HAC高效澄清池内挡板安装高度的研究分析

唐永东

(合肥工大建设监理有限责任公司，安徽 合肥 230009)



HAC高效澄清池内挡板安装高度的研究分析

唐永东

(合肥工大建设监理有限责任公司，安徽 合肥 230009)

利用数值模拟技术对HAC高效澄清池内挡板安装高度进行研究，选取速度、速度矢量与迹线作为分析指标，分析研究澄清池内流场的水力特性，解决设计澄清池时面临的缺乏理论依据等问题。

水力自控(HAC)；高效澄清池；挡板；安装高度；数值模拟

0 引 言

水力自控(Hydraulic Automatic Control，简称HAC)工艺中的高效澄清池是由江苏省泰兴市睿济科技有限公司联合复旦大学、合肥工业大学等高校水处理科研团队研究出的一种新型澄清池，集微涡旋絮凝、高体积浓度接触絮凝、小循环回流活性泥渣结团絮凝以及斜管沉淀于一体，其高效澄清池结构如图1所示。澄清池工艺流程为：原水经由渐变管进入澄清池底部的预沉室，再流入高效容积网格絮凝室，已经形成规模尺度的絮粒从第二絮凝室下部均匀进入高体积浓度活性泥渣悬浮区。在泥渣悬浮区安置挡板，使挡板周围发生吸附絮凝与接触絮凝，同时沉淀颗粒沿挡板滑入下部泥渣浓缩区[1]。经过斜管沉淀装置处理后的半成品清水通过集水系统收集后进入集水总渠，输送至高效重力均粒滤池。

图1 澄清池结构示意图

在泥渣悬浮区增设斜板(挡板)，可以提高澄清池的抗冲击负荷，使新进入悬浮区的絮粒迅速沉淀，并平稳进入泥渣浓缩区。目前挡板及其安装高度对澄清效果的影响方式并不清楚，其设计参数也没有统一的标准。

本文在1 000 m3/d规模的澄清池中，将挡板安装角度设置为50°，模拟挡板安装高度变化对澄清池流态的影响，并结合配水区平均上升流速分析，提出合理的挡板安装高度设计参考值，为工程设计与应用提供指导依据。

1 挡板高度选择

由图1可见，取挡板下端距排泥斗上端距离为直壁高度，挡板上端至斜管装置底部距离为配水区高度。HAC高效澄清池为新型池型，文献[2]推荐传统悬浮澄清池的悬浮层高度为2.00～2.50 m(其中直壁高度不小于0.60 m)，配水区上升流速一般为1.00～2.50 mm/s，取值范围太大导致设计值更多依赖经验。在对传统澄清池进行改造时，文献[3]根据经验推荐斜管下端距进水口不小于1.00 m以使配水均匀，但该值仅仅依据工程经验，缺乏理论依据。

挡板安装参数见表1所列，表中H1～H6为不同挡板安装高度的代号。

表1 挡板安装参数 m

2 模型建立及边界条件设置

挡板安装高度主要对沉淀区产生影响，故只建立沉淀区在不同挡板安装高度下的物理模型，并选用Standardk-ε模型进行数值计算。采用标准壁面边界条件与Simple算法[4-5]，设置边界条件[6]，其进口速度为0.039 5 m/s，出口为自由出流，湍流强度为4.86%，特征长度为0.35 m。

3 结果分析

为便于绘图，截取X=0时的沉淀区左半部剖面作为工作面，选取速度矢量、迹线、紊动动能与紊流粘性系数作为分析指标[7]。

3.1 紊动动能与紊流粘性系数分析

紊动动能与紊流粘性系数是表征紊流强度的指标，研究分析沉淀区的紊动动能与紊流粘性系数，能更好地了解沉淀区的紊流条件[8]。

(1) 紊动动能比较。如图2所示，挡板安装高度的变化对紊动动能分布有一定影响。随着挡板安装高度的增加，沉淀区右上部的紊动动能值在减少，这说明沉淀区的紊动强度随着挡板安装高度的增加在逐渐减小。其重要原因是随着高度增加，越来越多的水流经由挡板左侧通道到达澄清池出口，使沉淀区右上部出现一定程度的短流，紊动强度自然会下降[9]。

图2 H1～H6安装高度下的紊动动能等值线图

比较挡板左侧与右侧通道可以发现，左侧通道处的紊动动能比右侧通道紊动动能大，这是因为进入沉淀区的水大多经由挡板与左侧池壁处的通道进入沉淀区上部区域，再从澄清池出口流出池外。而沉淀区上部区域没有大范围的涡旋，仅有少量水流从挡板与右侧池壁的通道进入沉淀区底部，这种水流分配结果导致挡板左侧的紊动强度高，而右侧的紊动强度低。H6安装高度下的挡板与右侧池壁通道的紊动动能值相对较高，这并不是因为有更多水流从沉淀区上部经由该通道流入下部所引起。从H6安装高度下的迹线图看，几乎没有水流经由通道流入下部，紊动动能的少许增加是因为H6安装高度下，挡板下部区域的涡旋范围更大，由于下部涡旋作用范围接近该通道，引起通道处的紊动动能有少许增加。

