1 引言
氧化沟是活性污泥法的一种改良技术，结构简单，依靠表面曝气机械和水下推动装置对混合液进行充氧、搅拌和推流(Rittmann and McCarty， 2004)，混合液在沟道中不断循环流动的过程中完成有机物的去除和脱氮除磷，具有污染物去除率高、出水水质好、运行工况稳定等优点，已成为国内外城镇污水处理厂的主选工艺之一. 实际上，氧化沟的上述性能与其独特的流场特性密切相关(许丹宇等，2010).随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术的快速发展，已有许多学者将其用于氧化沟水力学特性模拟与优化研究，并取得了一定的进展.陈志澜和杨人卫通过流场数值模拟指出导流墙偏置距的合理布设可优化氧化沟工艺的沟道流场分布，并可有效防止反应器内污泥淤积，同时提供了合理的偏置距参数.Yang等(2010)借助滑移壁面模型仿真了氧化沟工艺内部沟道的流场分布，并指出滑移壁面模型可有效定义转碟的水力学行为.陈威和柳溪(2011)则以氧化沟中导流墙的长度、偏置距和半径为研究对象，借助CFD技术确定了各结构参数的最优取值范围.刘玉玲等基于计算流体力学理论与工具提出了一种新型结构形式的导流墙，并指出其可有效减小氧化沟隔墙背后回流区的范围.梁延鹏等采用三维紊流模型对氧化沟进行了数值模拟，发现增加墙体光滑度和导流墙的曲率半径可改善氧化沟的水力特征.Chen等基于CFD数值方法构建了氧化沟的固液、气液两相流模型，对传统氧化沟的水力学优化提供有效工具.
然而，传统的氧化沟工艺仍存在占地面积大、能耗高等问题.为此，国内有刘俊新和夏世斌(2002)率先提出了一种新型的立体循环一体化氧化沟(Integrated Oxidation Ditch with Vertical Circle，简称IODVC).与传统氧化沟的平面循环结构不同，IODVC为上下沟道的立体循环结构形式，并与固液分离器一体化，实现沉淀污泥自动回流，因此具有占地面积小、能耗低等特点(Xia and Liu， 2004).IODVC的立体循环结构使其流场特性与传统氧化沟的流场特性有所不同，为其进一步的优化设计与工艺放大，有必要开展基于CFD的IODVC工艺流场模拟与结构优化研究.
由前期研究可知，加装导流板可以提高IODVC沟道内混合液整体流速，改善下沟道靠近隔板处混合液的流态分布，但有关导流板的结构形式对IODVC流场的影响尚缺乏深入的研究.为此，本文利用CFD理论与技术，借助Fluent软件平台对IODVC进行二维流场模拟，探究加装双导流板及延长导流板末端长度对IODVC内部流场的影响.
2 数值模型的建立
2.1 计算域及网格划分
运用Fluent前处理软件GAMBIT根据实验中IODVC建立1 ∶ 1数学模型，单导流板IODVC结构示意图和几何模型如图 1和图 2A所示.装置沟长7 m，沟深1.5 m，有效水深1.4 m;隔板安装高度0.7 m.曝气转刷1个，共12枚叶片，每片直径0.4 m，叶片浸没深度0.12 m，工作转速为30 r · min-1.底部推流器1个，叶片直径0.2 m，安装高度0.1 m.曝气转刷及底部推流器电机功率均为0.75 kW.半圆形导流板半径0.34 m.设置A-A、B-B断面分别作为两侧弯道出口流速监测断面.加装双导流板及延长其末端的IODVC几何模型如图 2B和图 2C所示，在弯道两侧 各加装一道半圆形导流板，半径为130 mm，圆心位置不变;并以双导流板半径大小的50%为基准，10%为递增单元，依次增加导流板末端的长度至其半径的130%，然后进行后续建模与结果分析.IODVC模型中流体所在部分为数值模拟的计算范围，转刷叶片只取浸入混合液中部分纳入计算域.此外，本文采用单相流模型模拟混合液在IODVC内流动行为.
