带导流壳的污水处理搅拌机流动分析与试验

摘要：鉴于目前我国国内污水处理搅拌机研究领域存在的空白，本文利用计算机流体学软件，通过模拟带导流壳污水处理搅拌机污水处理池的流体数值，分析了搅拌池内流体的流场状况，并对污水处理池内不同位置流体的流速进行了测量，再利用excel软件将测量的数据绘制成“流速分布图”，以分析搅拌池内流体流场和流速的分布状况与变化规律。

关键词：污水处理搅拌机；流动试验；流场；流速中图分类号：U664.9+2文献标识码：A

污水处理搅拌机是处理污水的设备，主要用于各种城市污水、工业污水以及农业污水等的处理，也可用于农村厌氧池和曝气池的污水处理。污水处理搅拌机的作用主要是通过分段和分格的处理方式来改善水体水质，提高水体中氧的传递效率，并进行水力循环。按照污水处理搅拌机目前的功能应用可以将市面上的污水处理搅拌机大致分为混合搅拌用搅拌机和水力循环用搅拌机，以混合搅拌作用为主的搅拌机的特点是叶轮小、转速高；而以水力循环作用为主的搅拌机的特点则是叶轮大、转速相对要低。考虑到目前国内对于污水处理搅拌机研究领域的空白，搅拌池内流场的分布和变化、搅拌机服务面积的大小这些方面的理论空缺，我们通过利用计算机流体力学软件对污水处理搅拌机内部规律进行了数值模拟，并对污水池内不同位置进行了流体流速的测量，通过模拟和试验的数值比较，得出了污水处理搅拌机搅拌池内流体的分布状况和流速规律。

1搅拌机的结构参数

本次研究使用的是带导流壳的三叶片污水处理搅拌机，搅拌机的动力来自于一部4kw的电动机，转速为n=980r/min，叶片直径为380mm，轮彀直径为190mm。搅拌机安装在长宽高分别为7m、3m、2.4m的污水池侧壁中间，距离池底1m，并按照图3所示的方式来安装，采用这种安装方式可以快速进行安装和拆卸，而无需等待池内污水排空，安全方便，还可以调节水平和垂直方向的角度。图1和图2分别是带导流壳的叶轮水力结构参数图和试验污水池的空间示意图：

2建立数学模型

2.1建立三维模型

我们利用计算机三维软件建立了污水处理搅拌机叶轮以及污水池的三维模型，考虑到污水池内流体流动的复杂性，我们还对污水池的模型进行了网格划分，如图4和图5所示：

2.2模拟条件

模拟数值使用水池表面作为大气压力壁面边界条件，搅拌轴、叶片以及池壁边界条件而无滑移壁面，设置好相应的搅拌轴搅拌叶转速条件，为了确保计算时内外子域的耦合，将内外子域接触面设为interface类型。计算使用了流体计算软件Fluent，方程离散采用有限体积法和simple算法，流项离散使用一阶迎风差分格式，压力-速度耦合使用piso算法。实验模型为RNG k-ɛ。收敛的判断依据取残差绝对值＜10-4。

3计算结果

3.1对流场界面分析

在污水处理搅拌机搅拌的过程中，污水池内的流体受到推流作用，存在着明显的轴向推进，轴向受流体范围宽的影响，轴向两侧速度下降比中间要快，处于污水池壁位置的流体受到的影响不大。图6、图7和图8分别是污水池流体流速矢量图、搅拌池内速度云图和轴截面的速度云图：

图9是污水处理搅拌池流体的径向扩散示意图，分别截取了距离搅拌机2900mm、3900mm、5300mm这三个位置的截面情况，而从这些截屏的流速情况我们可以看出，污水池在搅拌机的作用下，同一截面上流体的流速规律是径向递减的，截面对应于污水处理搅拌机的位置的流体流速最大，距对应位置越远，流体的流速就越小，而且污水处理搅拌机的影响范围随着流体流速径向分布和截面距离的增大而增大，池内流体受到池壁的影响比较小。

3.2对流场取点分析

我们用一个截面A分别和三个截面a、b、c相交，截面a、b、c和搅拌机的距离均不相同，从而得到三条距离搅拌机远近不同的直线：直线1（2900，1000）、直线2（3900，1000）、直线3（5300，1000），（X，Z）/mm，并从每条直线上取9个点来测量该位置流体的流速。根据每个点的模拟数据和实测数据绘制了每条线上九个点的流体流速线状图，结果皆呈现出抛物线分布。如图10所示：

从图中我们可以看出，污水池中间流体的流速最大，并往池壁递减，这表明污水处理搅拌机测量点5的垂直方向上。

4实验分析

4.1测量池内流速

本次污水处理搅拌机的实验是在某实验平台上进行的，为了和模拟数值进行对比，我们在在三个截面a（X=2900mm）、b（X=3900mm）、c（X=5300mm）上一共选择了162的测量点，并使用流速仪测量了这些位置的流体流速，以测定污水处理搅拌机搅拌池内的流体流动速度和流场分布状况。并将所得数据绘制成分布图和线状图，得到图9b、图10b和图11。

4.2分析实验数据

从图11中我们可以看出，Y=0截面的流速分布呈现出明显的轴向推进，这和我们模拟实验的情况基本一样。图9b所示的分别是三个不同距离截面上的模拟流体流速分布图，通过和试验中对应截面的流速分布图对比可以看出，各点的模拟流速都比对应点的实验流速要大，模拟数值的轴向推进和径向扩散相对于实验数值来说也大，但是差距不明显，而且模拟数值和试验数据都呈现出同样的变化规律。图10和图9所表示的情况基本一样，模拟数值比对应点的实验数值都要大，但变化规律相同，都是抛物线分布。

4.3研究结论

通过上面的实验我们发现，污水处理搅拌机搅拌池流体流速的模拟数值都要比实验所得的数值大，这一方面可能是因为模拟数值所采用的条件过于简化，而实际实验的环境和条件比较复杂，例如搅拌机工作的不稳定性、流体的复杂性、流体杂志含量过高这些情况都会影响到实验的结果，另一方面也存在着仪器和测量上的误差问题。但总的来说，数值的差距并不算过大，而且所呈现出的分布规律和变化规律基本一致，也即：污水池内流体流速存在明显的轴向推进，距离污水处理搅拌机越近轴向流速越大，越远则越小；流体径向扩散相对于轴向扩散的情况来说要小；从污水池垂直截面的流速来看，靠近污水处理搅拌机的轴向流体流速大、径向流速相对较小，受到影响的测量点集中而少，而随着与搅拌机距离的拉远，轴向流速和径向流速都逐渐减小，但是截面上受到影响的测量点逐渐增多，也就是说，距离搅拌机越远，流体所受到的作用面积越大，也即搅拌机的服务面积就越大。而在本次试验所采用的是带导流壳的污水处理搅拌机，从模拟数值和试验数据中我们均发现导流壳具有轴向导流的作用，而且可以削弱污水池池壁对流体的影响。

结语

本文对污水处理搅拌机搅拌池流体的流场和流速进行了相关模拟和实验，模拟数值主要是通过利用计算机流体力学软件来进行的，通过对模拟数值和实验数据的分析和对比，得出了搅拌池流体的流场分布情况和流速变化规律以及污水池离搅拌机的服务面积变化情况。虽然模拟数值和实验数据存在着一定的差距，但总的来说还是体现出一致的规律性。实验结果表面，带导流壳的污水处理搅拌机可以减小污水池池壁对流体的影响，而且具有明显的轴向导流作用。

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