2019年第10期广东化工第46卷总第396期www.gdchem
胜利事件·69·
蓝翊
(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)
[摘要]简要介绍了在计算流体力学(CFD)模拟研究中广泛应用于沉淀池数值模拟的k-湍流模型，以及几种常用商业CFD 软件的主要特征和应用，并综述了沉淀池数值模拟中的应用研究现状，讨论了不同边界条件以及环境因素对结果的影响。
[关键词]CFD ；k-模型；数值模拟；沉淀池Research Progress on Optimization of Sedimentation Tank Based on CFD
Modeling
Lan Yi
(College of Environmental Science and Engineering,Tongji,Shanghai 200092,China)
Abstract:This paper briefly introduces the k-εturbulence model widely used in numerical simulation of sedimentation tanks in computational fluid dynamics (CFD)simulation studies.It introduces the main features and applications of several famous commercial CFD softwares,and summarizes the numerical simulation of sedimentation tanks.The current status of applied research was used to discuss the effects of different boundary conditions and environmental factors on the results.
Keywords:CFD ；k-turbulence model ；Numerical Simulation ；Sedimentation tank
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ，CFD)诞生于20世纪70年代，渐渐成为研究流体运动、解决实际工程问题的重要手段
[1]。其主要特点是在经典流体动力学的基础之上，综合数值计算方法，通过计算机技术来求解流体力学的相关问题。近年来，随着计算机硬件设备的不断升级、湍流模型的不断优化，计算流体力学得以迅猛发展，并广泛应用到环境流体力学的各个领域。
在运用CFD 优化污水处理技术设施(本文指平流沉淀池
)的过程中，主要通过改变其结构(如沉淀池尺寸、挡板位置、长度
)及进口条件(如进水口高度、进水流速、悬浮物特性
)等因素，运用
CFD 模型模拟，掌握沉淀池内水流状况以及水力分布情况，并为其优化设计提供可靠支撑。
1CFD 模型建立
人们很早以前就认识到，沉淀池中绝大部分的水体流动都属于湍流，然而，由于当时缺少完善的湍流模型，也不具备足够的计算条件，在计算流体力学方面并没有取得较大进展。
1981年，
金泰妍边伯贤Schamber 等提出了可以使用有限元的方法，将k-湍流模型运用于沉淀池的模拟研究中，因其求解方式简单，且模拟结果切合实际，近年来得到了广泛应用[2]。它的连续性方程和动量方程分别为：
式中，为动力粘性系数，为雷诺应力。对方程中雷诺应力项，由Boussinesq 假设，可表示为：
式中，为湍流动力粘性系数，有：
式中，k 为湍流动能，为湍流动能耗散率，有：
式中，，，，，为经验常数，标准k-湍流模型推荐值为：
=0.09、=1.44、
=1.92、
=1.0、
=1.22[3]。
2CFD 软件应用
目前，有50余款CFD 商业软件可用于科学研究，其中比较常用的包括FLUENT 、PHOENICS 、
CFX 等。它们的主要构成如
下：
(1)前处理器。前处理器的主要作用是构造几何模型以及划分网格，并输入相关问题求解所需数据。
(2)求解器。作为CFD 商业软件的核心，求解器主要有以下几个作用：确定控制方程、确定离散方法、选用数值计算方法、输入相关参数等。
(3)后处理器。后处理器将计算结果及时、完整地进行处理与显示。
在数值模拟过程中，各类CFD 软件都基本以下步骤[4]：(1)建立控制方程。在求解任何问题前，都必须首先建立能正确反映待研究问题的控制方程。
(2)确定边界条件。边界条件，是在求解区域边界上所求解变量或者其导数随地点及时间的变化规律。
边界条件作为流体分析中最重要的参数之一，其恰当的设定是保障数值求解精确性的前提条件。
(3)确定初始条件。初始条件，是所研究的对象在过程开始时刻的各求解变量空间分布情况，而只有控制方程与相对应初始条件、边界条件的有效组合，才能构成对一个物理过程的完整描述。
(4)划分计算网格。网格的划分可分为均匀网格、非均匀网格以及贴体网格三种，如今已发展出多种对各区域进行离散以生成网格的方法。
(5)CFD 主程序解析。解析计算过程主要包括条件初始化、参数设定以及条件输入等。
(6)计算结果可视化。计算结果一般以图形、表格等形式直观地展示。
图1CFD 软件应用的通用流程
Fig.1
The general process for CFD application
通过CFD 模型，可模拟沉淀池的两相流，并分析模拟结果，有效地应用于沉淀池的设计中。
Tao DING 等[5]利用GAMBIT 以及FLUENT 软件对沉淀池进行数值模拟，出影响沉淀池设置效率的
关键因素，并选择了挡板高度、挡板水平距离以及进水水深三个因素，通过单一变量的方法进行模拟与探讨。模拟中发现，结构尺寸主要影响到回流区，回流区越小，污泥在沉淀池中的停留时间越长，沉降效果越好，当挡板高度为0.5m ，且挡板水平距离为0.9m 时，可获得最佳的沉淀效果，而进水水深对沉淀效果则影响不大。
郭生昌等[6]通过模拟，研究了平流式沉淀池尺寸对其流场的
[收稿日期]2019-05-06
[作者简介]
蓝翊(1993-)，男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为污水处理。
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影响，发现池内速度分布不均匀将易导致离散作用，因此使得沉淀效果难以达到预期目标。此外，挡板后容易形成涡流区，其会使得沉淀池内有效容积减少，并导致停留时间缩短，并对沉淀效果产生影响。
蔡金傍等[7]在模拟中研究了挡板、进口流速、沉淀池长高比等因素对沉淀效果的影响，提出了挡板布
李微漪置及沉淀池尺寸比例的合理范围。为获得较好的运行状况，进水口水深与深沉池高度的比值hi/H应不少于0.3，而沉淀池的长高比L/H则应控制在8~12范围内。
郑迪[8]指出，根据模拟结果分析，在平流式沉淀池中加设挡板以缓解进水冲击的方案确实可行，并提出通过加设月牙形导流板以改善池态。随后在沉淀池模型实验中验证了加设月牙形导流板可以有效改善沉淀效果，从而预见月牙形导流板在实际工况中可取得的成效。
Ghawi A G等[9]提出，可使用消能进水管对进水挡板进行改造，并通过CFD模型模拟得出结论，当流速在0.2~1.6m3/m2h范围内，在使用消能进水管改造进水挡板后，沉淀性能有效提高。
刘佳[10]通过CFD模拟，发现对平流沉淀池内流入区和沉淀区前段的流速分布受入口流速影响较大，而沉淀区的其他部分和出水区受影响则较小，并建议在实际设计中，采用CFD模拟，出穿孔壁上水流速度小的区域，并通过安装导流挡板来最大程度地实现池内均匀布水。
3结论
在沉淀池的设计研究中，通过CFD模型模拟，可以有效地、准确地预测沉淀池内液体的流态。
在模拟过程中发现，主要影响沉淀效果的因素有：颗粒密度、颗粒尺寸、流速分布、悬浮固体湍流质量扩散、悬浮固体沉速分布、沉淀物由池底附近再悬浮等。而颗粒密度、颗粒尺寸、颗粒絮凝、分层
作用、水面风剪切力、固体湍流质量扩散、流体对絮体生成的影响、流体对絮体破坏的影响等因素尚未在CFD模型研究中涉及[11]。
通过CFD模型的模拟研究，发现挡板尺寸、挡板几何形状、挡板位置、周边堰板、出水槽、进口管道尺寸、侧壁深度、池底坡度等方面的条件改变可有效改善池内的运行工况。
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