CN106964179B - 一种优化絮凝池絮凝效果的方法 - Google Patents

一种优化絮凝池絮凝效果的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种优化絮凝池絮凝效果的方法。现有技术没有明确提出在絮凝过程中，如何实现絮凝体尺度与湍流涡旋尺度的匹配。本发明采用的絮凝池，包括絮凝池体，絮凝池体被沉淀隔板和n块廊道隔板分割成n+1个廊道，廊道内设置有弧形叶片。首先用PIV设备得到最大絮凝体尺度，再通过大涡模拟得到最大涡尺度。根据最大絮凝体尺度与最大涡尺度比值，增大或减小各廊道内弧形叶片凹面的弦长及弧形叶片凹面的弦与廊道长度方向的夹角。本发明通过对比絮凝体尺度与涡尺度，优化絮凝池的絮凝效果，操作简单方便，且具有良好的效果。

Description

一种优化絮凝池絮凝效果的方法
技术领域
本发明属于絮凝技术领域，具体涉及一种优化絮凝池絮凝效果的方法。
背景技术
我国目前主要使用的絮凝设备以水力絮凝池为主，具有结构简单，维护方便，运行费用低等优点。但水力絮凝池无法做到根据实际运行工况对设备的水力流动状态进行调节。欧、美、日等国常采用多档变速机械搅拌，能够根据实际工况对搅拌机转速进行调节，可对絮凝水力条件进行干预。这不但需要较高的设备维护能力并消耗额外的较高能耗，而且对其内部的剪切涡旋难以做到精细调节，且其桨叶附近产生的较大的剪切力，易使得已经生成的较大的絮凝体被切碎。
湍流流动中，存在不同尺度与强度的涡旋，这些涡旋的形成需要消耗能量。能耗的大小与涡旋的大小、强度、数量有关。在绕流流动中，流体会生成与绕流物体尺度同一量级的涡旋，其后再破碎成多个强度较弱的小尺度涡旋，直到涡尺度小于科莫格洛夫尺度，耗散成热量。
湍流涡对絮凝过程的影响呈现两面性：一方面絮凝体的成长需要絮凝初期形成的絮凝核与原水中的胶体杂质增加碰撞的几率，这时候，此时如果水中存在着大量的湍流涡旋，随着湍流涡运动的絮凝核(体)的运动路径将得到极大增长，也大大增加了絮凝核(体)与胶体杂质的碰撞机率，促进了絮凝体的增长，促进絮凝过程，提高了絮凝效率。另一方面，随着絮凝体的长大，如果湍流涡旋的尺度如果小于或接近絮凝体尺度，其产生的剪切力有可能将絮凝体切碎，不利于絮凝后期的沉淀，特别是绕流物体附近产生的涡旋，其具有最大涡旋强度，如果其涡旋尺度小于絮凝体尺度，容易将絮凝体切碎，而其后破碎成的小尺度涡旋强度则开始锐减，对絮凝体的剪切破坏作用减弱。故而，需要尽可能将流过扰流物体产生湍流涡旋的尺度大于当地絮凝体的尺度。但过大的涡旋尺度的涡旋也会消耗较大的流动能量，絮凝体在理想的水力条件下，当地最强湍流涡的大小应大于当地的絮凝核(体)尺度，但不应该过大，否则会造成不必要的能量损耗。
根据申请人反复试验得出，同样的能耗下，在絮凝初期涡旋尺度为絮凝体最大尺度2倍左右的尺度时，絮凝效果最优，絮凝后期涡旋尺度为絮凝体最大尺度4倍左右的尺度时，絮凝效果最优。
尽管有关涡尺度的大小对絮凝体以及絮凝过程的影响，已经早有人提出，人们通过在絮凝池加装如绕流部件，以期达到促进絮凝的水力条件；专利号为“201510136846.2”所公开的《带弧形叶片涡旋发生器的絮凝池及其絮凝方法》中也提出了采用不同角度、不同大小叶片进行涡旋调节的手段，但都没有明确提出在实际絮凝过程中，如何实现絮凝体尺度与湍流涡旋尺度的匹配，缺乏明确的可操作的优化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化絮凝池絮凝效果的方法。
本发明采用的絮凝池，包括絮凝池体、弧形叶片、廊道隔板和沉淀隔板；絮凝池体设有入口和出口；所述的絮凝池体被沉淀隔板和n块廊道隔板分割成n+1个廊道和一个沉淀池，其中，16≤n≤30；廊道的宽度为500～2000mm。沿入口往出口方向上，从第二条廊道至第n条廊道的宽度从小到大，由入口往出口方向上第k条廊道的宽度为bk。相邻两块廊道隔板在不同侧开设通道口；沿入口往出口方向上，从第二条廊道至第n条廊道内均固定有m个弧形叶片组，10≤m≤20，m个弧形叶片组沿廊道长度方向上等距设置。同一弧形叶片组内的a片弧形叶片相互平行且沿廊道宽度方向等距设置，3≤a≤21，且a为奇数。弧形叶片呈长条形，其横截面呈弧形，弧形叶片凹面的半径为r，r≥0.2m。对m×(n-1)个弧形叶片组沿絮凝池体内水流方向进行编号。第i个弧形叶片组位于由入口往出口方向上的第k条廊道内，则第i个弧形叶片组内弧形叶片凹面的弦长为Xi＝3％×bk+0.5％×bk×k。第i个弧形叶片组内弧形叶片凹面的弦与廊道长度方向的夹角为θi，θi＝45°，i＝1,2,3,…,m×(n-1)。所有弧形叶片的凹面均朝向来流方向。每个弧形叶片组中均有一片弧形叶片位于所在廊道的中心面上。
