沉淀池三维数值模拟

9.7.1 平流式沉淀池的三维数值模拟

（1）几何模型

我们在Imam模型的基础上，将宽度b增加为0.2m，其余尺寸不变，L＝0.73m，H＝0.119m，hb＝0.069m，h＝0.085m。计算区域如图9－49所示。

图9－49 计算区域图

（2）网格划分

初始计算网格由Gambit软件生成，网格划分采用了结构网格，由于沉淀池内水流较为平缓，所以整个区域网格较为均匀。经过多套网格划分方案试算，确定计算网格如图9－50所示。

图9－50 计算网格示意图

（3）结果分析

现提取沉淀池内的三维流速矢量图和y＝0.1m平面上的二维流速矢量图，见图9－51所示。从图中可以看出，沉淀池内流速分布均匀，在进口接近底部处和出口处，流速较大。

图9－51 流速矢量图

为了研究沉淀池内的湍动情况，现提取沉淀池内的紊动动能分布图和紊动动能耗散率分布图，见图9－52和图9－53所示。在进水口附近区域、出水口附近区域紊动动能和紊动动能耗散率值较大。

图9－52 紊动动能图

图9－53 紊动动能耗散率图

9.7.2 辐流式沉淀池三维数值模拟

（1）几何模型与边界条件

Wells实验是在一个实际运行的辐流式沉淀池中进行的。实验中，入流流速为0.04m／s，入流悬浮固体浓度为2000mg／L。本计算以Wells实验的模型为基础，模型简图见图9－54所示：沉淀池直径24.4m，池深4.6m，进水方式采用中进周出，溢流堰深度0.6m，中心柱直径1.2m。计算模型的二维剖面区域图如图9－55所示。三维网格划分如图9－56所示，网格划分采用非结构化四面体网格，网格总数为160569个。

边界条件定义为：入流处采用速度入口，给定速度值；上清液出流处采用压力出口；污泥出流处采用压力出口；池底和边壁为固体壁面，采用标准壁面函数法确定。在初始时刻，假定池内污泥的体积分数为零，监测出口断面平均污泥浓度，直到出水和底部出口的污泥质量之和等于进水的污泥质量，以此作为模拟计算结束的判断标准。

图9－54 三维计算区域图

图9－55 二维剖面区域图

图9－56 三维计算网格图

为了研究沉淀池内的流场变化，现提取三维流速矢量图，如图9－57所示。从图中可以看出在紊流状态下流体在沉淀池中的速度的变化情况，即中心入流处矢量分布密集，这部分区域流速较大。然后向沉淀池四周扩散，在扩散的过程中中心柱的速度值是最大的，而依次往外，速度逐渐减少。

图9－57 三维流速矢量图

由于沉淀池为对称结构，为直观地反映沉淀池内部的流场变化情况，我们截取了沉淀池的一个纵向剖面，作出矢量图和流线图，见图9－58和图9－59所示。从图中可以看出，水流从中心入流处以较大流速流入池内后先流向沉淀池底部，然后沿着池底向四周作辐射运动，遇到沉淀池边壁的阻挡后又沿着边壁向上运动，使沉淀池入流口左、右两侧分别形成一个顺时针和一个逆时针的旋流。

图9－58 二维剖面速度矢量图

图9－59 二维剖面流线图

现提取沉淀池内一个纵向剖面的紊动动能图和紊动动能耗散率图，见图9－60和图9－61所示。从图中可以看出，在中心进口处水流紊动动能和紊动耗散率都很大，说明在这一区域水流紊动剧烈。

在沉淀池中，紊流带有旋转流动结构，即所谓的紊流涡旋。紊流中的这种现象对工程设计有直接的影响，进水速度的增大会导致池内流体速度的增大，而这些速度的增大不仅会使紊流涡旋发生变化，进而影响沉降效果，而且对已沉降的污泥也会产生影响。因为当进口速度增大时，沉淀池的各个方向的速度都会增加，这样，湍流涡就会搅起已沉降的污泥，同时也使正在沉降的污泥上浮，导致沉降效果下降。

图9－60 二维剖面紊动动能分布图

图9－61 二维剖面紊动动能耗散率分布图