氧化沟断面及导流墙优化的数值模拟研究

摘要

随着社会的高速发展，环境问题日益突出，而在诸多环境问题中又以水污染最为严峻。在城镇污水处理的众多工艺当中，氧化沟工艺因为流程简单、出水水质较好、抗负荷能力强等优点被大多数污水处理厂所青睐。氧化沟中混合液的水力学特征对污水处理效率和运转状况起着重要的作用，而CFD是研究沟内流态特征的一种不可缺少的手段。 首先，本文采用前人的试验资料对本研究所选用的数学模型进行了验证，确保模型的合理性和可行性。然后，针对传统的矩形断面氧化沟，提出了三种新的断面形式，并采用RNG k-ε湍流模型和VOF法分别对这四种断面形式氧化沟进行数值模拟研究，分析比较了这四种断面氧化沟的流场结构、断面流速分布、流速沿垂向分布、液层平均流速大小等水力特性，从而得到最优断面形式氧化沟。最后，采用同样的方法模拟了导流墙半径及偏心距对氧化沟内水力流态的影响，确定了最合适的导流墙半径及偏心距大小。研究主要得到如下结论： (1)测点流速和断面平均流速的模拟值与试验值吻合良好，这说明所选数学模型能够很好地模拟氧化沟内的水力特性。由于曝气转刷安装在水面附近，使得水面附近的水流速度要明显大于中下部水流速度；离曝气转刷越远的断面，测线上的流速大小在接近水面处沿垂向分布越均匀。 (2)对四种断面形式氧化沟的模拟结果表明，三种新型断面形式氧化沟的流场结构和流速等水力特性有所改善。其中“U”型断面形式氧化沟内的流场结构和流速改善效果最好，水平面上回流区范围明显减小，横断面上表现出多漩涡结构，提高了曝气转盘的曝气充氧能力，有利于氧化沟的运行；测线上流速和各液层平均流速、横断面平均流速都有了很大提升，特别是对氧化沟底部流速的改善，底部流速的提升能够有效地减少氧化沟内的污泥沉积现象。这一研究结论对实际工程中氧化沟的体型设计具有一定的参考价值和借鉴作用。 (3)增设导流墙能有效改善氧化沟内直道和弯道上的水流流态，有效提升底部流速，但导流墙半径不宜太大也不宜太小，太大或太小都会使得弯道上水流流速分布不够均匀，出现低流速区；r=2m的沟内流场结构、流速分布等都要优于r=1m或3m，更加有利于氧化沟的运行。 (4)当半宽导流墙的偏心距d=0.2m时，沟内流场结构和整体流速分布有一定的改善，当偏心距达到0.4m以后，对沟内流场结构和流速分布起到相反的效果，建议实际中半宽导流墙的偏心距设置在0.2m左右。

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李小欢论文-111