在絮凝池体内选取m×(n-1)个采样点。每个采样点分别对应一片位于廊道中心面上的弧形叶片。m×(n-1)个采样点分别位于所在廊道的中心面上，且第k条廊道内的采样点与水面的距离为0.05bk。采样点位于对应弧形叶片的背流侧。对m×(n-1)个采样点沿絮凝池体内水流方向进行编号。第i个采样点与对应弧形叶片的间距为Xi。
本发明一种优化絮凝池絮凝效果的方法具体如下：
步骤一、将1赋值给i。
步骤二、从入口持续通入混有絮凝药剂的待絮凝原水。等待x分钟后，15≤x≤30，在第i个采样点采取一份水样。用粒子图像测速仪从三个相互垂直的方向上对所得水样进行拍摄，每个方向上拍摄s次，2≤s≤10，得到该水样的3×s张图片。以该水样所对应3×s张图片中絮凝体的最大尺寸，作为该水样的絮凝体尺度Mi。
步骤三、建立与步骤二所用絮凝池完全相同的几何模型。
步骤四、对步骤三所建模型进行数值模拟计算，得到第i个采样点在h时间内的瞬时速度曲线，h≥10s。
步骤五、对步骤四所得的瞬时速度曲线进行傅里叶变换，得到功率谱密度曲线。在该功率谱密度曲线中，最大纵坐标值所对应的横坐标为行能波数kini，则第i个采样点的最大涡尺寸为li，
步骤六、对比步骤二中所得的最大絮凝体尺度Mi与步骤五中所得的最大涡尺度li。若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值大于0.5，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi增大自身的e％，5≤e≤15，将θi减少f°，2≤f≤8，并重复步骤二、三、四和五；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值小于0.25，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi分别减小自身的e％，将θi增大f°，并重复步骤二、三、四和五；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值在0.25～0.5之间，进入步骤七。第c次执行步骤二、三、四和五时，c≥2，若第c次测得的最大絮凝体尺度小于或等于第c-1次测得的最大絮凝体尺度，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi及θi恢复到第c-1次执行步骤二、三、四和五时的状态，并进入步骤七。
步骤七、将i增大1，若i≤m×(n-1)，重复步骤二、三、四、五和六。否则，优化结束。
步骤四所述数值模拟计算的方法具体如下：首先使用网格划分软件对步骤三所建模型的内部进行网格划分，得到网格文件。再将网格文件导入计算流体力学软件，采用流体力学模型中的大涡模拟模型进行数值模拟。
步骤四所述的网格划分软件采用Pointwise或ICEM。
步骤四所述的计算流体力学软件采用Fluent或CFX。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过功率谱分析，得到最大涡尺寸，相比于试验的方式，操作更加便捷，且受到外界干扰更小，准确性更高。
2、本发明通过对比絮凝体尺度与涡尺度，优化絮凝池的絮凝效果。
附图说明
图1为本发明所用絮凝池的结构示意图；
