基于CFD流體仿真模擬的絮凝池流態(tài)分析及方案設(shè)計

周倩倩，張?zhí)煜?，孫 瓊

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

絮凝是給水處理中最重要的步驟之一，是指水中膠體或者微小懸浮物結(jié)成絮體的過程，當合理使用絮凝劑時，絮凝過程中的動力學條件是水力絮凝效果的決定性因素[1]. 一方面，現(xiàn)行的《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB50013-2006)中雖然給出了停留時間、絮凝動力學參數(shù)G值等設(shè)計參數(shù)，但在實際設(shè)計中，因為參數(shù)少而寬泛，操作性較差，非常容易出現(xiàn)設(shè)計不合理的問題；另一方面，絮凝的機理復雜，容易受多種因素(如溫度、水質(zhì)等)影響，故在給水廠運營中，最容易出現(xiàn)問題的就是絮凝池. 在實際操作中，新建工程的設(shè)計參數(shù)往往需要設(shè)計經(jīng)驗和一定規(guī)模的實驗. 已有的反應器一般先進行理論計算再用實驗驗證. 在有效規(guī)模的條件下搭建大型實體模型進行絮凝實驗，不僅耗時耗力、投資較大，而且容易因為實驗模型與實際工程間的差異，導致精度不高，數(shù)據(jù)結(jié)論參考性有限等問題[2].

Computational Fluid Dynamics(CFD)即計算流體動力學，是流體力學的一個分支. 利用離散數(shù)學和計算機等技術(shù)，通過設(shè)定邊界條件和劃分網(wǎng)格對流體進行模擬；在時間和空間上定量求解得到描述流場的數(shù)值解，用于分析和解決實際問題[3]. 近年來，得益于計算機技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)在水處理絮凝動力學中的應用逐漸被重視，模擬的對象由簡單的單向流、燒杯實驗(水力槳板)向復雜的多向流、實際工程應用中的各種絮凝池發(fā)展，加之多種物理、化學反應模塊不斷地開發(fā)與完善，通過CFD技術(shù)來指導絮凝構(gòu)筑物的設(shè)計與建設(shè)逐步成為現(xiàn)實[4-6]. 本研究采用的COMSOL Multiphasic是一款跨平臺的有限元分析和求解仿真軟件，支持多種類型的物理場仿真模擬.其CFD模塊在流場計算中表現(xiàn)良好[7]，綜合使用了CFD與電化學的研究也取得一定成效[5]，但是使用COMSOL軟件對折板絮凝池的研究尚缺，故考慮運用于折板絮凝池的流態(tài)模擬.

1 工程概況

Z市給水廠首期工程供水量為6×104m3/d，二期工程設(shè)計供水量為9×104m3/d. 二期工程分為2個系列供水，2個系列除絮凝池采用不同類型外，其余構(gòu)筑物(如折板沉淀池、V型濾池)、處理水量均相同. 其一系列采用網(wǎng)格絮凝池，絮凝效果好，出水水質(zhì)穩(wěn)定；其二系列采用折板絮凝池，絮凝效果差，一般在折板沉淀池出水端仍能觀察到較多絮體，出水水質(zhì)不穩(wěn)定，同時V型濾池的負荷大，在較短時間內(nèi)就達到需要反沖洗的狀態(tài). 本研究針對出現(xiàn)問題的折板絮凝池，采用COMSOL-CFD技術(shù)進行建模，找出問題，提出解決方案.

2 現(xiàn)有絮凝池流場模擬與分析

2.1 絮凝池三維模型的構(gòu)建與分區(qū)

首先，以CAD施工圖為基礎(chǔ)，建立三維模型(見圖1). 由于水廠采用的是絮凝池—沉淀池合建的模式，故在三維模型中將沉淀池加入，以保證水流的連續(xù)性. 從圖1中可以看出，折板絮凝池主要分為3個區(qū)域，水流由配水渠堰流入折板Ⅰ區(qū)(兩道相對折板)，再進入配水區(qū)，由配水孔流入折板Ⅱ區(qū)(兩道同向折板)，再從下方流入折板沉淀池.

