基于cfd的絮凝搅拌桨水动力学特性研究

基于cfd的絮凝搅拌桨水动力学特性研究

废水处理是水处理技术的重要组成部分。废水处理的效果直接影响后续水质处理的效果，废水处理设备的水动力特性对废水处理效果的影响极为重要。由于工程个体的差异性,在实际设计过程中,很难做到针对具体问题提出最适合的设计值,如设计往复隔板絮凝池时,起端和末端流速、段数、转弯处过水断面积与廊道过水断面积比例、机械搅拌池中搅拌转速、桨板总面积与水流截面积的比例、桨板长宽比等。G为速度梯度,G值作为絮凝效果的评价指标也存在诸多争议。计算流体力学CFD(computationalfluiddynamics)在水处理絮凝动力学研究中的应用,对絮凝设备开发与设计产生了重要影响。CFD利用数值计算和借助计算机求解流体力学的方法,对实际设备中流动场进行数值模拟,具有精度高、耗时短、费用低,无需实验测量,可提供所需的整个流场内的有关数据等特点。本文尝试通过杯罐试验和对其内水流流态的数值模拟,研究絮凝搅拌桨的几何尺寸及其置于容器中高度这两个水动力学因素对絮凝效果的影响,提出相应的合理工况。1混合试验1.1试验计划1.1.1试验水样的配制主要试验设备:ZR4-6智能型混凝试验搅拌机(六联)、圆形杯罐(1L)、HACH2100A型浊度计、FA-2004型天平、酸度计和温度计等。原水取自长江南京段,碱度88mg/L(CaCO3),pH值7.86,水温20°C,色度为10。试验水样浊度为45～450NTU,即反映全年逐月水质变化。为保证试验水样的一致性,现场取进厂原水沉淀,用静沉后的泥水与原水进行混合,配置成所需浊度的试验水样。混凝剂采用是以聚合氯化铝为核心组分的复合型聚合氯化铝(PAC),投加量为6mg/L。1.1.2试验快全面转速根据混凝控制指标要求,综合考虑杯罐试验工况,试验快搅转速600r/min、快搅时间90s、慢搅转速为120r/min、慢搅时间25min、沉淀时间20min。1.2混凝剂混凝效果模拟模拟全年原水水质,考察2种不同几何尺寸的搅拌桨对絮凝过程的影响。桨底到容器底部的距离为12mm(装置标准配置)。桨1:50mm×40mm×0.5mm;桨2:55mm×20mm×2mm。取静止沉淀后的上清液浊度作为混凝沉淀效果的评价指标。试验结果,如表1所示。模拟全年原水水质,考察搅拌桨入水深度的改变对絮凝的影响。采用前述桨1,改变其在容器轴向的位置,使其上部分别距离容器底部高度H0为12、10、8mm,比较其絮凝效果,试验结果如表2所示。2计算流场数值的模型2.1基于有限体积法的控制方程采用FLUENT6.0软件对杯罐内流场进行三维数值模拟,计算基于有限体积法,对控制方程中的源项作线性化处理,在控制体内积分各控制方程,可得到变量在结点处的差分方程。经过差分离散后得到复杂的方程组,采用TDMA法求解,压力与速度耦合采用SIMPLE算法。2.2桨叶为两直叶片数值模拟与试验容器的结构、几何尺寸一致。搅拌桨桨叶为两直叶片。容器直径D=100mm,液面高度H=127mm,容器高度H′=175mm,计算域取整个容器内的液体及自由液面以上的空气。2.3多相流模型模型考虑到桨叶搅拌时气—液两相的作用,采用多相流模型VOF进行模拟,定义空气为基本相而水为第2个相;容器底部z=0处和容器侧壁处r=D/2处定义为壁面边界条件。2.4计算值的模型计算中采用k-ε模型,该模型形式简单并已成功模拟了许多复杂的流动问题,在数值计算中应用广泛。