CN112028199B - 降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法及所得絮凝池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法及所得絮凝池。在往复式絮凝池的廊道弯折处会发生回流和涡旋现象，极大地损耗了流体的动能。本发明如下：一、在廊道弯折处的流场中选取一条流线作为基线；在基线上按照流体流动方向依次取n个离散点P_i。二、分别经过n个离散点P_i作出基线的n条法线N_i；三、n条法线N_i上选取出若干个外壁特征点和内壁特征点。四、根据各外壁特征点B_i形成与廊道弯折处原外侧壁面相连的外侧优化壁面；根据各内壁特征点B′_i形成与廊道弯折处原内侧壁面相连的内侧优化壁面，完成廊道弯折处的形状优化。本发明降低了流体在弯折处的流动阻力和动能损耗。

Description

降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法及所得絮凝池

技术领域

本发明属于廊道优化技术领域，具体涉及一种降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法及所得絮凝池。

背景技术

絮凝是受到各地自来水厂广泛采用的去除水中杂质的技术，絮凝效果也直接影响成水水质。我国大部分水厂采用水力驱动絮凝池，其以自身的水头能量来驱动原水在渠道内流动和絮凝。往复式絮凝池因结构紧凑节省空间而被大量使用，但在传统往复式絮凝池的廊道弯折处往往引发流体回流和涡旋，造成大量动能损失，甚至其内部的剪切涡旋使得已经生成的絮凝体被再次切碎，极大影响絮凝效果。一种能改善此不利现象的手段成为水处理工业中的需求。

传统往复式絮凝池中具有许多如图1所示的廊道弯折，在絮凝池中远离廊道弯折处的两侧平壁的近壁面流体速度边界层基本稳定不变，直到靠近廊道弯折处时速度边界层开始变厚，继而流体在弯折处发生回流和涡旋现象。传统往复式絮凝池中的各个廊道弯折处会损失大量动能，不利于水头驱动的絮凝工作。可以通过在廊道弯折处顺着絮凝池中流体的速度边界层曲线设置曲形的廊道壁面，来改善弯折处的回流和涡旋现象，降低往复式絮凝池流动阻力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法及所得絮凝池，改善甚至消除传统往复式絮凝池的廊道弯折处的回流和涡旋现象，优化絮凝效果和絮凝技术。

本发明一种降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，具体步骤如下：

步骤一、通过模拟或试验的方式获取廊道弯折处的流场分布，并在廊道弯折处的流场中选取一条流线作为基线；在基线上按照流体流动方向依次取n个离散点P_i，i＝1,2,...,n。n≥20。

步骤二、分别经过n个离散点P_i作出基线的n条法线N_i；法线N_i与廊道弯折处的外侧壁面、内侧壁面的交点分别为点A_i、点A_i′。i＝1,2,...,n。

步骤三、n条法线N_i上选取出若干个外壁特征点和内壁特征点，具体如下：若线段P_iA_i与被优化的廊道弯折处外侧壁的速度边界层相交部分的长度h_i≥S，则在线段P_iA_i上选取外壁特征点B_i，且线段P_iB_i的长度等于0.8h_i～0.9h_i；若为线段P_iA_i′与被优化的廊道弯折处内侧壁的速度边界层相交部分的长度h_i′≥S，则在线段P_iA_i′上选取内壁特征点B_i′，且线段P_iB_i′的长度等于0.8h_i′～0.9h_i′；i＝1,2,...,n。其中，S为特征阈值。

步骤四、根据各外壁特征点B_i形成与廊道弯折处原外侧壁面相连的外侧优化壁面；根据各内壁特征点B_i′形成与廊道弯折处原内侧壁面相连的内侧优化壁面，完成廊道弯折处的形状优化。

