流体力学在二沉池尺寸设计中的应用

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流体力学在二沉池尺寸设计中的应用


摘要：目前，我国市政系统建设正处于上升期，在建设的过程中遇到的问题也越来越多，所以理论研究的意义更加重大。通过对高等流体力学的学习，认识到了流体力学的理论在市政工程中的重要应用。本文简要介绍流体力学在二沉池中的一些应用。

关键词：流体力学  市政工程  二沉池

1 研究现状
随着社会的发展，工业化程度的进步，生态环境遭受到了严重的破坏，尤其是水资源问题，非常突出，亟待解决。我国城市缺水非常严重，从而导致水资源供需矛盾日益突出，而工业化的快速发展使水污染程度更加严重。因此，废水处理及其资源化工程已成为治理水污染缓解水资源紧张和环境保护的重要措施。
沉淀池是应用沉淀作用去除水中悬浮物的一种构筑物。沉淀池在废水处理中广为使用。它的型式很多，按池内水流方向可分为平流式、竖流式和辐流式三种。二沉池即二次沉淀池，是活性污泥系统的重要组成部分，其作用主要是使污泥分离，使混合液澄清、浓缩和回流活性污泥。其工作效果能够直接影响活性污泥系统的出水水质和回流污泥浓度。原则上，用于初次沉淀池的平流式沉淀池，辐流式沉淀池和竖流式沉淀池都可以作为二次沉淀池使用。大中型污水处理厂多采用机械吸泥的圆形辐流式沉淀池，中型也有采用多斗平流沉淀池的，小型多采用竖流式。二沉池是水处理工程中必不可缺的构筑物之一，其处理效率直接影响二级处理的出水水质。
随着科技的发展，如何使二沉池的各部分尺寸的设计更加优化，以提高工作效率，是一项值得研究的新课题。目前，对二沉池的设计主要是基于理想沉淀池的假设，由此确定的二沉池尺寸有很大的经验性、主观性和任意性，因此有必要对沉淀池内的流态和悬浮物浓度分布进行研究，从而比较精确地确定沉淀池的尺寸和沉淀效率。
Hazen在1904年的模型研究中引入了溢流速率概念，是沉淀池设计中的主要准则。Hazen的理论表明，水力停留时间应等于颗粒从沉淀池顶部下降到底部所需的时间，基于此，若池中颗粒沉降速率高于设计速率，这些颗粒就将被出去。但此理论只适用于较大的沉砂池和初级沉淀池。
在九十年代初期出现了一些重要的二维沉淀池模型。Krebs借助计算流体力学软件PHOENICS建立了稳态情况下矩形沉淀池的速度场和体积分数场模型。
随着时间的推进，人们通过一些实用模型来模拟现有沉淀池，并分析沉淀池设计中遇到的实际问题。近年来，计算流体力学商业软件已经在许多领域广泛应用，在市政工程的设计研究中也起到了重要作用。

2 方法
流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。
流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。流体力学在工程中的应用十分广泛。如：研究大气和海洋运动可以做好天气与海情预报；研究飞机，导弹，舰艇，鱼雷等的运动，可以了解它们的空气和水动力性能，以便获得阻力小，稳定性高的最佳物体外形；研究河流，渠道和各种管路系统内的流动，可以掌握它们的运动规律，特别税它们与各种界壁之间的作用力，以便获得耗能少，安全性高的工程设计。近数十年来，流体力学与相邻学科相结合，发展了许多新的交叉分支学科，大大充实了流体力学的研究内容和扩大了它的研究和应用领域。
计算流体力学或计算流体动力学，英文Computational Fluid Dynamics，简称CFD,是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支。
计算流体力学是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域，板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。
FLUENT软件由美国FLUENT Inc.于1983年推出，基于CFD原理的商用软件FLUENT可对城市污水处理厂的二沉池进行模拟，是描述二沉池中流态及固相颗粒行为和分布的有效工具。
如今，计算流体力学和计算机技术的飞速发展，可以用数值模型模拟水流在沉淀池内的流动情况以及悬浮物在池内的浓度分布，并由此得到水流在沉淀池内的流速分布、悬浮物去除率、停留时间分布，进而优化沉淀池结构，为沉淀池的设计和运行管理提供依据。流体力学和其他学科一样，是通过理论分析和实验研究两种手段发展起来的。很早就已有理论流体力学和实验流体力学两大分支。理论分析是用数学方法求出问题的定量结果。但能用这种方法求出结果的问题毕竟是少数，计算流体力学正是为弥补分析方法的不足而发展起来的。

3存在的问题
目前，我国对二沉池的研究相对于国外而言还比较少，研究方法也相对比较落后。从文献资料中可知，我国对沉淀池内部流场的研究主要是通过假设，简化为二维模型，很少进行深入的研究，所以这方面的研究成果相对比较少。而对沉淀池内部浓度场的研究就更少了。所以，如果我们可以利用流体力学的知识，将沉淀池内部的速度场与浓度场结合起来，看做一个整体，进行系统的研究，以此来进行二沉池的各部分尺寸的设计，使之更加优化。这也许会成为一个能够创新的课题。

4 总结
流体力学发展至今经历了两千多年的历史，已发展成为基础科学体系的一部分，在工业，农业，医学，天文学等各个领域都有广泛的应用。今天，人们不仅在深入展开理论基础研究以探索更加复杂的流体运动的规律和机理，还根据工程技术方面的需求对酒体力学惊醒了应用性的研究，如计算流体力学就是是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计等诸多工程领域。
流体的许多性质都应用在市政工程中，不论是高层给排水还是水处理构筑物的设计，都要运用到流体力学的知识，所以作为一名市政专业的学生，对流体力学的学习是十分重要的。


参考文献
1张明星，杨丽丽，王晓玲.计算流体力学（CFD）在二沉池优化设计中的应用.中国给水排水, 2006年11月
2 胡海涛，王慧珍.状态点分析法用于污水厂二沉池优化运行的研究, 北京建筑工程学院.
3肖尧，施汉昌，范茏.基于计算流体力学的辐流式二沉池数值模拟, 中国给水排水, 2006年10月
4周光炯，严宗毅，许世雄，章克本. 流体力学(第2版)(上下册)，高等教育出版社
5吴望一.流体力学（上下册），北京大学出版社


学院：土木工程学院
专业：市政工程
姓名：李艾莉
学号：122081403001