对牛顿流体模拟的控制方程参照文献。2.5外部网格采用滑移网格法将计算域分为:内部网格——包含运动桨叶和轴的液体部分,如图1中(a)区域。内部动区域采用非结构化四面体网格,该区域梯度变化较大故采用细网格。外部网格——除内部网格以外的其他部分,图1中(b)区域所示。外部静区域用非结构化六面体网格,该区域内梯度变化小而采用粗网格,两部分网格相互独立,网格单元数共为119944个,网格节点数共为85093个。内部网格随搅拌桨一起转动,外部网格静止,两部分网格之间通过滑移界面进行插值处理。2.6采用多模计算评估指标2.6.1容器内充放电液流运动规律搅拌桨为径向流搅拌桨。当搅拌桨旋转时自由液面会产生一个较小的下凹空穴,该实验现象与计算流场云图(如图2所示,颜色反映水流流速的大小)中黑线下方的空穴相一致,N为转速。容器内液体流场,如图3所示。流体在桨叶边缘处产生强烈的径向运动,遇到容器壁分别向上和向下运动,在桨的上下方都呈现出一个循环状(循环区)。在桨叶区(桨旋转所划过的圆周区域),桨叶旋转推动液体,液流具有射流特征,卷吸周围流体。表明计算结果能较可靠地反映搅拌桨旋转时流体的流动状态。图4为容器中距底部不同高度处的横向截面图(颜色图示同图2),转速为120r/min,截面距底部4、32、90mm,3个截面相对位置见图4左侧。桨叶端部水流速度最大,离桨越远水流速度越小。除容器上方的空气外,容器内还存在3个液体速度较小的区域,如图2中所示:(a)容器边壁处;(b)接近自由液面处的搅拌轴周围;(c)桨叶轴心正下方。可见,设计时应尽可能减小不利于絮凝体碰撞的区域范围。2.6.2混合器特性分析图5为圆形容器内慢搅转速为120r/min时的轴向紊动动能图。在桨叶区,流体运动由桨叶高速旋转带动,产生很强的紊流脉动,影响紊动强度的主要因素是桨叶运动。叶片端部区域,产生的紊动动能k最大,使得絮凝反应强烈,利于提高絮凝颗粒聚集效率,但同时该处微小涡旋会产生较大的剪切作用,高紊动动能使较大絮凝体破碎。远离桨叶的其他区域,如循环区,桨叶运动对k影响逐渐减小,流体运动速度逐渐变小,流体紊流脉动和能量减弱,该区絮凝体比桨叶区的大,受较大惯性的影响,流体要拖拽、夹带颗粒一起脉动,要消耗一部分脉动能量,能量远比桨叶区小,作用减弱,水流运动有利于絮凝体的碰撞、粘结、生长成粒径较大的絮凝体。容器横断面紊动动能云图如图6所示,转速为120r/min,截面距底部4、32、90mm(颜色图示同图5)。径向接近容器壁、轴向向下(4mm)接近容器底部和向上远离桨叶并接近自由液面(90mm)处,k与桨叶区相比都很小,该区域不利于颗粒充分碰撞,无法形成粒径较大絮凝体,最终影响沉淀效果。2.6.3能耗系数的确定文献提出絮凝池有效能量耗散率的概念,但是定量地计算某个絮凝池的有效能耗非常困难。ε是絮凝池总能耗E的一部分,即ε=αE(α<1),对于不同型式、不同规模的絮凝池,有效能耗系数α取值很难,直接将其引入絮凝池设计中很难。从絮凝体形成角度,ε是对颗粒碰撞结合起作用的那部分能量;从紊流理论角度,ε是指紊流涡旋在衰减过程中的粘性耗散。通过CFD软件计算可以得到容器内运动流体的整体或局部的紊动动能k和有效能耗ε,为研究提供有价值的参考数据。2.7絮凝剂分布和k和分布数值模拟结果和数值计算所得紊动动能k与有效能耗ε分布,如图7～13所示。k和ε分布反映出,桨搅拌桨几何尺寸和入水深度影响絮凝效果。桨1絮凝效果优于桨2,桨距容器底部10mm时絮凝效果优于其他两组。