张杞蓉 普晓晶
(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023； 2.武汉地产开发投资集团有限公司，湖北 武汉 430022)
氧化沟流体力学分析
张杞蓉1普晓晶2
(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023； 2.武汉地产开发投资集团有限公司，湖北 武汉 430022)
采用k—ε紊流数学模型对氧化沟的流场及水力学进行了分析计算，模拟了氧化沟水体的流动状态，在分析流场的基础上，可以对潜水推流器以及表面曝气机两者之间的统一进行有效的整合，并能够很好地对氧化沟工程设计、设备配置及布置等起优化作用。
氧化沟，水力学，计算流体力学，流场
氧化沟工艺是我国城市生活污水厂设计主要工艺之一。氧化沟处理系统的基本特征是曝气池呈封闭的沟渠型，在这个系统当中污水和活性污泥混合液在其中循环流动，因此又称“环形曝气池”[1]，在这个系统中放置了对搅动以及曝气进行方向控制的装置，这个装置不仅仅可以为系统当中的混合液进行充氧，还可以为这个系统提供很多的能量，从反应器的角度上说，氧化沟是一种连续的流环方式的反应器，而且它具有着自己独特的优点，如缓冲能力高、脱氮效果好、抗冲击负荷能力强等[2]。
氧化沟工艺的不足之处是普遍存在着池底积泥的现象，往往使氧化沟工艺达不到理想效果[3]。因此为了完全推动混合沟内流体并曝气，必须具有良好的转刷设计。由于沟内流动的复杂性，对沟内流态的深入理解是必要的。
1 氧化沟水力学的研究现状
氧化沟污水处理系统的功能是受沟内流体状况影响的，在一般的情况下，推流装置以及曝气装置是对氧化沟内流体进行驱动的，主要防止活性污泥沉降。
在经济以及技术上氧化沟有着较大的优势。然而在氧化沟的实际工程中，由于不当的沟内设备运行，会导致沟底积泥的产生。因此，当前氧化沟污水处理系统的重点是怎样对水下推动器以及曝水转碟进行适当的调整，了解水力流态的特点，进而使得这个系统的运行是节能的、高效的，以上方面的工作在建立污水厂、改造升级污水厂有着非常重要的作用。
2 氧化沟流体力学特性分析和水力计算
为使污泥以及水的混合液体能够进行充分的接触，同时抑制其处在悬浮的状态，需要保证氧化沟的沟内的速度达到一定的标准。通过对氧化沟提升水头和水头损失进行确定，进而使得氧化沟处理系统这种工艺设计能够得到完善。一般情况下，要求氧化沟沟内断面处的混合液的平均流速为0.3 m/s～0.5 m/s，而且还要确保沟底的流速是不小于0.1 m/s的[4]。氧化沟处理系统当中的水下推进装置和曝气转刷为这个系统提供了循环动能。
2.1 提升水头
氧化沟当中因为水位差的存在导致系统当中水体以一种循环的方式流动，水位差的来源是曝气转刷导致水头升高。赵星明[6]研究出了转刷浸没程度以及水头的浸没程度和线速度之间存在的关系是：
(1)
其中，I为转刷的浸没程度，m；h为曝气转刷的提升水头；γ为氧化沟水深，m；vγ为转刷的线速度，m/s；k，m，n为常数。
通过水流混合的推动力可以知道：
(2)
其中，Fr为污水处理系统的曝气转刷的混合推动力，kg/(m·s)；h为污水处理系统当中曝气转刷的提升水头，m。
通过式(1)，式(2)可以了解到，如果氧化沟污水处理系统当中的沟内的水较深，会导致沟内混合液的平均流速下降；推动力越大，流速越快，污泥在水体的悬浮与混合更充分。
2.2 氧化沟的水头损失
氧化沟当中的推动设备和转碟是导致氧化沟产生动能以及循环流量的原动力，氧化沟沟内的混合液以循环方式流动会导致水头有一定的损失，其中包含沿程水头损失和局部水头损失，计算方式如下[2]。
2.2.1 沿程水头损失
通过分析明渠水力学可以对氧化沟的流态进行研究：
Q=vA
(3)
(4)
hf=iL=n2LR3/4v2
(5)
其中，n为沟壁粗糙系数；Q为沟内的流量，m3/s；C为谢才系数，其中C=R1/6/n，m1/2/s；v为平均速度，m/s；R为水力的半径，m；A为水力断面面积，m2。
2.2.2 局部水头损失
氧化沟内局部水头损失包含水体循环一周当中的全部损失，比如：涡流阻力等，计算方式见下式：
(6)
其中，ζ为局部的阻力系数，它将涡流阻力以及弯道的阻力系数等囊括在其内。
为了使得沟内的水和污泥的混合液能够以一种循环的方式流动，沟内的推动装置以及沟内的转碟则需要消除局部以及沿程的总水头损失：
h=∑hf+∑hb
(7)
2.3 导流墙及挡流板
为了确保氧化沟的沟内没有污泥的沉积，使得能量的损失降低，需要在其中安装挡流板以及导流墙。通常需要将导流墙安装在氧化沟的弯道位置，保证水流能够以平稳的方式转弯，使得弯道内壁所受的冲击能够有所降低，进而使得这个污水处理系统损失的能量有所减少，将挡流板设置在直沟道的转碟附近的位置，以保证横断面的流速是均匀分布的[1]。
2.4 分析氧化沟的水力流态
2.4.1 直沟道水力流动状况
1)转碟处于运行状态下的直沟道。通过转碟的转动会导致水头的升高，使得沟内有水位差产生，水位差的出现会保证氧化沟当中的污水处于流动的状态。若沟深较大，就会经过比较长的直线段以保证流速能够处于均匀的分布。所以，在转碟之后的一段直沟的底端有很大的可能出现污泥。在实际工程当中，会将挡流板设置在转碟的附近，这样做是希望上层高速水流和下层水流在沟中能够以一种垂直的方式混合，使沟底部以及沟内表面的流速梯度有所下降，进而使得充氧效率提高。
2)转碟未运行时的直沟道。在液流经过沟内转碟的上游和下游处的挡流板的时候，紊动是比较严重的，这就使得沟内的横断面的流速是均布的，之后液流是会逐渐的趋于均匀，但不一样的水深的位置仍然有流速梯度，然而这个值和前段相比，它的变化范围是比较小的。
2.4.2 弯道水力流动情况
