氧化沟水下推流转轮优化分析

氧化沟水下推流转轮对氧化沟中的流场结构有着重要的影响，推流转轮的淹没深度、转轮的转速、转轮的尺寸等的改变，都会对其流场结构产生影响。而且在氧化沟工艺中，能量的耗散很大一部分是由推流转轮损失掉的。为寻求在转轮的转速一定时，转轮的最优淹没深度，以及在最优淹没深度时的转轮的最佳半径，笔者进行了深入研究。研究中所用的卡罗塞尔氧化沟侧墙的高和水深分别为5m和4.5m，水流在沟道中沿中心线的水平流动距离约为467.5m废水处理容量为25000m3／d。在氧化沟两侧布置了3个转轮，每个转轮由8个长1.613m的叶片组成，转轮转速为30r／min。在数值计算中，计算区域的大小为：总长109m，宽34.6m，高6m，单沟宽8.5m，小弯道半径R1＝8.5m，大弯道半径R2＝17m，隔墙厚d＝0.2m。模型示意图如图11－12所示，图中的箭头表示水流的流向。

图11－12 区域平面示意图

11.7.1 转轮最优淹没深度数值模拟

氧化沟水下推流转轮的淹没深度对转轮的推流效果及沟道内的流场结构有着重要的影响。本文在对转轮淹没深度的优化研究中，固定了其他因素，如转轮的尺寸、转轮的转速、转轮在水平面上的位置，以及计算时的初始条件、边界条件，只改变转轮沿水深方向的安装高度。在优化中将安装高度分成5种情况进行研究，用h表示转轮的中心位置的淹没深度，用H表示水深，用h／H表示转轮的淹没比。5种情况的转轮淹没比详见表11－1所示。

表11－1 转轮的淹没比

（1）计算区域及网格划分

计算中，每种情况下的计算区域除转轮的安装高度不同外，其余尺寸均相同。计算区域的平面示意图见图11－13，三维示意图见图11－14，沿水深方向为z坐标轴。

图11－13 计算区域平面示意图

图11－14 计算区域三维示意图

5种不同淹没比的网格划分方法及网格的结构基本相同。计算区域网格图见图11－15、图11－16所示。计算网格采用结构化网格与非结构化网格相结合的网格划分方法。在靠近水面处及池底垂直方向进行加密，网格总数为240000。

图11－15 计算区域网格图

图11－16 计算区域三维网格图

（2）初始条件及边界条件

在相关的研究中，人们发现进、出口的条件对于氧化沟中的流场结构影响不大，因而建议在进行与流场结构相关的数值计算时可以不用考虑。本文在计算时不作考虑。在初始时，给定水深为4.5m；计算区域顶面为压力边界，相对压强为0。自由液面的捕捉用VOF法，紊流模型采用Standard k－ε模型，转轮的数学模型采用多参考系模型（MRF）。

（3）流速沿水深分布分析

氧化沟水下推流转轮淹没深度不同，对流速沿水深方向的分布有着重要的影响。本文模拟所用的氧化沟是一个四沟道的循环系统，因为A、B、C沟道的流场结构相似，所以为了研究流速沿垂线的分布规律，本文选取A沟道的x＝20m（Location 1）、x＝40m（Location 2）、x＝60m（Location 3）、x＝80m（Location 4）及D沟道中x＝90m（Location 5）、x＝70m（Location 6）、x＝50m（Location 7）、x＝30m（Location 8）的单沟道中间断面的测线进行分析。其平面位置示意图见图11－17。

图11－17 垂线流速分布测线示意图

为了研究不同淹没深度时的流速沿水深的分布情况，本节将不同淹没深度时的流速沿水深的分布分别绘于图11－18（h／H＝0）、图11－19（h／H＝0.22）、图11－20（h／H＝0.45）、图11－21（h／H＝0.67）、图11－22（h／H＝0.89）中。H表示水深，v表示速度。

由图11－18可以看出：当转轮贴近水面时，与小弯道水流出口端相连的直道段的速度沿水深方向的梯度比较大，表层流速最大可达到0.7m／s，且沿水流方向有所减小；池底的流速接近于0。与大弯道水流出口端相连的直道段，在前半段速度沿水深分布比较均匀，大约为0.2m／s；但在后半段，速度分布开始变得不均匀，具体表现为靠近池底的速度大于表层速度，并且越靠近小弯道水流入口端，这种不均匀性就越突出，这主要是由于转轮对其附近水流的卷吸作用所致。淹没比为0时，氧化沟中的流速偏小，且分布不均匀。

图11－18 h／H＝0时的速度沿垂线分布图

对比图11－18与图11－19可看出，随着转轮淹没深度的增加，沟道A中速度沿水深方向的梯度有所减小，表层流速最大可达到0.85m／s，靠近池底处的水流流速有所增加。在D沟道中，表层流速与淹没深度比为0时，速度相对增加得比较多，最大可达到0.65m／s，并且靠近小弯道水流入口端的流速与淹没比为0时相比也变得更均匀，并且速度也比淹没比为0时的大。