在建立模型時考慮將各類附件(排泥管、閥門閥件等)去除，只保留池體和折板. 其原因有：(1) 各類附件對水流整體流態(tài)、絮凝效果的影響不大；(2) 如將各類附件加入模型中，不僅使得網(wǎng)格劃分困難，而且會因局部過于密集的網(wǎng)格導致計算量大大增加，不符合實際的設(shè)計需求.

圖 1 三維模型分區(qū)示意圖Fig.1 Partition of 3D model

2.2 求解步驟及主要參數(shù)配置設(shè)定

在完成模型的搭建后，使用CFD技術(shù)求解的基本步驟如下：首先，根據(jù)模擬對象選擇適合的物理模型，并對組件和內(nèi)容物進行材料填充(如本次實驗的池體和折板采用混凝土、內(nèi)容物采用水填充)；然后，設(shè)置邊界條件，以確定模擬的區(qū)域和界面的交互作用；接下來需要定義入口、出口，給定相應的已知條件(如壓力、流速和分散相濃度等)，這要根據(jù)選用的物理模型進行確定；最后，是劃分網(wǎng)格、設(shè)置求解器，現(xiàn)有的商業(yè)軟件都有成熟的算法，一般可以根據(jù)需求直接選用設(shè)置. 求解結(jié)果可以通過給定表達式進行輸出，如v/t可以輸出速度云圖[8]. 參照COMSOL用戶手冊，物理場選用如下：(1) 湍流、水體的模擬采用k-ε湍流模型，k為湍流動能，ε為能量耗散率，其具有求解簡單快捷、結(jié)果準確的特點，其他所有方程均采用模型預設(shè)方程；(2) 混合物黏度模型選用Krieger模型；(3) 全局設(shè)置g=9.8 m/s2的重力場. 邊界條件設(shè)置為：(1) 自由水面采用滑移面，界面壓力為105Pa，并且認為接觸面的黏性為0 m2/s，水面垂直流速為0 m/s，此外的所有變量法向梯度都為0；(2) 與水接觸的墻面、折板表面采用軟件內(nèi)置的標準壁函數(shù)，垂直壁面速度為0 m/s. 入口輸入量為流速、壓力及分散相濃度，出口輸入量為壓力，自動劃分網(wǎng)格，采用預設(shè)求解器配置[9-15]. 下文使用的所有模型除輸入量外均采用相同配置.

2.3 運行現(xiàn)狀、問題與二維、三維模型的對比

整個二系列水處理構(gòu)筑物運行情況如上文所述：沉淀池出水端仍能觀察到較多絮體，且污泥量遠小于設(shè)計值，絮凝池內(nèi)反而會產(chǎn)生較多的污泥；同時，V型濾池負荷大，反沖洗時間間隔短，出水濁度比一系列偏高. 對于以上存在的問題，水廠為保證出水水質(zhì)，將2個系列的進水分開，加大了二系列絮凝劑的投加量，但效果不明顯，各構(gòu)筑物存在的問題并未得到改善.

基于CFD模擬結(jié)果，如圖2所示，原絮凝池設(shè)計方案的4點主要問題為：(1) 折板數(shù)量過少，水流一共只經(jīng)過4塊折板，其能夠發(fā)揮的作用極其有限，而且Ⅱ區(qū)折板平行于長邊池壁布置，不僅沒有效果，而且十分浪費空間；(2) 配水區(qū)過長，形成了很大面積的死水區(qū)，如圖2(a)的A剖面所示，對絮凝沒有幫助，還有可能導致大量還未成長的絮體直接沉淀；(3) 配水區(qū)出口采用了孔口出流，配水區(qū)的流速很小，孔口處的水流流速突然增大，這樣會使得絮體破碎，整個Ⅰ區(qū)幾乎在做無用功；(4) 流速整體過小，無法達到水力絮凝的要求，尤其是Ⅱ區(qū)，其模擬結(jié)果的流速在0.01 m/s以下，如圖2(a)的B剖面所示，基本可以認為處于層流狀態(tài)，絮凝效果差. 綜上所述，原絮凝池發(fā)揮的作用有限，所以才導致沉淀池后段才見絮體開始沉淀的問題.

