混凝涡旋水动力学的数值模拟与试验研究

1.3 拟采取的研究方案及可行性分析

1.3.1、课题分解及其具体实施方案

A、原有水力混合设备的数值模拟以及试验研究

以我国水处理行业常用的SK型静态混合器为研究对象（具体实例为：萧山水务集团公司水处理三厂的SK静态混合器，见图1）进行数值模拟，并将模拟结果与试验结果相印证，以确保计算模型的准确性。采用大涡模拟的数值模拟方法，其滤波函数采用高斯（Gauss）滤波函数，亚格子模型采用混合动力模式，对内部流动中的小尺度涡旋进行直接模拟。

混合试验拟采用NaCl高浓度溶液与水混合，在出口不同位置取样，以铬酸钾做为指示剂，采用硝酸银做为滴定剂，滴定法测试其浓度以及混合度，得出不同流动速率下的混合效果。

B、新型可调式水力旋流混凝管的混合段与絮凝段的数值模拟

对可调式水力旋流混凝管的混合段与絮凝段分别进行建模与数值模拟，确定其最优结构参数（叶片大小、形状、数量、相对距离L/D以及加药口位置）。

将混合段的数值模拟结果与原静态混合器结果相对照，确保该设备混合段的混合效果，特别是要确保在低流量情况下混合优于原有的SK静态混合设备。同时，对旋流强度、不同尺度的涡旋强度、涡旋雷诺数，欧拉数、流动阻力，湍动度等参数场对模拟所得的混合浓度场及其均匀性的影响进行分析。

在絮凝段，对不同流量情况下，不同尺寸以及不同旋转角度叶片的涡旋发生器进行大涡模拟，观察涡旋产生的大小尺度以及涡旋强度。寻找叶片尺寸以及旋转角度与之相关规律。确定可调涡旋发生器的最佳叶片数量、大小和形状。建立旋流叶片的涡旋控制理论。

C、新型可调式水力旋流混凝管的试制和混合段与絮凝段的试验研究

根据数值试验结果，对可调式水力旋流混凝管的混合段与絮凝段进行机械结构设计以及图纸绘制，再进行模化试验设备试制。依托本实验室所建设的综合水力试验台架，搭建专门的试验台，在试验室分别进行混合段与絮凝段试验。絮凝试验是通过对浊度的测试，检测其对强化絮凝反应的效果，并得出不同流量、不同负荷情况下的叶片最优旋转角度。

将数值模拟所得到的旋流强度，不同尺度的涡旋强度、涡旋雷诺数，欧拉数，湍动度，流动阻力、G值以及混合浓度等流动参数场与试验得到的混合段的混合

效果以及絮凝段的絮凝效果对应比较，找出它们对混合以及絮凝的影响规律，对诸多研究者提出的设想进行验证与修正，并进一步揭示混凝动力学中与水动力学条件相关的碰撞机理。揭示和完善涡旋水动力学理论。同时，再根据其结果，对研制的新型可调水力旋流混凝设备进行优化。

D、新型可调式水力旋流混凝管的工业定型，及其型号的系列化、标准化工作

试制应用于工业生产尺寸的可调式水力旋流混凝管。并对其进行工业试验。再根据试验结果再进行可能的改进，取得良好效果后，进行产品定型以及工业化标准系列设计，建立设备的设计与运行理论。 1.3.2 技术路线

具体的研究技术路线及简要内容见图8。

图8、技术路线图

1.3.3 试验手段

1.3.3.1 实验室试验内容以及手段（混合试验与絮凝试验）

据数值试验结果，对可调式水力旋流混凝管的混合段与絮凝段进行机械结构设计以及图纸绘制，再进行模化试验设备试制。试验在本实验室所搭建的大型综合水力试验台架的水洞段进行，见图7。该段用于安装试制的可调水力混凝管的试验模型，并在其进出口截面位置分别布置加药管以及取样口。分别进行混合段与絮凝段试验。混合试验拟采用NaCl高浓度溶液与水混合，在水洞出口截面不

同位置取样，以铬酸钾做为指示剂，采用硝酸银做为滴定剂，滴定法测试其浓度以及混合度，得出不同流动速率下的混合效果，并与数值结果相比较，验证数值模拟的可靠性。絮凝试验是通过对浊度的测试，检测其对强化絮凝反应的效果，并得出不同流量、不同负荷情况下的叶片最优旋转角度。

