旋流式沉沙池设计计算与模拟研究

张立成,杨敬林,易玉林

(1．湖南农业大学 工学院,长沙 410128；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院,长沙 410007)



旋流式沉沙池设计计算与模拟研究

张立成1,杨敬林1,易玉林2

(1．湖南农业大学 工学院,长沙 410128；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院,长沙 410007)

旋流式沉沙池采用机械动力带动旋桨在池中产生涡流，以涡流产生的离心力提高沉沙池除沙效率.现在有一种依靠水流的动能在圆形池中，水流不断改变运动方向产生旋转形成涡流的一种新型旋流式沉沙池.通过对该种旋流式沉沙池进行设计计算得出水流量和沉沙池负荷量的关系式.再以Fluent软件计算和模拟研究，得出了该种沉沙池所产生的旋涡位置并不是沉沙池中心位置，并分析出这种无动力旋流式沉沙池所形成涡流与水量是相关.

旋流沉沙池；涡流；设计计算；模拟研究

0　前　言

沉沙池是一种将水中沙子沉淀下来的装置，在工业净化污水中应用较多.己有研究表明沉沙池在机械动力带动旋转下沉沙效率较高[1-3].在农田水利工程中有关沉沙池的沉沙效率研究不多.本文主要是从沉沙池的池中水深和水流流速及水中含沙量来进行模拟研究.普通的条形沉沙池，含沙水流从水渠中流入沉沙池中，当水流速度较小时，在池中流速更缓，沙粒由于自身的重力渐渐地下降最后沉入池底[4-6].若水流流速较大时，池中水流速度较快，因而部分沙石会随水流的快速流动冲出沉沙池，沉沙效率不高.根据都江堰中的飞沙堰水流的沉沙原理可知，水在形成涡流时会使沙粒产生较大的离心力.沙粒在离心力作用下会沉在涡流的边上.同时水流在流速较大时会将沙石带走，在流速较慢时会沉积下来[7-10].根据此沉沙理论，通过Fluent软件模拟改变入池水流量及含沙量来测定沉沙池的沉沙效率.采用水力学及数理分析的方法探讨出沙粒在不同水流量情况下沙粒运动的轨迹方程及在不同含沙率情况下沙粒运动的轨迹方程.

1　旋流式沉沙池设计计算

1.1沉沙池有效水深

式中：h为沉沙池水深，Q为水流流量，t为水力停留时间，r为圆形沉沙池半径.

如何控制好旋流沉沙池的流态和流速，加速沙粒的沉淀，成为旋流沉沙池设计参数选择的关键.

沉沙池设计的一般规定：

(1)q—沉沙池的表面负荷，取值范围宜为130～200m3/(m2·h) ，设计取q=130m3/(m2·h).

(2)H—池深，一般采用1～2m.

(3)v—沉沙池进渠水流流速，一般在0.4～1.0m/s；

(4)t—水力停留时间，设计取t=35s.

1.1.1沉沙池体积

旋流式沉沙池的计算公式：

V=πr2H

式中:V为沉沙池体积，m3;r为沉沙池的半径m;H为池深，m，一般采用1～2m.

根据已知的设计流量和计算的结果校核沉沙池的水力表面负荷，确定体积是否满足设计要求.

q=Q/(nA)

式中:q为沉沙池的表面负荷，宜为130～200m3/(m2·h)；Q为最大设计流量，m3/d；n为沉沙池个数；A为沉沙池的表面积，m2，A=πr2/4.

计算沉沙池的停留时间，将已知的设计流量与所得的体积代入式中确定所取结果是否满足设计要求.

t=V/Q

1.1.2沉沙池进水渠

v=Qmax/A

A=Bh

式中:v为沉沙池进渠水流流速，m/s，一般在0.4～1.0m/s；A为进水渠过流断面面积，m2；Qmax为最大设计流量，m3/s;B为进水渠宽度，m;h为进水渠深度，m.