图11－19 h／H＝0.22时的流速沿垂线分布图

对比图11－19与图11－20可看出，与淹没比为0.22时相比，淹没比为0.44时，与小弯道水流出口端相连的A沟道中表层最大流速有所减小，并且靠近池底处的流速与淹没比为0.22时相比也有所增加，所以A沟道中的速度沿水深的分布变得更加均匀。在D沟道中，速度沿水深的分布也比较均匀，稳定在0.5m／s左右。

图11－20 h／H＝0.44时的流速沿垂线分布图

图11－21表明，随着h／H的增大，沟道A中的流速分布较h／H＝0.44时更加均匀，表层流速的大小没有大的改变，但靠近水池底部的流速由之前的0.3m／s增大到了现在的0.4m／s。在沟道D中，流速的变化规律与h／H＝0.44时相比，变化幅度不大，速度大小稳定在0.5m／s左右。

图11－21 h／H＝0.67时的流速沿垂线分布图

随着h／H值的继续增加，当h／H＝0.89时，由图11－22可看出，除在A沟道中靠近小弯道水流出口端流速沿水深分布由之前的减小趋势变为现在的先减小再增大趋势外，在A沟道的其他位置及D沟道中，水流沿水深方向的速度急剧减小，且均小于0.3m／s，大都稳定在0.25m／s左右。当h／H＝0.89时，沟道内的速度沿水深分布虽然比较均匀，但速度值偏小。

图11－22 h／H＝0.89时的流速沿垂线分布图

比较图11－18、图11－22可见，随着h／H值的增加，在沟道A中水流沿水深的变化趋于均匀：表层流速减小，而底层流速增加。而在沟道D中，在各种情况时水流沿水深的分布都要比沟道A中均匀得多，随着h／H值的增加，沟道D中的流速呈现出“增大—稳定—减小”的趋势。结合氧化沟污水处理对流场的要求可知：水下推流转轮的安装高度不能太贴近水面，也不能太靠近水底。要确定最优淹没比还需进一步的分析。

（4）速度大小分布的统计分析

图11－23 速度大小分布统计分析

为了防止污泥在氧化沟中淤积，要求氧化沟中平均流速要大于0.3m／s。本文将每种淹没深度时整个流体区域中流速大于0.3m／s的流体体积与整个流体区域流体体积的百分比P作为统计分析的一个参变量，将转轮的淹没深度h与水深H之比h／H作为另一参变量，分析P随h／H增大的变化规律。由P与h／H所拟合出的曲线如图11－23所示，曲线的函数关系式如下式：

P＝－365.84×（h／H）2＋331.79×（h／H）＋20.07

经分析可知，当h／H＝0.45时P有最大值。

（5）最优淹没比分析

由不同淹没深度时的流速沿水深分布图可见，随着h／H值的增加，在沟道A中水流沿水深的变化趋于均匀化：表层最大流速在减小，底层流速增加。而在沟道D中，在各种情况时速度沿水深方向的梯度比A沟道小得多，随着h／H值的增加，沟道D中的流速大小呈现出“增大—稳定—减小”的趋势。结合氧化沟污水处理对流场的要求可知，水下推流转轮的安装高度不能太贴近水面，也不能太靠近水底。由氧化沟中速度大小的统计分析结果可知，当转轮的淹没比h／H＝0.45时，氧化沟中平均流速大于0.3m／s的流体体积占总流体体积的比例最大，所以氧化沟水下推流转轮的最优淹没比应为h／H＝0.45。

11.7.2 转轮最优半径比数值模拟

在转速相同时，氧化沟水下推流转轮的半径大小将直接影响其推流效果及其流场结构。为了研究转轮半径对流场结构的影响规律，本节在最优淹没比的研究基础上，将转轮的安装高度确定在最优淹没深度处，只改变转轮的半径大小，从而对其流场结构进行分析，以确定最优的转轮半径比。在研究中，我们分5种情况考虑，转轮半径大小为r，小弯道半径大小为R1。5种转轮半径见表11－2所示。

表11－2 转轮半径比

（1）计算区域及网格划分

计算中，每种情况下的计算区域除转轮的半径不同外，其余尺寸均相同。计算区域的平面示意图见图11－24，三维示意图见图11－25，沿水深方向为z坐标轴。

图11－24 计算区域平面示意图

图11－25 计算区域三维示意图

在5种不同半径比时，网格的划分方法及网格的结构大体相同。计算区域网格图见图11－26、图11－27。计算网格采用结构网格与非结构网格相结合的网格划分方法，在靠近水面及池底处，于垂直方向进行加密，网格总数为258000。