图1 IODVC结构示意图
图2 IODVC几何模型(A. 单导流板; B. 双导流板; C. 延长双导流板)
有关网格划分，许丹宇等(2007)研究认为在氧化沟的不同计算域上应该采用不同类型和密度的网格.本文采用非结构化三角形网格对IODVC不同区域进行了不同密度的网格划分.其中，转刷转动区域内流场变化较为剧烈，采用Interval Size=4 mm的非结构化三角形网格，静止区域采用分块网格划分方式，在包络转刷转动的区域进行适当加密，采用Interval Size=8 mm的非结构化三角形网格，推流器附近区域采用Interval Size=5 mm的非结构化三角形网格，其余静止区域采用Interval Size=10 mm的非结构化三角形网格，全尺度IODVC网格划分在精度意义上满足计算和实际要求.
2.2 湍流模型
在氧化沟数值模拟中应用较多的湍流模型有k-ε双方程模型和Reynolds应力模型，其中
k-ε双方程模型有3种，分别是标准k-ε模型，RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型.根据4种湍流模型各自的应用特点，以及前期对IODVC采用不同湍流模型与实验的对比，本文选择RNG k-ε模型进行数值模拟.
2.3 边界条件
IODVC入口边界根据质量守恒定律和无旋假设，假定流速、湍动能k以及耗散率ε在入口截面上均匀分布.出口边界采用压力出口边界，出口压力设置为当前一个大气压水平.自由液面采用刚盖假定，液面近似为水平面，不考虑液面的波动，压强为标准大气压强值，液面垂向流速为零，其它变量的法向梯度为零.底面和壁面使用Launder和Spalding(1974)提议的标准壁面函数，垂向壁面的水平流速的法向梯度为零，底部壁面的垂向流速的法向梯度为零，满足壁面质量通量为零的条件.曝气转刷采用多重参考系模型，在转刷叶片半径范围内的流体区域建立独立的旋转参考系并定义转轴原点、旋转方向和转速，叶片与该转动区域内流体的相对速度为零，转动和静止区域重合的两个边界设置为interface.推流器借助风扇模型，定义为无限薄的理想推流器，主要作用是使流体获得轴向速度，对其引起的混合液旋转运动不作考虑.
2.4 离散方法和求解算法
对控制方程组的离散方法采用有限体积法，差分格式采用二阶迎风.求解方法采用Fluent提供的压力基隐式算法对IODVC流场进行稳态模拟，压力-速度耦合方法采用SIMPLE算法.计算中考虑重力影响，重力加速度设置为9.81 m · s-2.收敛标准设置为所有方程的残差绝对值小于10-4.
3 数值模拟结果与分析
3.1 单导流板IODVC流场模拟与问题分析
在氧化沟工艺中，为了获得良好的混合和处理效果，氧化沟中混合液体循环流动的最小流速应该是0.15 m · s-1，而为了防止沟道中污泥的沉积，则沟道中混合液平均流速应该大于0.25 m · s-1(De Clercq et al.，1999).本文借助FLUENT对IODVC进行全沟道模拟后，利用后处理模块将IODVC计算域划分为4个不同流速大小的区域(<0.05、0.05~0.15、0.15~0.25、>0.25 m · s-1)，进而统计各区域比例，得到单导流板IODVC的沟道中混合液的流速分布图(图 3).由图可见，混合液流速小于0.15 m · s-1的区域占总计算域的比例较高，达到41.53%，而相应流速大于0.25 m · s-1的区域占比较低，约为总计算域的32%.由此可见，在此流速分布情况下IODVC沟道内部混合液的整体混合效果不理想，低流速区域的大范围存在可能导致活性污泥的沉降和淤积，从而影响IODVC反应器的处理效果.图 4是单导流板IODVC的速度分布云图.由图可见，在IODVC两侧导流板的凹凸侧、左侧弯道出口处(隔板左侧上方)以及下沟道的上部区域(隔板下方)存在大范围的低速区，这是由于弯道出口处的混合液会由于惯性作用有向外扩散的趋势所致.
图3 单导流板时IODVC速度分布图
图4 单导流板时速度分布云图(m · s-1)
由于IODVC采用上下沟道的结构设置，虽然导流板凹凸侧及下沟道的污泥沉降到底部会被高速循环的混合液冲击而不发生淤积，但大范围的低速区势必会造成回流现象，导致混合液逆向流动而造成动力消耗.为此，本文尝试通过加装双导流板及延长导流板末端长度来解决上述问题.
