絮凝池流場(chǎng)量測(cè)技術(shù)的研究

程雅雯　詹詠　楊亞科　夏瑞　張宇翔　錢(qián)祥林

摘要：針對(duì)往復(fù)隔板絮凝池廊道狹窄，水流拐彎處渦漩流場(chǎng)量測(cè)十分困難的問(wèn)題，采用室內(nèi)模擬、現(xiàn)場(chǎng)中試和數(shù)值模擬三種量測(cè)手段，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了研究。采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)，建立了二維水流數(shù)學(xué)模型，得到不同邊界條件對(duì)流場(chǎng)水力狀況影響的流場(chǎng)粒子圖像。由現(xiàn)場(chǎng)中試可知，改進(jìn)后的絮凝池混凝效果明顯好轉(zhuǎn)，微小渦漩增多，可以達(dá)到高效混凝，并且模擬實(shí)驗(yàn)可與物模實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相互驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：往復(fù)隔板絮凝池； 現(xiàn)場(chǎng)中試； 粒子圖像測(cè)速； 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)： X 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.003

Abstract：It is very difficult to measure the full flow field because of narrow gallery and complex hydraulic flow pattern on the corner in the reciprocating baffled flocculation tank. The particle image velocimetry and middle field tests and numerical simulation are used. This paper uses an advanced particle image velocimetry technology， and develops a twodimensional numerical model. It can be seen clearly that the improvement of hydraulic conditions of flow field in the different boundary conditions through the flow particle image. By means of the middle field tests， coagulation effect has improved significantly in the improved flocculation， and the addition of tiny eddies can achieve effective flocculation. The comparison shows that the numerical results are in agreement with the experiment results of the flocculation tank.

Keywords：reciprocating baffled flocculation tank； middle field tests； particle image velocimetry； numerical simulation

引 言

絮凝池是進(jìn)行混凝沉淀的主要設(shè)備，而往復(fù)隔板絮凝池的應(yīng)用歷史很長(zhǎng)，積累了許多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，效果有保證，成為大中型水廠(chǎng)常選用的一種絮凝池。但它在水流轉(zhuǎn)角處能量消耗太大，不利于結(jié)成比較密實(shí)的礬花顆粒[13]。本文以江蘇某水廠(chǎng)凈水車(chē)間11個(gè)廊道的往復(fù)隔板絮凝池的改造工程為例，將傳統(tǒng)絮凝池拐角及隔板斷面設(shè)計(jì)成圓弧形，可以克服該絮凝池由于水流條件不理想所造成的水頭損失過(guò)大、能量分配不合理等問(wèn)題。本文采用室內(nèi)模擬測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)中試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)傳統(tǒng)絮凝池與改進(jìn)后絮凝池的水流流場(chǎng)進(jìn)行了分析研究。

1 室內(nèi)模擬測(cè)試

從渦漩運(yùn)動(dòng)對(duì)混凝的影響[1]可知：由于不同邊壁形狀可以形成不同的水流結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)絮凝池隔板斷面及拐角設(shè)計(jì)成圓弧形，可明顯提高混凝沉淀效果。這必需通過(guò)流場(chǎng)的實(shí)測(cè)資料來(lái)證實(shí)邊壁形狀對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，因?yàn)橥鶑?fù)隔板絮凝池拐彎處水流結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且廊道狹窄，故決定采用非接觸式測(cè)試技術(shù)對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)。粒子圖像測(cè)速（簡(jiǎn)稱(chēng)PIV）技術(shù)對(duì)流場(chǎng)的干擾非常小，據(jù)文獻(xiàn)[36]分析該技術(shù)的空間分辨率及精度都比較高，適應(yīng)渦漩運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜的狹窄流場(chǎng)的量測(cè)工作。故本文在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中采用PIV技術(shù)量測(cè)往復(fù)隔板絮凝池的渦漩流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由往復(fù)隔板絮凝池流場(chǎng)模擬系統(tǒng)和PIV測(cè)速系統(tǒng)組成，如圖1所示。

在廊道拐彎處一端形狀為矩形的是傳統(tǒng)往復(fù)隔板絮凝池的隔板，且廊道拐彎角也是直角（方案一）。將方案一絮凝池第二段以后的隔板斷面及拐彎角同時(shí)設(shè)計(jì)為圓弧形（方案二），如圖2所示。圖3為兩種方案中第五廊道流場(chǎng)的粒子圖像。由方案二可知：水流拐彎處由眾多的渦漩組成，基于渦漩固有的擴(kuò)散性，無(wú)數(shù)大小各異的渦漩相互滲透，互換能量，此處的液體壓強(qiáng)迅速降低，而速度梯度卻急劇增大，這有利于顆粒之間的相互碰撞。對(duì)兩種絮凝池拐彎處進(jìn)行比較可知，方案二水流繞流圓弧界面前后的形狀阻力比摩擦阻力大得多，在絮凝池的后部，水流速度較低，可忽略摩擦阻力，渦漩運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散作用產(chǎn)生了眾多大小相套的復(fù)雜渦漩，與池壁的多次碰撞促進(jìn)了水流中微小渦漩的形成，與大尺度渦漩相比，小尺度渦漩半徑越小，旋轉(zhuǎn)半徑越小。此時(shí)，離心作用加強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)變快，速度梯度增大，水力狀況明顯改善，拐彎處的死水區(qū)基本消除了。