(2) 紊流粘性系数比较。如图3所示，其结论基本与紊动动能云图中得出的结论一致，而在紊流粘性系数云图中，更能明显地看到沉淀区左侧的高紊流粘性系数分布带，这一带的紊流粘性系数较大，紊动较强烈。

图3 H1～H6安装高度下的紊流粘性系数云图

3.2 流场迹线图分析

如图4、图5所示，挡板的不同安装高度，不仅改变整个沉淀区的流速分布，而且在沉淀区下部产生涡旋，经挡板整流以后，在沉淀区的上部涡旋较少，流速分布较好。但是，不同安装高度下，挡板上部区域流场迹线也不尽相同。

图4 不同安装高度下的速度矢量图

图5 不同安装高度下的迹线图

由图5还可看出，水流经入口进入沉淀区后，会沿着澄清池外侧壁到达澄清池出水口，形成一定程度的短流。随着挡板安装高度的增加，越来越多的水流沿左侧池壁直接到达出水口，使沉淀区右上部区域的短流情况更严重[10]。而在H1～H4的安装高度下，挡板的整流作用使水流能够较均匀地分布在挡板上部区域；H5、H6安装高度下的挡板整流效果较差。因此，应该选择较低的安装高度，减小水流短流的影响。

在H1～H4安装高度下的迹线图中，有部分水流经由挡板右侧通道从沉淀区上部进入到沉淀区的下部，这有利于泥渣在上下区的流动交换，使接触絮凝的效果更好。而在H5、H6安装高度下的迹线图中，没有发现这样的交换情况。

在流场迹线图中，挡板下部均形成了一个大范围的涡旋，影响到整个斜板下部区域。大涡旋使沿挡板滑下进入悬浮区的沉淀颗粒、悬浮区原有的大颗粒与新进入该区的絮粒迅速碰撞，同时进行吸附絮凝、接触絮凝与沉淀过程[11]。直壁高度越低，涡旋越靠近挡板下部区域的左上角，其影响范围越小，挡板的消能作用小；直壁高度越大，涡旋越靠近挡板下部的中心区域，其影响范围也越大，但挡板的消能作用不能充分发挥。

在挡板上部，直壁高度较小时同样会形成涡旋，且随着直壁高度的增加，涡旋中心逐渐脱离挡板，向斜板上部的中心区域移动，并且涡旋强度逐渐减小，在H6图中消失。

综上所述，当挡板设置的直壁高度为0.80～1.10 m时，沉淀区流态更为合理。

4 结束语

沉淀区挡板安装高度的变化，对流态影响非常大；直壁高度、配水区高度可分别作为控制挡板下部、上部水力条件的设计参数。从数值模拟结果看，直壁高度主要控制挡板下部直壁区域水力条件，而配水区高度则是衡量挡板顶端至斜管装置底部之间配水区的重要指标。直壁高度小，挡板下部紊动强度大，但是涡旋范围小；直壁高度大，挡板下部涡旋范围扩大，但是紊动强度降低，两者效果都不理想。当直壁高度为0.80～1.10 m时，流体紊动强度与涡旋影响范围能够达到最好的平衡状态，从而使泥渣悬浮区的接触絮凝效果最好。配水区高度小于1.40 m时，配水区上升流速较大；而当配水区高度超过2.00 m时，高度增加而流速减小的幅度非常小，即此时再增加高度，效果并不理想。所以，当配水区高度为1.40～2.00 m时，配水区的上升流速最为合理。

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遗失声明

安徽省路港工程有限责任公司许在旺同志的安全生产考核合格证书遗失。证书编号：皖建安B(2010)0068267。特此声明作废。

安徽省路港工程有限责任公司杨万东同志的安全生产考核合格证书遗失。证书编号：皖建安C(2009)0020561。特此声明作废。

安徽省路港工程有限责任公司姚安军同志的安全生产考核合格证书遗失。证书编号：皖建安C(2010)0103237。特此声明作废。

2016年4月1日

安徽振风建设有限公司建筑业企业资质证书(正本)遗失。证书编号：A2014034082603。特此声明作废。

2016年4月7日

2016-04-29

唐永东(1964-)，男，安徽肥东人，合肥工大建设监理有限责任公司工程师．

X703.1

A

1673-5781(2016)03-0349-03