作为优选，步骤一中，选取的基线经过被优化的廊道弯折处的最高流速区。

作为优选，步骤三中，所述的速度边界层包含粘性底层区、回流区和过渡区。

作为优选，步骤三中，特征阈值S的数值取1.2H～1.5H；H为远离弯折处的廊道直线段部分的速度边界层厚度。

作为优选，步骤四中，获取外侧优化壁面和内侧优化壁面的具体过程如下：首先，在廊道弯折处的外侧壁面上选取第一起始点和第一终止点；第一起始点位于第一个外壁特征点B_i靠近廊道弯折处入口的一侧；第一终止点位于最后一个外壁特征点B_i靠近廊道弯折处出口的一侧。选取被优化的廊道弯折处的隔板端点作为第二起始点，在被优化的廊道弯折处的内侧壁面出口选取第二终止点；第二终止点位于最后一个内壁特征点B_i′靠近廊道弯折处出口的一侧。然后，平滑地连接第一起始点、各外壁特征点B_i、第一终止点，形成外侧优化壁面；平滑地连接第二起始点、各内壁特征点B_i′、第二终止点，形成内侧优化壁面。

作为优选，获取往复式絮凝池所有廊道弯折处的外侧优化壁面和内侧优化壁面后，根据各个廊道弯折处对应的外侧优化壁面、内侧优化壁面的形状，制作廊道隔板；并将各廊道隔板安装到往复式絮凝池的各个廊道弯折处，得到了优化后的往复式絮凝池。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明在往复式絮凝池的流动廊道弯折处，顺着絮凝池中流体的速度边界层曲线设置曲形的絮凝池廊道壁面。在远离廊道弯折处的廊道两侧平壁的近壁面流体速度边界层基本稳定不变，直到靠近廊道弯折处时速度边界层开始变厚，在廊道弯折处顺着边界层曲线设置的曲形廊道壁面，柔顺地引导流体流动，使边界层变化更微弱和平缓，改善甚至消除弯折处的回流和涡旋现象，减少流体流动的动能损失，降低流动阻力。

2、本发明在往复式絮凝池中的每一个廊道弯折处都设置曲形的廊道壁面，可以对流道中的每一个弯折处的回流和涡旋区域做出改善。优化所得絮凝池的单个廊道弯折处，壁面摩擦系数峰值降低了近20％，压降下降了31％；在整个往复式絮凝池上看，带来的流动阻力降低效益将非常可观。

附图说明

图1是现有往复式絮凝池的一个廊道弯折处的局部流场示意图；

图2是本发明步骤2-1中确定基线的示意图；

图3是本发明步骤2-2中画法线取交点的示意图；

图4是本发明步骤2-2中其中一条线段P_iA_i上的速度分布曲线图，横坐标为到点A_i的距离，纵坐标为流速，根据该速度分布曲线图能够确定线段P_iA_i上的参数h_i；

图5是本发明步骤2-3中选取外壁特征点B_i和内壁特征点B_i′的示意图；

图6是本发明步骤2-3中形成外侧优化壁面、内侧优化壁面的示意图；

图7a是现有往复式絮凝池一个廊道弯折处的局部流场图；

图7b是本发明优化后的一个廊道弯折处的局部流场图；

图8是本发明优化前后絮凝池的一个廊道弯折处的壁面摩擦系数对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

一种降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，具体步骤如下：

步骤一、通过数值模拟的方式得到被优化的往复式絮凝池内的流场分布；该往复式絮凝池的一个廊道弯折处的局部流场如图2所示；图中，1-1是絮凝池廊道外壁面，1-2是流体速度等值线，1-4是絮凝池廊道内壁面。

步骤二、对往复式絮凝池中的每个廊道弯折处进行优化；构建一个廊道弯折处内侧优化壁面和外侧优化壁面的形状的过程如下：

2-1.如图2所示，在被优化的廊道弯折处的流场中选取一条流线作为基线1-3；基线经过被优化的廊道弯折处的最高流速区。在基线1-3上按照流体流动方向依次取n个离散点P_i，i＝1,2,...,n。n≥20。