图2为本发明所用絮凝池中弧形叶片的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种优化絮凝池絮凝效果的方法采用的絮凝池，包括絮凝池体1、弧形叶片2、廊道隔板3和沉淀隔板4；絮凝池体设有入口5和出口6；絮凝池体1被沉淀隔板4和二十二块廊道隔板3分割成二十三个廊道和一个沉淀池；廊道的宽度为500～2000mm。沿入口往出口方向上，从第二条廊道至第二十二条廊道的宽度从小到大，由入口往出口方向上第k条廊道的宽度为bk。相邻两块廊道隔板3在不同侧开设通道口；沿入口往出口方向上，从第二条廊道至第二十二条廊道内均固定有十三个弧形叶片组，十三个弧形叶片组沿廊道长度方向上等距设置，同一弧形叶片组内的五片弧形叶片相互平行且沿廊道宽度方向等距设置。弧形叶片呈长条形，其横截面呈弧形，弧形叶片凹面的半径为5m。对273个弧形叶片组沿絮凝池体1内水流方向进行编号。第i个弧形叶片组位于由入口往出口方向上的第k条廊道内，则第i个弧形叶片组内弧形叶片凹面的弦长为Xi＝3％×bk+0.5％×bk×k。第i个弧形叶片组内弧形叶片凹面的弦与廊道长度方向的夹角为θi，θi＝45°，i＝1,2,3,…,273。所有弧形叶片的凹面均朝向来流方向。每个弧形叶片组中均有一片弧形叶片位于所在廊道的中心面上。
絮凝池体1内选取273个采样点。每个采样点分别对应一片位于廊道中心面上的弧形叶片。273个采样点分别位于所在廊道的中心面上，且第k条廊道内的采样点与水面的距离为0.05bk。采样点位于对应弧形叶片的背流侧。对273个采样点沿絮凝池体1内水流方向进行编号。第i个采样点与对应弧形叶片的间距为Xi。
该优化絮凝池絮凝效果的方法具体如下：
步骤一、将1赋值给i。
步骤二、从入口持续通入混有絮凝药剂的待絮凝原水。等待二十五分钟后，在第i个采样点采取一份水样。用粒子图像测速仪从三个相互垂直的方向上对所得水样进行拍摄，每个方向上拍摄三次，得到该水样的九张图片。以该水样所对应九张图片中絮凝体的最大尺寸，作为该水样的絮凝体尺度Mi。
步骤三、建立与步骤二所用絮凝池完全相同的几何模型。
步骤四、使用网格划分软件对步骤三所建模型的内部进行网格划分，得到网格文件。再将网格文件导入计算流体力学软件，采用流体力学模型中的大涡模拟模型进行数值模拟，得到第i个采样点在十五秒内的瞬时速度曲线。
步骤五、对步骤四所得的瞬时速度曲线进行傅里叶变换，得到功率谱密度曲线。在该功率谱密度曲线中，最大纵坐标值所对应的横坐标为行能波数kini，则第i个采样点的最大涡尺寸为li，
步骤六、对比步骤二中所得的最大絮凝体尺度Mi与步骤五中所得的最大涡尺度li。若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值大于0.5，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi增大自身的10％，将θi减少5°，并重复步骤二、三、四和五；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值小于0.25，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi分别减小自身的10％，将θi增大5°；并重复步骤二、三、四和五；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值在0.25～0.5之间，进入下一步骤。第c次执行步骤二、三、四和五时，c≥2，若第c次测得的最大絮凝体尺度小于或等于第c-1次测得的最大絮凝体尺度，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi及θi恢复到第c-1次执行步骤二、三、四和五时的状态，并进入下一步骤。
步骤七、将i增大1，若i≤273，重复步骤二、三、四、五和六。否则，优化结束。
步骤四中的网格划分软件采用Pointwise或ICEM。
步骤四中的计算流体力学软件采用Fluent或CFX。

Claims (4)