圖 2 三維模型與二維模型轉(zhuǎn)化示意圖Fig.2 3D model and 2D model transformation diagram

為節(jié)省計算時間，建立三維模型后，分別對A、B兩個剖面單獨建立了二維模型，如圖2(b)、(c)所示，比對可以發(fā)現(xiàn)，三維模型與二維模型的計算結(jié)果基本沒有區(qū)別，水流的流態(tài)可以說完全一致，而通過統(tǒng)計波峰波谷流速可以發(fā)現(xiàn)，如表1所示，2種模型的差距在可以接受的范圍內(nèi)，而且二維模型具有有效節(jié)省計算資源、流線更加清晰，死水區(qū)、渦流的觀測更加方便等優(yōu)點. 但二維模型存在著無法體現(xiàn)第三維度上的流態(tài)變化、因池子分割成多個二維模型所導致的流體不連續(xù)等缺陷，故在實際運用中，若需要分析結(jié)構(gòu)較復雜的模型時，二維模型并不能完全取代三維模型. 對于本次模擬來說，絮凝池的形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)簡單，而且二維模型的有效性也得了驗證，故選擇用二維模型取代三維模型.

表 1 三維與二維模型計算性能和結(jié)果比較Table 1 Comparison of Computation Results and Computational Resources between 3D and 2D models

3 改造方案

基于原方案折板數(shù)量少、配水區(qū)長、流速過低的問題及模擬結(jié)果，分別提出了3個新的改造方案(見圖3). 考慮到實際的工程情況，現(xiàn)決定在原絮凝池的占地上進行改造，以減少對其他工藝的影響. 3個方案的改造難度和工程造價逐級遞增，預計絮凝的效果也逐級變好.

3.1 改造方案一

針對原絮凝池主要的4個問題，現(xiàn)將對絮凝沒有太大幫助的配水區(qū)的面積大幅減少，增加Ⅰ區(qū)相對折板的數(shù)量，延長水流在Ⅰ區(qū)的停留時間，并改變Ⅱ區(qū)折板的布置方向，設(shè)置成為同向折板的同時增加折板數(shù)，以加大水流流速. 最后，將配水區(qū)的出水改孔口出流為配水堰出水，減少對水流的擾動，使底部沉積的絮凝體不易被卷起，并且能保證兩區(qū)水流的較為平穩(wěn)地過渡. 通過理論計算，雖然本方案的流速v、速度精度G和絮凝指標GT值(其中T為停留時間)無法達到規(guī)范要求，見表2，但與原方案相比已有大幅改善.

根據(jù)圖4(a)、(b)的方案一. 模擬結(jié)果可以看出，除淤泥斗附件及出水區(qū)外，絮凝池內(nèi)基本沒有出現(xiàn)大面積的死水區(qū)，有利于絮體的成長. 但是整體流速仍然較慢，且Ⅰ區(qū)最后一個淤泥斗內(nèi)出現(xiàn)大量且密集的回旋性流線，這表示該區(qū)域產(chǎn)生了較嚴重的渦流現(xiàn)象，有可能會卷起大量污泥，這對于絮凝是不利的. 表2中的理論計算與模擬結(jié)果基本一致，但是通過模擬輸出的圖像，不僅使得結(jié)果更加直觀，而且可以發(fā)現(xiàn)一些理論計算無法考慮到的問題.

