基于CFD对带有新型强化絮凝装置的沉淀设备的优化设计研究

摘要

随着我国经济的高速发展，饮用水安全问题愈发凸显，特别是在广大农村地区，供水设施建设相对滞后，我国仍有部分农村居民饮用水水质保障措施不足。面对我国农村地区饮用水安全的严峻形势，研究操作简单、适应水质条件广、可实现集中式批量生产的一体化净水设备，具有社会现实意义。
　　本研究主要内容包括：⑴在前期开发的带有新型强化絮凝装置的沉淀设备的基础上，为解决影响沉淀设备处理效果的关键部位设计参数选取经验化的问题，运用FLUNET数值模拟软件对设备进行优化设计。⑵经过分析与比较，模拟过程选择 RNG k—ε湍流模型、SIMPLE算法、二阶迎风格式及基于拉格朗日法的离散相模型。对影响设备净水效果的局部按照实际尺寸单独模拟。为便于网格划分，将复杂的连续模拟区域划分为若干互不重叠的较小区域。所有局部模型的网格质量均在0.3以上。⑶采用的边界条件为：速度入口（velocity-inlet）、流出（outflow），近壁面区域采用壁面函数法处理，自由水面采用“钢盖假定”。设备设计流量为240m3/d。水相的密度取998.2kg/m3，粘度系数取1.005×10-3。絮体颗粒的密度取1050kg/m3，入口处的絮体视为均匀的球形颗粒，直径取0.5mm。⑷当外环絮凝区隔板上部过水孔洞淹没深度为75mm时，能较好平衡出口断面的颗粒均匀性与流速的控制。当外环絮凝区隔板下部过水孔洞高度为200mm时，已形成大颗粒絮体因水流剪切作用而破碎的几率较小，同时出口断面即絮凝板上絮体颗粒负荷相对均匀。二者均能形成絮体颗粒悬浮区，起到强化絮凝的效果。⑸当中心絮凝区渐扩段当渐扩角为60°时，既可以控制涡旋区范围，使其不影响出口断面颗粒均匀性，保证合理的絮体颗粒去除率，又可以使设备各部分设计相互协调，降低设备高度。⑹当过水通道直径为300mm时，对污泥区扰动较小，在沿Y方向形成两涡旋区，且能满足上下游扰流板的安装及设备整体造型要求。若将过水通道竖向上移，水流沿圆锥形底部贴壁流向沉淀区底部，搅动积泥。⑺集水廊道为孔口集水系统，当孔口直径为7mm时，可以使各孔口出水较均匀。对斜板泥水分离的扰动较小，设备能耗及单位制水成本较低。采用大阻力配水系统的均匀公式检验，孔口直径为7mm时符合集水均匀性要求。⑻通过正交实验表明当散水板角度为45°、水平挑出距离为70mm、板上淹没深度为30mm时，能有效减小上部沉淀区的涡旋影响范围，避免将沉降到斜板上方的絮体重新卷起。较小的上转弯处平均流速使絮体破碎几率减小。设置伞状散水板后，出口断面远侧絮体颗粒分布百分比小幅增加，有利于提高螺旋斜板泥水分离效果。⑼对外环絮凝区的整体模拟，验证了局部模型优化结果的可靠性，及网格絮凝板分段与板间距设计的合理性。验证其抗流量冲击负荷的能力。⑽对螺旋斜板沉淀区进行模拟，结果表明其实现了泥走泥道、水走水道的设计目标。对螺旋斜板处理高密度颗粒及抗流量冲击负荷的能力进行了模拟，均能实现泥水分离。

目录

1 前 言

1.1 我国农村地区饮用水现状

1.2 一体化净水设备发展现状

1.3 研究目的、内容及技术路线

1.4 创新之处和拟解决的关键问题

2 数值模拟技术及其在水处理中的应用

2.1 数值模拟技术简介

2.2 数值模拟技术在水处理中的应用

2.3 数值模拟软件简介

2.4 湍流模型的选择

2.5 流场的计算方法

2.6 离散方法的选择

2.7 本章小结

3 带有新型强化絮凝装置的沉淀设备的模型

3.1 模型的建立

3.2 网格划分

3.3 边界条件及模拟参数

3.4 多相流模型选择

3.5 本章小结

4 沉淀设备絮凝区优化设计

4.1 絮凝区工作原理

4.2 外环絮凝区隔水挡板

4.3 中心絮凝区渐扩段

4.4 过水通道

4.5 本章小结

5 沉淀设备沉淀区优化设计

5.1 沉淀区工作原理

5.2 集水廊道

5.3 散水板

5.4 本章小结

6 沉淀设备抗冲击负荷的研究

6.1 外环絮凝区

6.2 沉淀区

6.3 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果