周进周出二沉池具有水力负荷高、沉降时间短及沉淀区容积利用率高等特点,在污水处理厂中应用越来越广泛^[1,2]。 本文所研究的周进周出矩形沉淀池如图1所示,沉淀池为矩形,进水渠和出水渠均为等深度、宽度均匀变化,一端封闭的直线状明渠。水流从进水渠始端流入,通过沿程配水孔进入沉淀区内沉降,最后溢流进入出水渠。国内外已有诸多学者对周进周出二沉池进行了相关研究。魏迅^[3]等对某污水处理厂的周进周出二沉池进行了水力性能测试,认为进出水渠、配水孔等参数的设计直接影响二沉池的效果;张立强^[4]、胡大锵^[5]等也对配水渠的相关参数设计进行了探讨。全荣^[6]对周进周出二沉池流态进行了数值模拟。

　　 然而,关于配水孔布置的设计方法目前并不明确。因此,本文根据某具体工程中的进水渠尺寸,以弗劳德数F_r为相似准则数进行换算,获得模型进水渠,同时,对沉淀池进行一定的简化,配合试验验证,采取数值计算的方式,寻找配水孔的最优布置方式。本次对配水孔布置方法的研究,填补了相关空白,对周进周出沉淀池的研究具有极其重要的指导意义。

　　 某具体工程中进水渠(以下简称为原型渠)尺寸为:进水端宽900 mm、远端宽500 mm,水渠总长79 850mm,进口端的水深约为1 150mm。

　　 考虑到进水规模、模型的加工、安装等因素,将原型渠缩小0.1倍。缩小后的模型尺寸为:进水端宽90mm、远端宽50mm,水渠总长约7 985mm(为保证进水口来流的均匀性及稳定性,在进水口前端以等截面的方式延伸1 m)。模型池中进水渠进口端的水深约为115mm。

　　 原型渠中孔径分别为:24×Φ77、25×Φ82、25×Φ85、24×Φ87。共计98个孔。每两个邻近的孔距离800mm。

　　 由于原型渠缩小0.1 倍,4 种孔径分别变为7.7mm、8.2mm、8.5mm及8.7mm,很难精确保证加工尺寸。 同时考虑到减少孔的加工量,将出水渠等分为10个相同的区间,每个区间对应2 个孔,孔的总数共计20 个,计算可得每个孔径为18mm。

　　 对于明渠流动,弗劳德数F_r是必须考虑的相似准则数,其计算见式(1)。

　　 式中V———特征速度,m/s;

　　 L———特征长度,m;

　　 g———重力加速度,m/s²。

　　 在水动力学中,重力加速度一般为常数,要使得弗劳德数恒定,则模型缩小n倍,流体流动速度就必须缩小sqrt(n)倍。

　　 本次试验设计中,模型缩小0.1 倍,则sqrt(0.1)=0.316。同时,横截面面积缩小0.01倍,因此,模型进水流量为原型的0.003 16倍。

　　 原型池进水规模:1~1.5 m³/s。则,模型池进水规模:0.003 16~0.004 74 m³/s,大约为11.4~17.1m³/h。

　　 试验管路系统主要包括:供水泵、供水管段、流量计、调节阀、软管、变径管、模型进水渠、连接软管、出水收集渠以及其他支撑件。

　　 按照其功能主要分为3个部分:供水系统(供水泵、供水管段、流量计、调节阀);模型进水渠;出水收集渠。如图2所示。

　　 以上3大组成部分之间的连接如下:

　　 (1)模型进水渠进水端与供水系统连接,通过调节阀调节流量,和流量计进行读数。

　　 (2)模型进水渠与出水收集渠各自具有20个配水孔,对应的配水孔之间通过软管连接。

　　 (3)出水收集渠被划分10个区间,每个区间包括2个配水孔,2个配水孔的流量最终汇集在一起通过各个区间上的唯一出水管流出。

　　 对模型渠及出水收集渠进行三维建模,考虑到明渠流动,需有效捕捉自由液面,将连接软管简化为等面积的方管后,进行全六面体结构网格划分。最终的三维模型及网格划分如图3所示。网格总数约为150万。

　　 本次数值计算采用两相流非定常数值计算,模型进水渠及出水收集渠顶部为自由进出口,设置为“opening”;进水渠进水端为速度进口“inlet”,出水收集渠的10 个出流管均设置为自由出流 “open-ing”,其余均为壁面。为加快收敛速度,初始化时将整个系统内充满水,在重力作用下,部分水很快被排出系统,并在进水的作用下,最终达到平衡。设置时间步长0.01s,当时间达到200s左右时,出口流量趋于稳定。

　　 对10个出水管流量进行统计,结果如图4 所示。横坐标为孔的标号,“1”靠近来流端,“10”为末端。纵坐标为各个孔的质量流量,单位为kg/s。从图4可以看出,两端的流量较大,而中间的流量较小。从数值结果的过程分析后发现,从进口端向中间部位发展,自由液面存在一定的下降;随后,自由液面又存在一定的上升,其主要原因为,液流将流动到末端的时候,由于末端为封闭段,液体速度逐渐减小为0,液体之间存在一定的滞止压力,导致末端液面的上升。

　　 开启供水泵,调节阀门至合适位置后,观察出水管水柱的稳定性,待稳定后,5组人员(每人负责两个)同时放入10个大小相同、带有刻度的水桶,每次接水时间约3min,该时间跨度已经足够长,能够忽略因放入和抽出水桶的微小时间差。图5为试验现场照片。

　　 图6给出了3min的出水情况,横坐标为桶标号,“1”靠近来流端,“10”为末端,纵坐标为水桶刻度标高。从图6中可以看出,出水管1~10的出水流量曲线与数值计算结果走势基本相同,均呈现出两头流量大,中间流量小的情况。

　　 在模型系统的基础上,以中间的两个孔距离最小,孔距向两端逐渐增加。本次优化了两种方案:第一种,相邻孔距等值增加,增加值为5mm;第二种,相邻孔距梯度增加,增加值依次为3 mm、4 mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm。依据两端孔至进口和出口距离合适为准则,计算出中间两个孔的孔距为355mm。两种方案孔距和各个孔中心至进口的距离如表1所示。

　　 采用与模型系统相同的网格策略和计算方法,当进口流量和出口流量相同并保持稳定的时候,认为计算收敛。两种方案的计算结果如图7所示。从图7中可以看出,方案1在后端有明显的上升趋势,方案2的分布趋势比方案1相对合理。

　　 (1)采用两相流非定常数值计算,能够较为准确的模拟周进周出矩形沉淀池中进水渠的流态和配水孔流量的分布规律。

　　 (2)由于进水渠坡降和滞止压力的作用,导致配水孔均匀布置条件下,出水流量分布出现两头大中间小的现象。

　　 (3)通过优化的出水孔距的方法能够较好的保证配水孔流量分布的均匀性。