與問題分析

　　在氧化溝工藝中，為了獲得良好的混合和處理效果，氧化溝中混合液體循環(huán)流動的最小流速應該是0.15 m · s-1，而為了防止溝道中污泥的沉積，則溝道中混合液平均流速應該大于0.25 m · s-1(De Clercq et al.，1999).本文借助FLUENT對IODVC進行全溝道模擬后，利用后處理模塊將IODVC計算域劃分為4個不同流速大小的區(qū)域(<0.05、0.05~0.15、0.15~0.25、>0.25 m · s-1)，進而統(tǒng)計各區(qū)域比例，得到單導流板IODVC的溝道中混合液的流速分布圖(圖 3).由圖可見，混合液流速小于0.15 m · s-1的區(qū)域占總計算域的比例較高，達到41.53%，而相應流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比較低，約為總計算域的32%.由此可見，在此流速分布情況下IODVC溝道內(nèi)部混合液的整體混合效果不理想，低流速區(qū)域的大范圍存在可能導致活性污泥的沉降和淤積，從而影響IODVC反應器的處理效果.圖 4是單導流板IODVC的速度分布云圖.由圖可見，在IODVC兩側(cè)導流板的凹凸側(cè)、左側(cè)彎道出口處(隔板左側(cè)上方)以及下溝道的上部區(qū)域(隔板下方)存在大范圍的低速區(qū)，這是由于彎道出口處的混合液會由于慣性作用有向外擴散的趨勢所致.

　　圖3 單導流板時IODVC速度分布圖

　　圖4 單導流板時速度分布云圖(m · s-1)

　　由于IODVC采用上下溝道的結(jié)構(gòu)設(shè)置，雖然導流板凹凸側(cè)及下溝道的污泥沉降到底部會被高速循環(huán)的混合液沖擊而不發(fā)生淤積，但大范圍的低速區(qū)勢必會造成回流現(xiàn)象，導致混合液逆向流動而造成動力消耗.為此，本文嘗試通過加裝雙導流板及延長導流板末端長度來解決上述問題.

　　3.2 加裝雙導流板對IODVC流場的優(yōu)化研究

　　雙導流板的流場速度分布結(jié)果如圖 5所示.對比圖 3可知，雙導流板使IODVC溝道中混合液低流速區(qū)域占比明顯下降，相應高流速區(qū)域占比有較大幅度提高，其中混合液流速小于0.15 m · s-1的區(qū)域占比由41.53%下降至34%，流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比由32%增加至41.5%，IODVC溝道中整體混合效果明顯改善.通過圖 6(雙導流板IODVC速度分布云圖)和圖 4對比可知，雙導流板可以有效提高下溝道特別是靠近隔板下方處混合液的流速，使下溝道內(nèi)混合液流速分布更加均勻，減小了此處回流區(qū)范圍，而且導流板凹凸兩側(cè)的低速區(qū)域較單導流板有明顯改善，特別是在右側(cè)導流板凹凸兩側(cè)處，由于高速液流的沖擊，使IODVC彎道斷面的流速分布更加均勻，混合液在上下溝道的過渡更加平穩(wěn)，有利于整體流場的穩(wěn)定.此外，在左側(cè)彎道出口處(隔板左側(cè)上方)，由于雙導流板的存在，回流區(qū)幾乎全部消失.由此可見，雙導流板減小了凹側(cè)流道的寬度，改變了彎道處的流場特性，加劇了水流的紊流程度，增大了流速.

 

　　圖5 雙導流板時IODVC速度分布圖

　　圖6 雙導流板的速度分布云圖(m · s-1)

　　3.3 延長導流板末端長度對IODVC流場的優(yōu)化研究

　　圖 7是導流板末端不同長度時混合液流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比.由圖可見，當導流板末端延長至導流板半徑的50%~100%時，溝道中混合液流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比隨導流板長度增加而增大;繼續(xù)增加導流板長度，則占比呈減小趨勢.其中，當導流板延長的長度等于導流板半徑時，流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比達到最大44.21%.圖 8為導流板末端延長的長度等于導流板半徑時的IODVC速度分布云圖.由圖可見，當導流板末端延長時，下溝道上部(隔板下方)及右側(cè)彎道出口處的混合液流速較不延長(圖 6)時有所提高，低速區(qū)范圍明顯縮減.可見，導流板末端延長的長度等于導流板半徑時，IODVC內(nèi)部流場更加趨于均勻，相應結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更加趨于完善.

 

　　圖7 導流板不同延長長度時流速>0.25 m · s-1 區(qū)域占比

　　圖8 導流板延長長度等于導流板半徑速度分布云圖(m · s-1)

　　在上述研究基礎(chǔ)之上，進一步分析單導流板、雙導流板和延長導流板(其長度等于導流板半徑)等3種結(jié)構(gòu)情況下彎道出口A-A、B-B斷面流速分布，其結(jié)果見圖 9.由圖 9A可知，與單導流板相比，雙導流板的斷面流速分布更加均勻，在垂向坐標0.7~0.88 m范圍內(nèi)，流速明顯升高，流速最大達到0.2 m · s-1，可有效防止此處形成回流;而延長導流板可使流速進一步提高.隨著垂向坐標繼續(xù)增加，雙導流板及延長導流板的流速分布均接近直線上升趨勢，其中在垂向坐標1.05 m附近，延長導流板使流速曲線有所波動，可能是導流板的末端和所取斷面A-A比較靠近所致.由圖 9B可知，在垂向坐標0~0.35 m范圍內(nèi)，三者流速分布相似，但在垂向坐標0.35~0.7 m范圍內(nèi)，對比3條曲線可知，雙導流板和延長導流板可使此區(qū)域流速均值保持在0.15 m · s-1以上，整個斷面流速分布優(yōu)于單導流板的情況.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 

　　圖9 監(jiān)測斷面速度分布(a. A-A斷面;b. B-B斷面)

　　由此可見，雙導流板可改變彎道寬度的比例分布，從而減小了彎道水力半徑，顯著加強了對彎道處混合液的導控作用，而且延長導流板可進一步加強導控，使彎道出口處流場向內(nèi)側(cè)收攏，從而達到提高區(qū)域流速及使流場分布更加均勻的目的，有利于IODVC溝道中混合液達到良好的混合效果.

　　4 結(jié)論

　　1)模擬結(jié)果表明，在IODVC的彎道處加裝雙導流板可使混合液高流速區(qū)域占比增加9.5%，特別是改善了彎道斷面和彎道出口斷面的混合液流態(tài)，從而有效減小此處回流區(qū)范圍，有利于斷面流速的均布.

　　2)將導流板末端適當延長可以進一步加強對水流的導控作用，使彎道出口斷面的混合液流態(tài)向內(nèi)側(cè)收攏，提高了隔板附近區(qū)域混合液流速，降低了此處形成回流區(qū)的可能性.當導流板延長的長度等于導流板的半徑時效果最佳.