根据进水渠的宽深校核流速是否满足设计要求，出水渠的计算与进水渠相同.

1.1.3沉沙池的沉沙量

V0=XQmaxT86400/106Kz

式中:X为污水沉沙量，一般采用30m3/106m3污水；T为清除沉沙的间隔时间(d)；Kz为含沙水流量总变化系数.

2　建立旋流式沉沙池三维模型

模型大小尺寸底面半径0.5m，池深0.8m.进出口均沿池壁切线方向.将建好的三维图划分网格，要对流体进行模拟分析，网格的划分影响着计算的精确度.图1是划分好的网格图.共划分了25567个计算节点.图2是经200次计算后图形的残差曲线图.

图1　网格划三维图

网格划分好后，采用固液两相流方法去求求解计算.这里设计试验方案为，不同流速影响下水流在沉沙池中的运动状态及沙粒的运动状态.当水流速度为1m/s，含沙率为10g/L时.fluent模拟出的图像和Fluent所分析出的结果图.通过Fluent软件分析出的水流态图，可以看出圆形旋流式沉沙池，当水流沿池壁切线方向流入和流出时，会形成一旋涡.这个旋涡是由于池的外形为圆形，水流在池中流动时不断改变水流方向形成一个旋涡.一般都认为旋流沉沙池的旋涡中心也是在圆形池的中心.

图2　经200次计算后图形的残差曲线图

图3 中的模拟结果表明，旋流沉沙池所形成的旋涡并不是在池的中心而是在中心偏出水口处.该水流态图中不同的颜色表示水流速度，蓝色表示水流速度慢，红色表示水流速度快，(左边数值是水流速度).

图3　水流在池中的流态图

3　调节池中水深沉沙池的流态图

图4、图5、图6分别为不同水深池内的水流流态图.随着池中水的深度的下降，池内水的流态也是不断变化，并且旋涡状态并不明显.旋涡不明显的原因是由于池中水深的下降池内水流减缓，池中水相对比较平静不能形成旋涡.旋流式沉沙池是依靠水在池中旋流所产生的离心力将沙粒集中在旋涡中心沉沙.池中水深和进水渠的水流量相关.当水流量过小时达不到沉沙池正常运行的工况，因而沉沙效率低.水流量过大就会从池子边缘溢出.因此在设计旋流式沉沙池时要考虑池子进出水流量大小.

图4　池中水深为0.6 m时池内的水流流态图

图5　池中水深为0.5 m时池内的水流流态图

图6　池中水深为0.4 m时池内的水流流态图

4　池中沙粒轨迹

通过上述图中比较出图4池中水深为0.6m时所形成的旋涡较明显.在池中水深为0.6m时沙粒的运动轨迹是如何进行的.再通过Fluent软件进一步分析.软件模拟是采用粒径规格统一的0.1mm沙粒，含沙量在10g/L进行数值模拟.

图7　沙粒的粒径运动轨迹图

图7中的线条为沙粒的粒径运动轨迹，该沙粒的运动轨迹近似于圆形，圆心和沉沙涡流圆心相近.线条中的不同颜色表示池中沙粒在该位置出现的频率.沙粒在池中旋转时不断地在做圆周运动.从图7中线条的颜色来看，沙粒在涡流中心和池壁之间运动频繁.沙粒在随水流做旋流运动时因受到离心力的作用不断的在向涡流中心靠拢.所以池壁出现的频率较低，而运到涡流中心时沙粒的速度减慢至静止状态，沉淀在涡流中心.因此涡流中心出现沙粒运动轨迹较低.从图中还可观察出旋流沉沙出水口仍然有沙粒运动轨迹图，说明还是有沙粒从沉沙池中随水流流出.旋流式沉沙池的沉沙效率也不能够达到完全将沙粒除掉，只能在一定程度上提高沉沙效率，使流出池中水含沙量达到一种用水合格标准.比方说灌溉用水是允许有一定的含沙量，但含沙量不能超过0.05%.