在转弯的过程当中，经过转碟转动的高速液流会在氧化沟的弯道处产生十分强烈的撞击，这个时候在离心力、导流墙产生的引导力以及自身惯性力的作用下，会导致外壁外侧的流速逐渐增高，而其内侧的流速逐渐的降低，导致内壁有污泥沉积，在180°的弯道处，因为液流的流动方向发生了很大的变化，在横断面处产生环流，进而导致螺旋流产生[8]，所以，弯道后端的外侧和内侧会有沉积的污泥。在实际的工程当中，为了使得沉积的污泥减少，将导流墙设置在氧化沟的转折处，保证水流以稳定的速度转弯。在多数的情况下，在弯道的内侧设置导流墙，以免离开弯道时中心墙侧的混合液的流动速度过低，导致污泥出现下沉[9]。
3 计算流体力学建模原理
氧化沟是液体和固体两相流的反应装置，液相的密度和固体的密度是十分相似的，使用Fluent软件将流态简化[10]。氧化沟平面见图1。
3.1 流体流动控制方程
数学模型采用的控制方程如下：
连续方程：
(8)
动量方程：
(9)
紊动动能k方程：
(10)
G为产生项，表达式为：
(11)
紊动能耗散率ε方程：
(12)
3.2 边界条件
3.2.1 曝气叶轮
在叶片半径之内这个区域的流体的流动速度和叶轮之间的相对速度是0。而其他的流体区域处在静止坐标系[10]。
3.2.2 进水口
通过无旋这种假设以及质量守恒定律可以知道，假设流速是以一种均匀的方式分布的，而在进水口的截面处，耗散率、压力以及紊动动能也是以一种均匀的方式分布。
3.2.3 出水口
使用溢流这样的假定，出口压力等于一个大气压。
3.2.4 自由水面
上部开口的表面是一种自由面，不将水面波动考虑在内，压力设定为大气压力值。水面的垂直流动速度是0，而其他变量的法向梯度也是0。
3.2.5 底面和固壁面
垂向壁面的水平流速的法向梯度为0；底部壁面的垂向流速的法向梯度为0，使用标准的壁面函数，满足壁面质量通量为0的条件。
3.3 数值计算方法
将方程(8)～方程(12)写成通用形式：
(13)
通过使用负坡的线性化原则处理上述的方程源项，进而确保稳定的数值解[11]。
4 讨论
给定以上方程组边界条件，利用计算流体力学相应软件，对上述方程进行求解[11]。分析耦合的计算结果。
根据各水深的流场图，在对其进行转刷之后，进入到弯道的第一个直道当中，会有湍流的现象在水体的表面出现，但是其沟底是比较平缓的。在弯道的位置，在水体的表面和中部之间的位置，也有湍流的现象出现，会存在相对比较大的能耗区，在通过弯道之后，会有“死角”存在，也就是说水体在水平方向有着比较小的流速，进而导致混合液当中的活性污泥会存在一定程度的下沉。
根据各纵断面流场图，在第一个直段当中，因为沟内转刷的曝气的影响，水体在垂直方向会存在大的流动，并且在第二个直段的垂直流速会更大。在沟内的弯道位置，会有比较大的垂直的涡流状况，在这个直段有着较大的流速损失，靠近中心墙壁处有一回水区，避免了水中活性污泥过快下沉。
通过对各种不同工况的模拟，对氧化沟当中的水体流动以及混合状态进行仿真的模拟。对这种系统当中沟道的内部设计进行修正，就可以对氧化沟的多种工况流场分布进行预测，对比多种工况，防止污泥的下沉，对优化氧化沟当中的设备配置，降低工程造价，节约运行成本有着十分重要的意义[1]。
5 结语
通过氧化沟水力计算分析，模拟计算氧化沟当中的水体流动情况，在计算氧化沟当中的水体流场的时候使用k—ε模型，在分析流场的基础之上，能够对沟内的紊动以及流动状况进行更加准确的分析，还可以判断当中是否有“死角”，以致污泥存在着局部的下沉，提供了一定的参考数据，进而对多种状态下的流场进行比较精确的预判，可以对潜水推流设备以及表面曝气机进行有效的整合，在实际的工艺运行以及系统的优化设计当中有着十分重要的意义。
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Analysis of hydrodynamics and simulation on flow field of oxidation ditch
ZHANG Qi-rong1PU Xiao-jing2
(1.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Limited Liability Company, Wuhan 430023, China;2.Wuhan Real Estate Development Investment Group Limited Company, Wuhan 430022, China)
This paper calculated and analyzed the flow field and hydraulic of oxidation ditch usingk—εturbulence mathematical model, simulated the flow state of oxidation ditch water, based on the analysis on flow field, could effective integration of the unify of both diving pushed converter and surface aerator, and could make optimizing effect to oxidation ditch engineering design, equipment configuration and layout etc.
oxidation ditch, hydraulics, computational hydrodynamics, flow field
1009-6825(2014)36-0177-03
2014-10-17
张杞蓉(1987- )，女，硕士； 普晓晶(1985- )，男，工程师
X703
A