1.一种优化絮凝池絮凝效果的方法，其特征在于：该方法采用的絮凝池包括絮凝池体、弧形叶片、廊道隔板和沉淀隔板；絮凝池体设有入口和出口；所述的絮凝池体被沉淀隔板和n块廊道隔板分割成n+1个廊道和一个沉淀池，其中，16≤n≤30；廊道的宽度为500～2000毫米；沿入口往出口方向上，从第二条廊道至第n条廊道的宽度从小到大，由入口往出口方向上第k条廊道的宽度为bk；相邻两块廊道隔板在不同侧开设通道口；沿入口往出口方向上，从第二条廊道至第n条廊道内均固定有m个弧形叶片组，10≤m≤20，m个弧形叶片组沿廊道长度方向上等距设置；同一弧形叶片组内的a片弧形叶片相互平行且沿廊道宽度方向等距设置，3≤a≤21，且a为奇数；弧形叶片呈长条形，其横截面呈弧形，弧形叶片凹面的半径为r，r≥0.2米；对m×(n-1)个弧形叶片组沿絮凝池体内水流方向进行编号；第i个弧形叶片组位于由入口往出口方向上的第k条廊道内，则第i个弧形叶片组内弧形叶片凹面的弦长为Xi＝3％×bk+0.5％×bk×k；第i个弧形叶片组内弧形叶片凹面的弦与廊道长度方向的夹角为θi，θi＝45°，i＝1,2,3,…,m×(n-1)；所有弧形叶片的凹面均朝向来流方向；每个弧形叶片组中均有一片弧形叶片位于所在廊道的中心面上；
在絮凝池体内选取m×(n-1)个采样点；每个采样点分别对应一片位于廊道中心面上的弧形叶片；m×(n-1)个采样点分别位于所在廊道的中心面上，且第k条廊道内的采样点与水面的距离为0.05bk；采样点位于对应弧形叶片的背流侧；对m×(n-1)个采样点沿絮凝池体内水流方向进行编号；第i个采样点与对应弧形叶片的间距为Xi；
该方法具体如下：
步骤一、将1赋值给i；
步骤二、从入口持续通入混有絮凝药剂的待絮凝原水；等待x分钟后，15≤x≤30，在第i个采样点采取一份水样；用粒子图像测速仪从三个相互垂直的方向上对所得水样进行拍摄，每个方向上拍摄s次，2≤s≤10，得到该水样的3×s张图片；以该水样所对应3×s张图片中絮凝体的最大尺寸，作为该水样的絮凝体尺度Mi；
步骤三、建立与步骤二所用絮凝池完全相同的几何模型；
步骤四、对步骤三所建模型进行数值模拟计算，得到第i个采样点在h时间内的瞬时速度曲线，h≥10s；
步骤五、对步骤四所得的瞬时速度曲线进行傅里叶变换，得到功率谱密度曲线；在该功率谱密度曲线中，最大纵坐标值所对应的横坐标为行能波数kini，则第i个采样点的最大涡尺寸为li，
步骤六、对比步骤二中所得的最大絮凝体尺度Mi与步骤五中所得的最大涡尺度li；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值大于0.5，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi增大自身的e％，5≤e≤15，将θi减少f°，2≤f≤8，并重复步骤二、三、四和五；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值小于0.25，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi分别减小自身的e％，将θi增大f°，并重复步骤二、三、四和五；若最大絮凝体尺度Mi与最大涡尺度li的比值在0.25～0.5之间，进入步骤七；第c次执行步骤二、三、四和五时，c≥2，若第c次测得的最大絮凝体尺度小于或等于第c-1次测得的最大絮凝体尺度，则将第i个弧形叶片组内所有弧形叶片凹面的弦长Xi及θi恢复到第c-1次执行步骤二、三、四和五时的状态，并进入步骤七；
步骤七、将i增大1，若i≤m×(n-1)，重复步骤二、三、四、五和六；否则，优化结束。
2.根据权利要求1所述的一种优化絮凝池絮凝效果的方法，其特征在于：步骤四所述数值模拟计算的方法具体如下：首先使用网格划分软件对步骤三所建模型的内部进行网格划分，得到网格文件；再将网格文件导入计算流体力学软件，采用流体力学模型中的大涡模拟模型进行数值模拟。
3.根据权利要求2所述的一种优化絮凝池絮凝效果的方法，其特征在于：步骤四所述的网格划分软件采用Pointwise或ICEM。
4.根据权利要求2所述的一种优化絮凝池絮凝效果的方法，其特征在于：步骤四所述的计算流体力学软件采用Fluent或CFX。
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