2-2.分别经过n个离散点P_i作出基线1-3的n条法线N_i；法线N_i与廊道弯折处的外侧壁面、内侧壁面的交点分别为点A_i、点A_i′。若法线N_i与廊道弯折处的内侧壁面不相交，则没有点A_i′，不影响后续优化。廊道弯折处的外侧壁面呈U型，为廊道弯折处不与隔板相连的侧壁组成；廊道弯折处的内侧壁面为廊道弯折处的隔板两侧壁面，i＝1,2,...,n。

2-3.n条法线N_i上选取出若干个外壁特征点和内壁特征点，具体如下：

通过模拟或试验的方法获取流体在线段P_iA_i上的速度分布，如图3，根据速度曲线得到线段P_iA_i与外侧壁的速度边界层相交部分的长度h_i；若h_i≥S，则在线段P_iA_i上选取外壁特征点B_i(3-1)，且线段A_iB_i的长度等于0.8h_i～0.9h_i；获取流体在线段P_iA_i′上的速度分布，根据速度曲线得到线段P_iA_i′与外侧壁的速度边界层相交部分的长度h_i′；若h_i′≥S，则在线段P_iA_i′上选取内壁特征点B_i′(3-2)，且线段A_i′B_i′的长度等于0.8h_i′～0.9h_i′；i＝1,2,...,n。S为特征阈值，本实施例中S＝1.2H，式中H为远离弯折处的廊道直线段部分的速度边界层厚度。所得若干个外壁特征点和内壁特征点如图4所示。

2-4.如图5所示，在被优化的廊道弯折处的外侧壁面的入口选取第一起始点E，出口选取第一终止点F；第一起始点E位于第一个外壁特征点B_i靠近廊道弯折处入口的一侧；第一终止点F位于最后一个外壁特征点B_i靠近廊道弯折处出口的一侧。选取被优化的廊道弯折处的隔板端点作为第二起始点G，在被优化的廊道弯折处的内侧壁面出口选取第二终止点J；第二终止点J位于最后一个内壁特征点B_i′靠近廊道弯折处出口的一侧。

2-5.平滑地连接第一起始点E、各外壁特征点B_i、第一终止点F，形成外侧优化壁面2；平滑地连接第二起始点G、各内壁特征点B_i′、第二终止点J，形成内侧优化壁面3。以内侧优化壁面3、外侧优化壁面2作为被优化的廊道弯折处新的廊道内外壁面，从而显著降低被絮凝流体在廊道弯折处的动能损失。

步骤三、根据被优化的往复式絮凝池内各个廊道弯折处对应的外侧优化壁面、内侧优化壁面的形状，制作廊道隔板；并将各廊道隔板安装到往复式絮凝池的各个廊道弯折处，使廊道隔板与廊道平壁之间平滑连接，由此就得到了优化后的往复式絮凝池。优化后的往复式絮凝池有效消除了弯折处的回流和涡旋现象，从而降低了往复式絮凝池的动能损耗。

分别对优化前和优化后的絮凝池廊道的一个弯折处的流场进行数值模拟，絮凝池内流体流动的雷诺数同为5500，流线图如图7a和7b所示，其中图7a是优化前的廊道，图7b是优化后的廊道。在原絮凝池中，流体直接冲击垂直的廊道壁面，引起强烈的涡旋和回流，产生流动紊乱、剪切力加剧、阻力增加和能量耗散等诸多不利现象；本发明所得的优化絮凝池中，顺应于絮凝池流体流线和速度边界层的优化廊道壁面能很好的改善甚至消除弯折处的回流和涡旋现象，使流动变化更平缓，降低流动阻力和能量损耗。壁面摩擦系数反映了流动阻力的变化，图8显示了优化前后的絮凝池的一个廊道弯折处同一段壁面的壁面摩擦系数曲线，可以看出优化后的壁面摩擦系数在整体上都低于原絮凝池的，且峰值降低了近20％，说明本发明对絮凝池的流动阻力降低效果显著。通过对弯折廊道进出口的压降的计算，发现本发明优化所得的往复式絮凝池中单个弯折的压降下降了31％，说明了本发明对避免廊道弯折处能量损耗起到的显著技术效果。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：特征阈值S的数值取1.3H；H为被优化的往复式絮凝池廊道直线段部分的速度边界层厚度H。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：特征阈值S的数值取1.5H；H为被优化的往复式絮凝池廊道直线段部分的速度边界层厚度H。