圖 3 改造方案示意圖Fig.3 Reconstruction plan schematics

表 2 各方案絮凝指標一覽表Table 2 List of flocculation indicators for each program

3.2 改造方案二

本方案在方案一的基礎(chǔ)上，對2個絮凝區(qū)(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū))的隔板進行了加密，進一步縮短水流在配水區(qū)的停留時間，并延長水流在絮凝區(qū)的停留時間；并且由于板間間距減小，水流通過的板間截面積減小，流速增大，更有利于絮凝體的成長. 相比于方案一，本方案的G和GT值進一步增大(見表2)，絮凝的水力條件更好.

根據(jù)圖4(a)、(b)圖中方案二的模擬結(jié)果可以看出，絮凝池內(nèi)死水區(qū)進一步減少，現(xiàn)階段的死水區(qū)主要還是分布在Ⅱ區(qū)的淤泥斗及出水區(qū)，但由于流速增大，面積減少了很多，而且方案一的渦流問題也得到了一定的改善.

3.3 改造方案三

本方案在原絮凝池的空間上，盡量不影響沉淀池和清水池的原則下進行了重新設(shè)計. 縮小原來2條廊道的寬度，加設(shè)一條廊道，按照規(guī)范要求一共設(shè)置了3個絮凝區(qū)，Ⅰ區(qū)采用相對折板，Ⅱ區(qū)采用平行折板，Ⅲ區(qū)采用平行折板，水流流態(tài)逐漸平緩，符合絮凝體的成長規(guī)律；從根本上解決了原設(shè)計折板數(shù)量少、流速過小的問題. 通過核算，Ⅲ區(qū)的理論計算指標基本達標(見表2).

根據(jù)圖4(a)～(c)中方案三模擬結(jié)果可以看出，3種折板有效地發(fā)揮了其導流整流的作用，使得水流通過各區(qū)時的受到攪動的作用力逐步減小，Ⅰ、Ⅱ區(qū)死水區(qū)只有小面積分布于淤泥斗內(nèi)，Ⅲ區(qū)水流整體較平緩，成為了絮凝池與沉淀池間的有效過渡區(qū)，基本可以認為改造方案是成功的.

圖 4 各方案模擬結(jié)果Fig.4 Program simulation results

4 結(jié)論

本文使用COMSOL-CFD有效地模擬了折板絮凝池內(nèi)的水流流態(tài)，找出了現(xiàn)有絮凝池的存在的問題，同時3個改造方案的模擬結(jié)果為實際改造工程提供了理論依據(jù). 相比于傳統(tǒng)的理論計算和搭建實體模型，使用CFD技術(shù)具有以下優(yōu)點：(1) 真實可靠. 計算結(jié)果可以有效模擬絮凝池內(nèi)的水流的實際流態(tài)，可以提供有關(guān)變量在整個空間內(nèi)的分布及演變過程，并且沒有探頭對水流的干擾，這是實際實驗無法比擬的. (2) 高效快捷. 可以在短時間內(nèi)設(shè)計多個方案并模擬計算得出結(jié)果，為比選設(shè)計方案創(chuàng)造條件.實際工程中，在施工前通過構(gòu)建模型運行得到計算結(jié)果可以避免設(shè)計的失誤，及時改進設(shè)計方案，以減少資源和投資的浪費. (3) 可重復性好. 數(shù)值模擬具有很好的可重復性，而且結(jié)果以圖像的方式較直觀地表現(xiàn)出來. (4) 花費少. 進行同樣的實驗，計算機運行計算的費用比實際搭建模型進行實驗研究的費用少幾個數(shù)量級，可以以最低的成本對某一模型進行驗證.

鑒于此次模擬的對象為給水處理中的核心模塊——絮凝，并且取得了良好效果，故可以期待COMSOLCFD技術(shù)在給水其他工藝中亦能有出色的發(fā)揮. 在后續(xù)的工作中，將會對絮凝部分的絮凝劑、助凝劑加入和模型優(yōu)化進一步探索，同時對給水處理的其他流程進行模擬與實驗.