2 現(xiàn)場(chǎng)中試研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)中試，對(duì)不同方案中十一個(gè)廊道的不同絮凝階段的混凝效果及水質(zhì)濁度做了對(duì)比，并對(duì)它們的水頭損失進(jìn)行了量測(cè)與計(jì)算，表1為進(jìn)水流量56.2 m3/h，加礬量為15 mg/L，原水濁度約78 NTU的測(cè)試數(shù)據(jù)，方案一和方案二沉淀池出水濁度分別為18 NTU和12.5 NTU。表格中Vi 表示廊道流速；Vit表示拐彎流速；ti 表示水流時(shí)間；hi表示水頭損失；Gi表示速度梯度；Ni表示水質(zhì)濁度。

由表1和室內(nèi)模擬測(cè)試可知，方案一水流流經(jīng)拐彎角時(shí)，速度急劇變小，此時(shí)消耗的能量大但并不利于礬花的成長(zhǎng)。在180°的急劇轉(zhuǎn)彎時(shí)，顆粒之間的碰撞幾率雖然會(huì)增加，但速度梯度不合理，此時(shí)絮凝池前部速度梯度過(guò)小，顆粒碰撞效率不高，而后部拐彎處的速度梯度過(guò)高，撞擊過(guò)大，易擊碎已聚集好的礬花。在廊道中后部拐彎處易出現(xiàn)“死水區(qū)”，結(jié)果導(dǎo)致絮體顆粒密實(shí)程度不一，大而疏松的絮體容易被擊碎，致使水質(zhì)濁度極不穩(wěn)定。這樣造成在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)，碎小的礬花流入到沉淀池，出水效果不理想。在未進(jìn)入沉淀池之前，密實(shí)的礬花過(guò)早地沉積在絮凝池的后部，在最末端的廊道中形成了堆積的沙丘狀沉積物，此時(shí)水流通道被阻礙，混凝沉淀效果降低。如果將末端廊道封閉，雖可以縮短混凝時(shí)間，但疏松的礬花也易過(guò)早進(jìn)入沉淀池，更易使出水惡化。如果要解決這些問(wèn)題，又要保持原有絮凝池流程的簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)還要降低水廠(chǎng)的改造成本，就需要采用方案二。方案二可使水流處于均勻分布的微渦漩紊流狀態(tài)，反應(yīng)池內(nèi)絮體變化明顯，形成的礬花光滑密實(shí)且大小均勻，沉降性能得以提高，出水水質(zhì)良好，能量利用合理，可降低不必要的水頭損失，速度梯度變化平緩，流速分布合理，反應(yīng)時(shí)間變短，絮凝池容積有效利用率提高，混凝效果改善明顯。

3 數(shù)值模擬

由粒子圖像測(cè)速結(jié)果和理論分析可知，不同形狀拐角的往復(fù)隔板絮凝池其水流結(jié)構(gòu)也不相同。由于在水流拐彎處的流場(chǎng)非常復(fù)雜，在此建立二維水流數(shù)學(xué)模型，以便對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。正交曲線(xiàn)坐標(biāo)系下的平面二維水流數(shù)學(xué)模型可保證良好的網(wǎng)格正交性能，且疏密易于控制。正交曲線(xiàn)網(wǎng)格方程為：

通過(guò)給出合理的網(wǎng)格點(diǎn)初始值，可用式（2）進(jìn)行迭代計(jì)算。由于絮凝池流場(chǎng)底坡比較規(guī)則，可在確定邊界點(diǎn)的基礎(chǔ)上自動(dòng)生成初始網(wǎng)格，計(jì)算完成后再根據(jù)底坡高程與平面坐標(biāo)的關(guān)系求出相應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)處的底坡高程的插值。最終可生成正交性能良好、疏密有致的網(wǎng)格，對(duì)絮凝池的邊界[611]擬合良好，工作量既可減量且精度又得以保證。如圖4所示，網(wǎng)格尺度的橫向變化范圍為0.12～0.20 m，縱向范圍為0.13～0.3 m，共有13 024個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

本數(shù)模采用江蘇某水廠(chǎng)往復(fù)隔板絮凝池原型的實(shí)測(cè)水位、流量作為驗(yàn)證條件，其中流量為3 125 m3/h，絮凝池進(jìn)口池深1.9 m，出口池深2.7 m。圖5是第五廊道不同方案的流場(chǎng)分布圖，表2是水位驗(yàn)證的結(jié)果，水位的模型計(jì)算與實(shí)測(cè)值能良好地吻合。通過(guò)往復(fù)隔板絮凝池流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模擬，既可對(duì)該流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，又可與物模實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相互驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1） 采用PIV技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)絮凝池流場(chǎng)進(jìn)行了量測(cè)，可解釋不同邊壁形狀對(duì)水流結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響原因，以及水流渦漩結(jié)構(gòu)對(duì)混凝沉淀反應(yīng)的影響效果，促使人們對(duì)混凝沉淀和渦漩運(yùn)動(dòng)有更深入的認(rèn)識(shí)。

（2） 本文在保持原有水處理構(gòu)筑物流程簡(jiǎn)單實(shí)用和降低水廠(chǎng)改造成本的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的往復(fù)隔板絮凝池進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)中試研究。結(jié)果表明，方案二絮凝池流場(chǎng)的流速分布合理，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了在圓弧拐彎處的能量損失，速度梯度平緩，尤其是微小渦漩的增多可達(dá)到高效混凝。往復(fù)隔板絮凝池邊壁形狀的圓弧化可改變水流紊動(dòng)在混凝沉淀中的作用。

（3） 將擬合坐標(biāo)下的二維水流數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于不同邊壁形狀的往復(fù)隔板絮凝池流場(chǎng)計(jì)算中，可對(duì)絮凝池全流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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（編輯：劉鐵英）