平流沉淀池的三维两相流数值模拟研究

论文摘要

本文利用Imam实验数据对平流沉淀池中应用混合物（Mixture）两相流模型和RNG（重整化群）k-ε湍流模型进行了验证。将验证后的数学模型应用于设计的平流沉淀池,采用计算流体力学软件Fluent对平流沉淀池进行了三维两相流数值模拟。改变沉淀池构造参数（污泥斗数目、池底坡度、进口位置、进口挡板淹没深度和位置、出口挡板挡板淹没深度和位置）后分别进行数值模拟,获得池内流态和及悬浮物分布规律,并提出改善平流沉淀池沉淀效果的方法,为实际工程中平流沉淀池的设计提供参考。模拟发现,进口挡板和出口挡板处流速变化剧烈,其它区域流速较小,主要朝水平方向流动,池中主要存在四个回流区：进口挡板后方和进口下方、污泥斗上方、出口下方以及沉淀池底部。流体遇到进口的挡板后产生下沉流速,一方面有利于悬浮物的沉降,另一方面如果下沉流速靠近污泥斗则可能将污泥斗内的悬浮物卷出污泥斗,不利于悬浮物沉淀。改变污泥斗和池底坡度时,有效沉淀体积会发生较小的变化。模拟发现：单个污泥斗体积不变时,污泥斗为1个和2个时悬浮物去除率相差不大,去除效果较好；当单个污泥斗体积改变而有效沉淀体积不变时,采用1个污泥斗沉淀效果比2个污泥斗稍好,因此建议污泥斗数目不超过2个；当池深一定时,池底坡度越大,池尾部有效水深越小,尾部池底悬浮物更容易被卷起带出,导致悬浮物去除效果变差。因此采用静水压力排泥时,池底设置0.01的坡度即可,采用机械排泥时则可直接设置为平底。其它条件不变,分别改变进口位置、进口挡板淹没深度和位置,模拟发现要获得较好的沉淀效果,要求进水区流速不能过大,回流尽可能小,有适当大小的下沉流速,保证污泥斗内悬浮物不会被卷起。进口优化分析显示,最优进口构造参数为：进口下移1m,进口挡板淹没深度0.5m,离进口距离1m。其它条件不变,分别改变出口挡板淹没深度和位置,模拟发现要获得较好的沉淀效果,要求出流均匀,池底流速小,尽量防止沉淀池中下部的悬浮物卷起。模拟结果显示不设出口挡板时悬浮物去除效果最好,设计时考虑到需设出口挡板以截留水面浮渣,因此建议出口优化后构造参数为：出口挡板淹没深度0.3m,离出口距离0.5m。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 计算流体力学（CFD）
• 1.1.1 CFD简介
• 1.1.2 CFD计算软件及主要功能
• 1.1.3 CFD的求解过程
• 1.2 沉淀池数值模拟研究进展
• 1.2.1 沉淀池基本理论
• 1.2.2 沉淀池数值模拟研究进展
• 1.3 课题的研究内容与意义
• 1.3.1 课题的研究背景及意义
• 1.3.2 课题研究内容及技术路线
• 1.3.3 创新点
• 第2章 平流沉淀池的数值计算方法
• 2.1 平流沉淀池内流体运动控制方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.2 控制方程的数值离散方法
• 2.2.1 有限差分法（FDM）
• 2.2.2 有限元法（FEM）
• 2.2.3 有限容积法（FVM）
• 2.3 平流沉淀池的数学模型
• 2.3.1 湍流模型
• 2.3.2 多相流模型
• 第3章 Fluent对平流沉淀池的数值模拟
• 3.1 数值模型的验证
• 3.1.1 Imam实验
• 3.1.2 Imam实验数值模型的建立
• 3.1.3 模拟结果与实验数据对比分析
• 3.2 平流沉淀池三维模型的建立
• 3.2.1 平流沉淀池尺寸确定
• 3.2.2 网格的划分
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 平流沉淀池数值模拟结果及分析
• 3.3.1 平流沉淀池内三维速度场分析
• 3.3.2 平流沉淀池内悬浮物分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 平流沉淀池构造对沉淀效果的影响
• 4.1 污泥斗和底坡对沉淀效果的影响
• 4.1.1 污泥斗个数对沉淀效果的影响
• 4.1.2 平流沉淀池底坡对沉淀效果的影响
• 4.1.3 平流沉淀池的有效沉淀体积分析
• 4.2 进口对沉淀效果的影响
• 4.2.1 进口位置对沉淀效果的影响
• 4.2.2 进口挡板淹没深度对沉淀效果的影响
• 4.2.3 进口挡板位置对沉淀效果的影响
• 4.2.4 平流沉淀池进口的优化分析
• 4.3 出口对沉淀效果的影响
• 4.3.1 出口挡板淹没深度对沉淀效果的影响
• 4.3.2 出口挡板位置对沉淀效果的影响
• 4.3.3 平流沉淀池出口的优化分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