3.2 加装双导流板对IODVC流场的优化研究
双导流板的流场速度分布结果如图 5所示.对比图 3可知，双导流板使IODVC沟道中混合液低流速区域占比明显下降，相应高流速区域占比有较大幅度提高，其中混合液流速小于0.15 m · s-1的区域占比由41.53%下降至34%，流速大于0.25 m · s-1的区域占比由32%增加至41.5%，IODVC沟道中整体混合效果明显改善.通过图 6(双导流板IODVC速度分布云图)和图 4对比可知，双导流板可以有效提高下沟道特别是靠近隔板下方处混合液的流速，使下沟道内混合液流速分布更加均匀，减小了此处回流区范围，而且导流板凹凸两侧的低速区域较单导流板有明显改善，特别是在右侧导流板凹凸两侧处，由于高速液流的冲击，使IODVC弯道断面的流速分布更加均匀，混合液在上下沟道的过渡更加平稳，有利于整体流场的稳定.此外，在左侧弯道出口处(隔板左侧上方)，由于双导流板的存在，回流区几乎全部消失.由此可见，双导流板减小了凹侧流道的宽度，改变了弯道处的流场特性，加剧了水流的紊流程度，增大了流速.
图5 双导流板时IODVC速度分布图
图6 双导流板的速度分布云图(m · s-1)
3.3 延长导流板末端长度对IODVC流场的优化研究
图 7是导流板末端不同长度时混合液流速大于0.25 m · s-1的区域占比.由图可见，当导流板末端延长至导流板半径的50%~100%时，沟道中混合液流速大于0.25 m · s-1的区域占比随导流板长度增加而增大;继续增加导流板长度，则占比呈减小趋势.其中，当导流板延长的长度等于导流板半径时，流速大于0.25 m · s-1的区域占比达到最大44.21%.图 8为导流板末端延长的长度等于导流板半径时的IODVC速度分布云图.由图可见，当导流板末端延长时，下沟道上部(隔板下方)及右侧弯道出口处的混合液流速较不延长(图 6)时有所提高，低速区范围明显缩减.可见，导流板末端延长的长度等于导流板半径时，IODVC内部流场更加趋于均匀，相应结构的优化更加趋于完善.
图7 导流板不同延长长度时流速>0.25 m · s-1 区域占比
图8 导流板延长长度等于导流板半径速度分布云图(m · s-1)
在上述研究基础之上，进一步分析单导流板、双导流板和延长导流板(其长度等于导流板半径)等3种结构情况下弯道出口A-A、B-B断面流速分布，其结果见图 9.由图 9A可知，与单导流板相比，双导流板的断面流速分布更加均匀，在垂向坐标0.7~0.88 m范围内，流速明显升高，流速最大达到0.2 m · s-1，可有效防止此处形成回流;而延长导流板可使流速进一步提高.随着垂向坐标继续增加，双导流板及延长导流板的流速分布均接近直线上升趋势，其中在垂向坐标1.05 m附近，延长导流板使流速曲线有所波动，可能是导流板的末端和所取断面A-A比较靠近所致.由图 9B可知，在垂向坐标0~0.35 m范围内，三者流速分布相似，但在垂向坐标0.35~0.7 m范围内，对比3条曲线可知，双导流板和延长导流板可使此区域流速均值保持在0.15 m · s-1以上，整个断面流速分布优于单导流板的情况.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
图9 监测断面速度分布(a. A-A断面;b. B-B断面)
由此可见，双导流板可改变弯道宽度的比例分布，从而减小了弯道水力半径，显著加强了对弯道处混合液的导控作用，而且延长导流板可进一步加强导控，使弯道出口处流场向内侧收拢，从而达到提高区域流速及使流场分布更加均匀的目的，有利于IODVC沟道中混合液达到良好的混合效果.
4 结论
1)模拟结果表明，在IODVC的弯道处加装双导流板可使混合液高流速区域占比增加9.5%，特别是改善了弯道断面和弯道出口断面的混合液流态，从而有效减小此处回流区范围，有利于断面流速的均布.
2)将导流板末端适当延长可以进一步加强对水流的导控作用，使弯道出口断面的混合液流态向内侧收拢，提高了隔板附近区域混合液流速，降低了此处形成回流区的可能性.当导流板延长的长度等于导流板的半径时效果最佳.