5　结　论

旋流沉沙池因池中流态复杂池中沙粒因颗粒小无法进行示踪分析，采用模拟试验研究比较困难.Fluent软件是基于离散化的计算方法，利用电子计算机对流体相对不同固体边界的内外流场进行数值模拟和分析.先简要分析了旋流式沉沙池的设计和计算.得出旋流式沉沙池的大小与水流量是相关公式.再用Fluent软件模拟时得出了两个重要结论，一是旋流沉沙在运行过程中所产生的旋涡并不是沉沙池中心而是在沉沙池水流出口附近偏向沉沙池中心的位置.关于旋流式沉沙池所形成的旋涡中心的具体位置有待进一步研究发现.二是旋流式沉沙在无外界机械动力下形成旋涡还与池中水深相关.实质上与水流量相关，通过前面的设计计算中已经找出池中水深和水流量的计算公式.模拟中所设计池子的参数中池子半径为0.5m时池深0.8m，池是水深0.6m时池子所产生的旋涡最明显.

[1]邵林广.圆形涡流式沉砂池除砂效率的探讨[J].给水排水,1998,24(12):38-40.

[2]杨卫国.钟式旋流沉砂池和砂水分离器连接设计的改进[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2003,11(4):69-71.

[3]王雪原,Pista3600涡流沉砂池的特色与设计要点[J].中国给水排水,2001，17(8):36-38.

[4]李涛.沉砂池的设计及不同池型的选择[J].中国给水排水，2001，17(9)：37-42.

[5]汪家权，蒋文韬，王淦.新型高效旋流沉砂池除砂效率的研究[J].中国给水排水，2007，23(15)：98-101.

[6]邵超，叶勇，汪家权，等．新型旋流沉砂池砂粒去除效果的数值模拟[J]．环境工程技术学报，2012，2(5):373-379．

[7]栾闯.基于CFD的水电工程砂石废水旋流沉砂池的优化设计[D].天津大学环境科学与工程学院硕士学位论文,2009.

[8]邱峰,汪家权,王淦.新型旋流沉砂池除砂和有机物分离效果的研究[J].工业用水与废水，2008,39(3):84-87.

[9]王福军.计算流体动力学分析:CED软件原理与分析[M].北京:清华大学出版社，2007.

[10]唐学林,徐宇,吴玉林.高浓度固-液两相流紊流的动理学模型[J].力学学报,2002,34(6):956―962.

StudyonCalculationandSimulationofCyclonicSettlingBasin

ZHANGLi-cheng1,YANGJing-lin1,YIYu-lin2

(1.CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China；2.TheResearchofSurveyandDesignofWaterConservancyandHydropowerofHunanProvince，Changsha41007，China)

Atpresent,thecyclonedesiltingbasinusesmechanicalpowertodrivethepropellervortexinthepool.Toimprovetheefficiencyofsandsettlingbasin,anewtypeofvortexdesiltingbasinappearsrelyingonthekineticenergyofwatertoflowincircularpoolwatertoconstantlychangethedirectionandproducerotatingvortex.Designandcalculationofwaterflowaredone,andtherelationshipbetweenthewaterflowandthesettlingbasinloadthroughthecyclonedesiltingbasinisachieved.ResearchoncalculationandsimulationwithFluentsoftwareisalsodone.Theresultshowsthatthiskindofdesiltingbasingeneratedbythevortexpositionisnotthecentralpositionofdesiltingbasin,andtheeddycurrentsformedbytheunpoweredcyclonedesiltingbasinandtheamountofwateriscorrelated.

cyclonedesiltingbasin;eddycurrent;designcalculation;simulationstudy

2015-09-18

张立成(1987-)，男，硕士。研究方向：农业水利.

TV673

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1671-119X(2016)01-0086-04