平流式二次沉淀池中异重流的数值模拟研究

摘要

作为成熟污水处理工艺流程中的重要环节,二次沉淀池的作用无可替代。平流式二次沉淀池具有对冲击负荷和温度变化适应能力较强、施工简单造价低的优点,适用于水位较高或者地质较差的地区及各个类型的污水处理厂,应用非常广泛。由于进水与池内水的浓度差异及不同季节进水与池内水的温度差异,会在沉淀池内产生异重流现象,将对池内的流态产生影响。本文将以城市污水处理厂中平流二次沉淀池为研究对象,针对池内的异重流现象应用数值模拟的方法,选取RNG k-ε两方程紊流模型和Mixture模型作为该次模拟二沉池的数学模型,对平流式二沉池池内流态进行二维数值模拟。考虑到产生异重流的两大因素(进水与池内水的浓度差异和温度差异),研究二沉池中的异重流对流态及浓度分布情况的影响,再寻求改善池内流态的方法或途径,以求改善沉淀效果。本次研究主要针对平流式二次沉淀池内的流态和浓度变化情况展开,因此分别选用两个不同的试验对本次研究所选用的方法在流场和沉降性能的可用性方面进行验证。验证了模型的有效性后,对平流二沉池进行了以下数值模拟研究：第一,对浓度差异重流进行模拟研究；第二,对温差异重流进行模拟；第三,在同时考虑浓度差与温度差的条件下研究异重流现象；最后,有针对行的对二沉池的结构进行优化。模拟结果表明：单纯的浓度差异会在平流式二次沉淀池中产生下异重流；低温水流入时会产生下异重流,高温水流入时产生上异重流；下异重流沿池底向前推进,到达池末端时来流沿池壁上升,未经沉淀即由出口排出,甚至将下层的浓缩污泥带出,严重影响二沉池的工作效率；上异重流沿池表面向前推进,到达出水口时进水未沉淀完全即排出,同样会影响沉淀池的工作效率；异重流对平流式二次沉淀池的作用在总体上说弊大于利；异重流的形成与弗汝德数有着密切的关系；优化出水口结构可以对削弱异重流的冲击起到一定作用。

目录

摘要

Abstract

1. 绪论

1.1 研究背景

1.2 课题的提出

1.3 关于二沉池的研究进展

1.4 课题的主要目的及内容

1.5 本章小结

2 平流式二次沉淀池的基本理论

2.1 平流二次沉淀池的原理及特点

2.2 沉淀类型

2.3 非自由沉淀分析

2.3.1 一维模型

2.3.2 二维模型

2.3.3 三维模型

2.4 平流二沉池相关设计方法、参数及评价指标的探讨

2.4.1 相关设计方法

2.4.2 主要设计参数及方法

2.4.3 评价其工作效率的指标

2.5 沉淀池工作效率的影响因素

2.5.1 综合影响因素

2.5.2 运行参数影响因素

2.5.3 结构影响因素

2.6 本章小结

3 平流式二次沉淀池固液两相流数学模型

3.1 混合模型的基本方程

3.1.1 混合模型的连续方程

3.1.2 混合模型的动量方程

3.1.3 相对(滑流)速度和漂移速度

3.1.4 第二相的体积分数方程

3.1.5 能量方程

3.2 紊流模型的选择

3.2.1 标准的k-ε模型

3.2.2 RNGk-ε湍流模型

3.2.3 RNGk-ε模型与标准k-ε的模型的比较

3.2.4 在近壁区使用k-ε模型的处理方法

3.3 模型的离散与数值求解方法

3.3.1 SIMPLE算法

3.3.2 PISO算法

3.4 本章小结

4 所选数学模型及方法的验证

4.1 速场的验证

4.1.1 网格划分

4.1.2 边界条件

4.1.3 模拟结果比较

4.2 沉降特性的验证

4.3 本章小结

5 平流式二次沉淀池的数值模拟

5.1 模型的构建

5.1.1 几何模型

5.1.2 计算网格的划分

5.1.3 边界条件

5.2 浓度差异重流的模拟

5.2.1 研究方法

5.2.2 参数确定

5.2.3 模拟结果

5.3 温差异重流的模拟

5.3.1 参数确定

5.3.2 模拟结果

5.4 同时考虑温度差及密度差时的异重流的模拟

5.4.1 研究方法

5.4.2 参数确定

5.4.3 1℃温差条件下的数值模拟

5.4.4 大温差条件下的数值模拟

5.5 本章小结

6 平流式二次沉淀池的优化研究

6.1 影响平流式二次沉淀池工作效率的因素研究

6.1.1. 优化出水口的结构

6.1.2 停留时间影响

6.1.3. 进水浓度大小变化的影响

6.2 平流式二次沉淀池的优化研究

6.2.1 异重流与弗汝德数Fr’的关系研究

6.2.2 优化出水口结构

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录