3分析与讨论3.1桨叶直径、尺寸设计桨1絮凝效果优于桨2的原因分析:(1)桨1划水面积(2000mm2,占水流截面积的15.7%)大于桨2划水面积(1100mm2,占水流截面积的8.7%)。搅拌桨划水面积大,液体主体流动范围也大,对搅拌桨周围流体作用增大,速度和紊动动能大(如图7所示)。桨1容器内平均有效能耗(ε0=0.0050m2/s3)大于桨2容器内的(ε0=0.0037m2/s3),说明桨1对颗粒碰撞结合起作用的能量多。(2)桨2直径大于桨1直径。桨直径大有利于增大接近容器壁处水流的速度和紊动动能,如图8、9所示,但会使桨叶正下方速度较小区域的范围增大(图7(b)中黑线所圈区域),该区域内流体向上卷吸,运动速度极小,容易堆积颗粒物质,不利于絮凝体成长。(3)桨1、2的宽度分别为40、20mm,桨1宽度大其作用范围和强度大,有利于对其上方液体的搅动(见图10),容器底部和自由表面处,桨1、2的作用效果相似。搅拌桨几何尺寸优化对絮凝效果有实际意义。如在实际工程中,设计机械絮凝池时要求每台搅拌器上桨板总面积宜为水流截面积的10%～20%,不宜超过25%,桨1的设计参数(15.7%)在此范围内;桨2则低于该范围的下限,通过数值模拟计算这2种设计参数下的水流流态,比较有效能耗和紊动动能,得到当该设计参数取中间值时絮凝效果较好。本文用数值模拟计算的方法为经验参数可靠性的验证提供理论依据,同时也使在宽泛的区间中选择合理的设计参数成为可能,并对优化搅拌设备起到指导作用。3.2影响阅读效果的桨的深度桨底距容器底部10mm时絮凝效果优于其他两组。(1)自由表面小潮旋生成的机会mm时(占总水深的9.4%),其对上方的液体流动影响较大,对应紊动动能和有效能耗较大,如图2、5和13所示,增大自由表面处小涡旋生成的机会,颗粒有效碰撞,从该角度考虑桨底距容器底12mm较优。(2)桨叶物权模式mm(占总水深的6.3%)时,能有效减小桨叶正下方速度和紊动动能较小区域,如图11、12所示,同时也增大了桨叶下方液体的流动,提高紊动动能和有效能耗,如图13所示,从该角度分析8mm是较合理的选择。(3)颗粒约束剩余浊度mm(占总水深的7.9%)时的流场图、紊动动能图与上述2种高度下的图相似。10mm的高度可以兼顾以上2种高度的优点,其各横截面上的k和ε都介于8～12mm,如图13所示,且容器内的平均有效能耗ε0也最大为0.0059m2/s3,如表3所示,即对颗粒碰撞结合起作用的那部分能量最多,絮凝效果最好,因此剩余浊度低于其他两种情况。在实际设计运行中,根据水质条件和池型调整搅拌桨在容器中的合理入水深度,能做到同时兼顾增大桨叶上方流体紊动情况和减小其下方速度较小区域的要求,这对絮凝体结构、密实程度和沉降性能等都起到关键作用。4混凝效果数值模拟由数值计算所得紊动动能k和有效能耗ε分析,能合理解释杯罐试验在搅拌桨几何尺寸和搅拌桨入水深度变化时容器内水流流态对絮凝效果的影响。平均有效能耗ε0高时,所对应的试验中颗粒碰撞充分,絮凝效果好。(1)桨1(50mm×40mm×0.5mm,占水流截面积为15.7%,为经验参数10%～20%的中间值)取得的混凝效果好于桨2(55mm×20mm×2mm,仅占水流截面积的8.7%,低于经验参数的下限);数值计算得到:桨1容器内平均有效能耗(ε0=0.0050m2/s3)大于桨2容器内的(ε0=0.0037m2/s3),即设计合适的桨板面积,使其占水流截面