图11－26 计算区域网格图

图11－27 计算区域三维网格图

（2）初始条件及边界条件

在相关的研究中，人们发现进、出口的条件对于氧化沟内的流场结构影响不大，因而建议在进行数值计算时可以不用考虑。本文在计算时不作考虑。在初始时，给定水深为4.5m；计算区域顶面为压力边界，相对压强为0。自由液面的捕捉用VOF法，紊流模型采用Standard k－ε模型，转轮的数学模型采用多参考系模型。

（3）流场结构分析

氧化沟中存在多弯道与直道相结合的结构，并且隔墙的厚度较弯道半径要小得多，因此，在此种弯道中，水流由弯道进入直道时很容易在隔墙端部产生回流。回流区域的存在会造成氧化沟中污泥相的滞留，这对氧化沟的运行是不利的。而转轮半径的大小对弯道出口端隔墙后回流区域的大小有影响。笔者将不同半径比下水深等于转轮最优淹没深度时水平面上的流线情况绘于图11－28中。

图11－28 淹没深度为2.5m截面流线图

由图11－28可以看出：当半径比很小时，隔墙端部回流区域很小；但随着半径比的增加，隔墙端部的回流长度不断增加，当半径比为0.436时，回流区的长度几乎和直道段的长度相等。这主要是由于转轮转速固定时，随着转轮的半径的增加，转轮的叶片末端的线速度随之增加，造成在弯道水流出口端流速分布极不均匀：在靠近隔墙处流速很小，在靠近外墙处流速很大。同时在弯道出口端由于惯性力的作用，也会导致弯道出口断面流速分布不均匀。因此，在这两方面的作用下就导致了回流区的产生，并且回流区的长度与弯道水流出口端流速分布的不均匀性有很大关系：流速分布越是不均匀，回流区的长度就越长。同时，随着转轮半径的增加，转轮对其周围的水流的卷吸作用也会增强，这也会对整个氧化沟内的流场结构产生较大的影响。由此可知，过大的转轮半径会造成大的回流区的产生。

（4）速度大小统计分析

本文在转轮的淹没深度一定时，采用5组不同的转轮半径进行分析，因规范要求在氧化沟中平均流速要大于0.3m／s，故这里将每种情况下整个流体区域中流速大于0.3m／s的体积与整个流体区域体积的百分比P作为统计分析的一个参变量，将转轮的半径r与小弯道半径R1的比值r／R1作为另一参变量，将其关系绘于图11－29中。

图11－29 流速大小统计分析图

由图11－29可以看出：当半径比为0.145时，流速大于0.3m／s的区域占整个流体区域的百分比很小，只有15％左右；但随着半径比的增大，流速大于0.3m／s的流体区域所占的百分比会增加，当半径比等于0.218时，流速大于0.3m／s的流体区域所占的百分比可接近90％，之后随着半径比的增加，百分比的变幅很小。这主要是由于在转轮的转速固定时，当转轮的半径很小时，转轮对其周围水流的影响范围较小，因此对水流的推动作用有限；而随着转轮半径的增大，影响范围随之增大，推流能力也在增强，但当半径增大到一定程度时，过大的转轮又会影响到弯道处的过流能力，所以当转轮半径增大到一定程度时整个流体区域中流速大于0.3m／s的流体区域所占的百分比便稳定在90％左右。

（5）最优转轮半径比分析

由流场结构图可看出，随着转轮半径的增加，与小弯道水流出口端相连接的直道段内的回流区域的长度成倍的增加。大的回流区域的存在会造成污泥相的大量滞留，这对氧化沟的运行效果是不利的。由速度大小统计分析结果可看出，当转轮半径比r／R1大于0.218时，流速大于0.3m／s的流体区域占整个流体区域体积的百分比稳定在89％左右。因此通过综合分析，转轮的最优半径比应为r／R1＝0.218。

11.7.3 小结

本节用数值模拟的方法通过对比分析10种不同的运行情况，对氧化沟水下推流转轮的最佳安装高度及最优转轮半径进行了数值模拟研究，经过对比分析得出如下结论：

1）由流速大于0.3m／s的体积与整个流体区域体积的百分比P，以及转轮的淹没深度与水深之比h／H所拟合出的曲线，得出了转轮的最优淹没比应为h／H＝0.45。

2）对最优淹没比时的流场结构的分析结果表明：最优淹没比时的沟道横剖面流场只是速度大小与常规安装方式有一些差别，其流场结构差异并不大。

3）在最优淹没深度时，横断面上流速沿水深方向的分布更加均匀，这对污泥相在氧化沟中的均匀混掺是十分有利的，从而可提高氧化沟的处理效率。

4）由流速大于0.3m／s的体积占整个流体区域流体体积的百分比P，转轮的半径与小弯道半径之比r／R1关系曲线，以及水平面上的水流流场结构，得到了转轮的最优半径比应为r／R1＝0.218。