基于CFD的水处理网格絮凝池优化设计研究

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本文是在絮凝动力学理论分析的基础上,借助CFD软件—FLUENT,对在我国城市自来水厂普遍使用的水处理网格絮凝池进行数值模拟和分析,以优化网格絮凝池设计。本文在网格絮凝池竖井内的扰流部件―网格板的计算模型建立和计算网格设定方面,通过充分的数值模拟试验和分析,采用合理的计算网格尺寸的方法而不是缩小或简化模拟区域的方法来实现合理的计算量和满足模拟精度要求,计算结果表明,选用计算网格尺寸Interval Size=25(mm)对实际絮凝池网格板水力模拟来说是合适的。论文提出了适合于CFD模拟的絮凝效果评价指标,分别为表征湍流剪切强度的湍动能k、表征有效絮凝能耗的湍动能耗散率ε和表征湍流中颗粒碰撞几率的涡旋速度梯度G’,既可以充分利用CFD模拟的数据文件的丰富成果,又可以与一般水处理絮凝指标的评价效果进行比较,结果表明这些新的评价指标是合理的和可行的。本文采用输出的累计有效能耗为95%的截面距离作为网格板的有效作用范围,分析和模拟了不同竖井流速、开孔率、网孔尺寸以及网格板厚度等因素对网格板有效作用范围的影响,并进一步分析这四个因素对网格板有效作用范围和絮凝效果影响的显著程度。研究发现,竖井平面尺寸和网格板厚度这两个因素对絮凝效果的影响不明显,而竖井流速、网格板开孔率以及网孔尺寸的影响显著。而各因素对网格板有效作用范围影响力的顺序是:网孔尺寸>格板厚度>开孔率>竖井流速。最后通过多元回归分析得到网格板有效作用范围的计算公式为y = 5.22 - 0.00552×x22-0.00071×x32+12.0×Ln(x4). ,该式可以用于水处理絮凝池的网格板优化设计的最小间距计算,这改进了现行设计规范的方法,克服了经验设计参数的不合理性。本文通过FLUENT模拟分析,发现了传统的絮凝池“经验参数”设计方法存在的一些问题,提出了“流态设计”新概念,网格板的CFD模拟证明了此种新概念的可行性。
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