Claims (7)

1.降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，其特征在于：步骤一、通过模拟或试验的方式获取廊道弯折处的流场分布，并在廊道弯折处的流场中选取一条流线作为基线；在基线上按照流体流动方向依次取n个离散点P_i，i＝1,2,...,n；n≥20；

步骤二、分别经过n个离散点P_i作出基线的n条法线N_i；法线N_i与廊道弯折处的外侧壁面、内侧壁面的交点分别为点A_i、点A′_i；i＝1,2,...,n；

步骤三、n条法线N_i上选取出若干个外壁特征点和内壁特征点，具体如下：若线段P_iA_i与被优化的廊道弯折处外侧壁的速度边界层相交部分的长度h_i≥S，则在线段P_iA_i上选取外壁特征点B_i，且线段P_iB_i的长度等于0.8h_i～0.9h_i；若为线段P_iA′_i与被优化的廊道弯折处内侧壁的速度边界层相交部分的长度h′_i≥S，则在线段P_iA′_i上选取内壁特征点B′_i，且线段P_iB′_i的长度等于0.8h′_i～0.9h′_i；i＝1,2,...,n；其中，S为特征阈值；

步骤四、根据各外壁特征点B_i形成与廊道弯折处原外侧壁面相连的外侧优化壁面；根据各内壁特征点B′_i形成与廊道弯折处原内侧壁面相连的内侧优化壁面，完成廊道弯折处的形状优化。

2.根据权利要求1所述的降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，其特征在于：步骤一中，选取的基线经过被优化的廊道弯折处的最高流速区。

3.根据权利要求1所述的降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，其特征在于：步骤三中，所述的速度边界层包含粘性底层区、回流区和过渡区。

4.根据权利要求1所述的降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，其特征在于：步骤三中，特征阈值S的数值取1.2H～1.5H；H为远离弯折处的廊道直线段部分的速度边界层厚度。

5.根据权利要求1所述的降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，其特征在于：步骤四中，获取外侧优化壁面和内侧优化壁面的具体过程如下：首先，在廊道弯折处的外侧壁面上选取第一起始点和第一终止点；第一起始点位于第一个外壁特征点B_i靠近廊道弯折处入口的一侧；第一终止点位于最后一个外壁特征点B_i靠近廊道弯折处出口的一侧；选取被优化的廊道弯折处的隔板端点作为第二起始点，在被优化的廊道弯折处的内侧壁面出口选取第二终止点；第二终止点位于最后一个内壁特征点B′_i靠近廊道弯折处出口的一侧；然后，平滑地连接第一起始点、各外壁特征点B_i、第一终止点，形成外侧优化壁面；平滑地连接第二起始点、各内壁特征点B′_i、第二终止点，形成内侧优化壁面。

6.根据权利要求1所述的降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法，其特征在于：获取往复式絮凝池所有廊道弯折处的外侧优化壁面和内侧优化壁面后，根据各个廊道弯折处对应的外侧优化壁面、内侧优化壁面的形状，制作廊道隔板；并将各廊道隔板安装到往复式絮凝池的各个廊道弯折处，得到了优化后的往复式絮凝池。

7.按照权利要求6所述的降低流动阻力的往复式絮凝池廊道优化方法获得的往复式絮凝池。

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