在混合试验中，由于整个扩散时间由宏观混合指导，欧拉准则数Eu是运动相似的唯一判定准则数，故而采用欧拉准则数对混合试验段进行模化，缩小其尺寸。在絮凝试验中，由于流动中的剪切力以及惯性力以及在絮凝过程中起着重要作用，故而采用弗雷德数Fr对絮凝段试验段进行模化，试验过程中，对不同工况条件下的出口浊度进行测量，以监测絮凝效果的优劣。 1.3.3.2 工业试验

对原SK型静态混合器和新型可调水力旋流混凝管样机进行工业试验，在相同工况条件下，对使用不同设备时的出口浊度进行测量，确保新设备的使用效果优于原有设备，并根据数值模拟以及实验室的试验结果得出的结论为指导依据，在不同工况条件下，对新设备进行调节，确保其达到最佳工作点，并对混凝涡旋水动力学进行进一步的验证。 1.3.4 关键技术

采用试验与数值模拟相结合的研究手段，其中数值模拟采用大涡模拟的方法模拟水流和药剂在管道混凝设备内的流动与混合，从亚微观尺度上进行研究，得到流场内的旋流强度，不同尺度的涡旋强度、湍动度等对混凝过程有重要影响的参数场对涡旋产生及其变化的影响，。并与试验数据进行对照，进一步揭示处于湍流流动的混凝过程中涡旋水动力学机理，及其对混凝过程的影响。

利用流体流经不同形状、大小的旋流叶片的水流不但能迅速改变水流方向与时平均速度并产生强扰动，而且能够产生大量有序可控的涡旋这一水动力学机理，为混凝过程中的药剂混合与微小絮凝体有效碰撞的增加创造良好的条件，研制一种新型管式可调水力旋流混凝设备。并在此基础上，通过试验与数值模拟手段，对涡旋大小、强度与各结构参数、运行参数的关系进行研究，建立相关设备的涡旋控制理论，以及设备的设计与运行理论。

1.4 本项目的特色与创新之处

1.4.1 主要创新点

(a)通过大涡模拟，对流场内的包括旋流强度、不同尺度的涡旋强度以及湍动度等难以进行试验测量，但又对混凝过程起着重要影响的参数场进行数值模拟，从亚微观角度对混凝水动力学条件进行研究，并与试验结果相对应比较，揭示混凝过程中受涡旋水动力学影响的混合与碰撞机理，验证与完善混凝涡旋水动力学机理。

(b)利用实验室搭建的大型综合水力试验台架为基础，建立流动条件符合工业实际的混合与絮凝试验平台，提高试验数据的可靠性。

(c)充分利用流过不同尺寸以及角度的旋流叶片的水流产生不同强度的旋流以及不同尺寸和强度的涡旋这一水动力学原理，以及它们对混合、絮凝的有利影响，研制一种旋流以及涡旋的强度大小可控的可调水力旋流混凝设备。同时揭示水流流经叶片时，涡旋的产生及其控制机理。再根据其结果对研制的新型可调水力旋流混凝设备进行优化。完善其产品设计与运行理论。

(d)新研制的可调水力旋流混凝管可根据用水负荷及其参数要求的变化、原水水质的变化、絮凝剂种类及其用量的变化进行调节，达到最优水力旋流混凝条件，并为后期絮凝沉淀创造良好的条件。同时，由于其可调节性，对于类似太湖蓝藻这一类的突发性水质恶化，可迅速做出反应，有着良好的应急性，有力保障了我国用水安全，提高了公用水处理系统的可靠性。通过这种新型可调水力旋流混凝设备对混合以及絮凝的强化，使得后续的絮凝沉淀进行得更充分、迅速，以提高水厂的处理能力和出水品质。该设备没有机械搅拌混合设施中较复杂的转动部件，故而结构简单，可靠性高，维护简便，也无须额外输入功率。且应用范围广阔既可用于民用与工业给水的处理，又可用于生活污水与工业废水的资源化无害处理。

1.5 年度研究计划及预期研究结果

1.5.1 计划进度安排

2010.01.01－2010.06.30对原有管内水力混合设备（SK形静态混合器）的大涡模拟，并进行相关试验研究。

2010.07.01－2010.12.31对设想的新型可调式水力旋流混凝管的混合段进行大涡模拟与相关实验研究，并根据结果进行形状与结构的优化改进。

2011.01.01－2011.06.30 对设想的新型可调式水力旋流混凝管的絮凝段进行