氧化沟中固－液两相流数值模拟

11.10.1 模型介绍

为研究在最优淹没深度及最优转轮半径时氧化沟中污泥的浓度分布情况，笔者对优化后的氧化沟内的固－液两相流进行了数值模拟。所研究的氧化沟中的污泥初始浓度为2500mg／L，在氧化沟中是均匀分布的。污水的密度为1000.35kg／m3，污泥的密度为1051kg／m3，污泥的平均粒径为0.434mm。氧化沟的形体尺寸如图11－32所示，池深与水深都为4.5m。

图11－32 模型尺寸示意图

11.10.2 计算区域及网格划分

计算区域及其坐标系统如图11－33所示，沿水深方向为z坐标轴。转轮的淹没比为h／H＝0.45，转轮的半径比为r／R1＝0.218。

图11－33 计算区域图

计算区域的平面网格图见图11－34所示，在沿z方向靠近池底处对网格进行了加密，总网格数为248266。

图11－34 计算区域平面网格图

11.10.3 数学模型及边界条件

在研究氧化沟中固－液两相流时，将固体当作拟流体来处理，两相流模型选用Mixture模型，求解的基本方程为流体的连续性方程及动量方程，湍流模型选用标准k－ε模型，转轮数学模型选用多参考系模型，计算区域顶面采用刚盖假定。转轮的转速为30r／min，初始时刻氧化沟中的污泥浓度为2500mg／L。计算时间步长为0.0005s，计算总时间250s收敛。

11.10.4 计算结果分析

（1）浓度沿垂线分布分析

为了分析氧化沟中污泥浓度沿水深方向的分布情况，在氧化沟的A沟道、大弯道及D沟道中，总共设置了x＝10m（Location 1）、x＝25m（Location 2）、x＝50m（Location 3）、x＝80m （Location 4）、y＝17.3m（Location 5）、x＝90m（Location 6）6个测量断面，每个断面选3条测线，靠近氧化沟内墙的测线称为Line 1，单沟道中间断面的测线称为Line 2，靠近氧化沟外墙的测线称为Line 3。测线分布图如图11－35所示。

图11－35 浓度测线布置图

由图11－36中所有测线浓度的分布情况可看出：浓度在靠近水面附近较小，在靠近池底较大，在沟道垂向中间断面各层分布比较均匀。在小弯道及小弯道出口端附近靠近水面处的污泥浓度比较大，而在沟道的其他位置，水面处的污泥浓度接近于0，这主要是因为在小弯道处装有推流转轮，在转轮的影响下此处的水流紊动比较大。

由图11－36可看出，在Location 1、Location 2、Location 5、Location 6测量断面靠近内墙的测线Line 1处的浓度都要高于靠近外墙的测线Line 3处。这主要是由测量断面所处位置的流场结构所决定的：Location 1、Location 2断面位于小弯道水流出口端，Location 5位于大弯道中间断面，Location 6位于大弯道出口端，由弯道水流理论可知，在弯道处及弯道水流出口端的一定范围内，水流在底部由外弯道流向内弯道，在靠近水体表面由内弯道流向外弯道，由此形成了弯道环流。弯道处及弯道出口端附近断面的弯道横向环流流场见图11－37所示。弯道环流这种流场结构往往会造成外弯道的冲刷和内弯道的淤积，所以在靠近内弯道处的浓度要比靠近外弯道处大。

图11－36 浓度沿水深分布图

图11－37 横向环流图

（2）水平面浓度场分析

为了分析浓度在平面上的分布规律，将z坐标为0.1m、1m、2m、3m、4m的断面浓度分布规律云图示于图11－38中。

图11－38 浓度分布云图

由图11－38可见，在小弯道处浓度分布不均匀，由于转轮的影响，在转轮附近的浓度相对较高。在大弯道段，靠近弯道内墙侧的污泥浓度相对较高，高浓度区域在靠近池底处，是从大弯道水流入口端开始一直到大弯道出口端，随着远离池底，高浓度区域的起始点由大弯道入口端向弯顶处移动。在直道段，靠近池底处，浓度在弯道入口端的一定区域内较高，随着远离池底，浓度分布的规律恰好相反，为靠近弯道出口端的一定区域内浓度较高，高浓度区域的长度大约为直道段的一半，宽度在z方向的中间截面大约为单沟道宽度的1／3，而在池底和水面附近与单沟道宽度相等。

（3）横断面浓度场分析

为研究浓度在横断面上的分布情况，这里将直道上x＝10m、x＝20m、x＝30m、x＝40m、x＝50m、x＝60m、x＝70m、x＝80m、x＝90m处沟道横断面上的浓度分布云图示于图11－39中。

