机械絮凝池流场数值模拟与实验研究

论文摘要

絮凝池的设计和运行主要以速度梯度G值作为絮凝强度的控制指标。G值既是经验值又是平均值,不能全面反映絮凝池中水流状态。按照推荐G值设计的絮凝池有些存在絮凝效果不佳、能耗大等问题。因此研究絮凝池的水力特性及其对絮凝效果的影响具有重要的现实意义。本文选择机械絮凝池为研究对象,结合数值模拟与混凝实验,分析不同水力条件下絮凝池中的水流状态及其对絮凝效果的影响,探求高效絮凝的水力学条件。主要研究成果：(1)在不同水力条件下,对机械絮凝池中的流场进行数值模拟。计算了不同进水流量、不同桨板转速、不同搅拌桨尺寸及其在絮凝池中的安放位置等方案,得到各情况下机械絮凝池的流速分布、湍动动能κ和湍动耗散率ε等水力特性数据。(2)选择了几种典型方案进行混凝实验研究,设计制作了机械絮凝池实验装置。在固定原水水质、温度、投药量等化学因素不变的情况下,改变水力条件,得出各方案下机械絮凝池装置出水静沉20min后的上清液浊度。(3)分析数值计算结果和实验数据,以计算所得的湍动动能、湍动耗散率与实验所得的剩余浊度相联系共同作为评价絮凝是否充分的标准。适当增加水力停留时间,使受搅拌作用的水流湍动更加充分,有利于提高絮凝效果；合理的搅拌转速既能促进桨板区颗粒之间的有效碰撞,又保证主流区絮凝体不被打碎,建议平均κ值为0.0062～0.0021m2/s2,平均ε值为0.0087～0.0019m2/s3为宜；适当增大搅拌桨划水面积,扩大液体主体流动范围,湍动能和湍动耗散随之增大,总划水面积占过水断面面积为19.6%,桨板宽长比为1/10左右,絮凝效果好：搅拌桨的安置高度应同时兼顾絮凝池上、下方的水流湍动状态,第一、三格反应池内桨板上端距液面距离占总水深的9.38%,第二格反应池内桨板底端距池底的距离占总水深的15.63%时,出水浊度低。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 絮凝动力学理论研究现状与进展
• 1.2.2 絮凝动力学实验的研究和发展
• 1.2.3 关于数值模拟在絮凝反应过程中的应用
• 1.3 本文主要研究内容与技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 数值模拟理论基础
• 2.1 基本控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 雷诺时均方程法（RANS）
• 2.2.2 标准κ-ε模型
• 2.3 近壁区域的处理
• 2.4 CFD方法
• 2.5 CFD在搅拌区域中的建模
• 2.6 本章小结
• 3 机械絮凝池数值模拟
• 3.1 机械絮凝池物理模型
• 3.1.1 絮凝的相似关系
• 3.1.2 机械絮凝池模型系统简介
• 3.2 数值模拟方案
• 3.2.1 有无挡板流场的比较
• 3.2.2 不同进水流量
• 3.2.3 不同转速组合
• 3.2.4 不同浆板尺寸
• 3.2.5 桨板入水深度
• 3.3 数值模拟过程
• 3.3.1 网格划分
• 3.3.2 数值求解步骤
• 3.4 数值计算结果与分析
• 3.4.1 方形反应池有无挡板的计算结果与分析
• 3.4.2 不同进水流量的计算结果与分析
• 3.4.3 不同转速组合的计算结果与分析
• 3.4.4 不同桨板尺寸的计算结果与分析
• 3.4.5 改变搅拌桨入水深度的计算结果与分析
• 3.5 本章小结
• 4 机械絮凝池混凝实验
• 4.1 机械絮凝池实验装置与实验条件
• 4.2 实验方案
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 水力停留时间对絮凝效果的影响
• 4.3.2 搅拌桨转速对絮凝效果的影响
• 4.3.3 搅拌桨尺寸对絮凝效果的影响
• 4.3.4 搅拌桨入水深度对絮凝效果的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文