由图11－39可见，外沟道A、C及内沟道B沿水流方向的浓度在横断面上的分布相似，都是沿水流方向的前半段直道上靠近内侧的浓度要高于靠近外侧的浓度。而在后半段直道上，浓度在沿水深方向分层明显：靠近水面处浓度很小，靠近水底处浓度很大，而在中间断面处浓度分布比较均匀。这主要是由于小弯道出口端的水流流场结构所决定的。由于弯道的存在，在弯道的纵断面形成了断面环流，水流在水面处由内弯道流向外弯道，在水底由外弯道流向内弯道，沿水流方向形成了螺旋流，使得外弯道被冲刷而内弯道淤积。从小弯道流进直道段的螺旋流要在直道内慢慢减弱，若直道段足够长则最后会消失。在D沟道中靠近大弯道出口端大约35m的范围内，在内沟道处有一个高浓度区域。在D沟道的其他地方，浓度沿水深方向分层比较明显，这是由于大弯道的存在而产生的弯道环流的影响。

图11－39 横断面浓度分布图

（4）浓度三维分布分析

为了更好地了解氧化沟中的浓度分布情况，这里将氧化沟中三维的浓度等值面图示于图11－40中。图中显示了浓度为2500mg／L、3000mg／L及3500mg／L时的浓度等值面图，图中被等值面包围的区域是大于所给浓度值的区域。

图11－40 三维浓度等值面图

由图11－40中2500mg／L等值面图可以看出，当流动稳定后，氧化沟中的污泥浓度出现了不均匀分布：①沟道底部一定厚度内的污泥浓度较初始浓度变大；②转轮附近一定区域内浓度变大；③与小弯道水流出口端相连的直道的前半段靠近内墙一侧，以及靠近水流表面的浓度变大；④整个大弯道及大弯道水流出口端一定范围内，靠近内隔墙处，从池底到水深一半处的浓度变大。而在沟道的其他部位，浓度都小于初始浓度2500mg／L。由图11－40中的3000mg／L及3500mg／L等值面图可看出，除池底污泥浓度较高外，氧化沟中靠近转轮下方的区域，小弯道水流出口端25m处靠近内隔墙的小部分区域，以及大弯道内侧靠近池底区域，是一些污泥浓度相对较高的区域。

（5）固相速度分布分析

由前几节的分析可看出，在整个沟道的底部污泥的浓度相对较大。根据氧化沟实际运行的要求，笔者又分析了在靠近池底0.05m范围内的水平面上的污泥速度分布情况，并将结果绘于图11－41中。

图11－41 污泥速度分布图

由图11－41可看出，在靠近池底处，当z＝0.01m时，除了小弯道处有个速度较大的区域外，直道及大弯道内的污泥速度分布主要集中在0.04～0.1m／s之间。随着远离池底，沟道内的污泥速度逐渐增加，当z＝0.05m时，直道内的速度主要集中在0.2～0.6m／s之间。

因此，虽然在靠近池底处污泥的浓度很大，但是污泥仍处于运动状态，并没有完全沉积。

11.10.5 小结

本节主要研究了在氧化沟转轮处于最优状态时沟道内的固－液两相流。通过对污泥浓度沿垂线分布情况的分析，对横断面及纵断面浓度分布的分析，对沟道内浓度的三维分布的分析，以及对流场结构的分析，可得出如下结论：

1）氧化沟中流场结构稳定后，污泥浓度出现了不均匀分布，主要表现为：靠近池底处的浓度较高；小弯道处转轮附近的浓度较高；在直道段靠近弯道水流出口端的一定范围内，靠近内墙处的浓度高于靠近外墙处的浓度。而在直道段的其他部分，浓度在垂向上的分层比较明显，表现为靠近水面处浓度很小，靠近池底处浓度很大，中间部分浓度在垂向上比较均匀。

2）在直道及大弯道上，靠近内墙侧的浓度高于靠近外墙侧的浓度，这主要是由于弯道的影响。在弯道上形成的弯道环流，沿水流方向表现为一种螺旋流动，而这种流场结构会造成污泥在内弯道淤积，以及对外弯道的冲刷，并且从小弯道出口流出的这种螺旋流要在直道段上的一定范围内才能消减完，所以在直道段的前半段和后半段污泥的浓度分布不同。

3）通过对靠近池底一定范围内的水平面上的污泥速度的分析，可以看出：在z＝0.01m的断面上，除去在小弯道上有个速度较大的小区域外，其他部分污泥的速度在0.02～0.1m／s之间；当z＝0.05m时，污泥的速度已达到0.2～0.6m／s之间。所以，虽然在靠近池底处污泥的浓度相对较高，但污泥并未出现大面积的沉积。