潜水搅拌机分布对污水处理池搅拌效果的影响

潜水搅拌机在工农业中应用极其广泛，是污水处理过程中必不可少的流体机械，又称为污水处理搅拌机［1 － 2］。它依靠旋转运动来吸收主机功率，产生诱导速度，一般池内水的流速在 0. 3 m/s 左右，这是为了防止活性污泥沉积在池底，同时使回流污水和再循环水流混合在一起，使微生物和污水之间充分接触，悬浮固体物分布均匀，从而实现搅拌混合与推进．
通常一个水池安装一个潜水搅拌机，但对于较大水池，一个潜水搅拌机无法满足搅拌要求，需要选择多个搅拌机。多个潜水搅拌机如何分布、安装，目前尚无相关报道。文中根据某公司的实际情况，对潜水搅拌机在长方形水池内的分布安装进行讨论，结合效率、整体流速以及搅拌效果，选择最佳方案．
1 潜水搅拌机设计
1. 1 潜水搅拌机叶片设计图 1 为潜水搅拌机叶片水力图。
 
根据轴流泵与螺旋桨的设计方法，结合潜水搅拌机的实际工作情况，选取合适的 NACA 翼型，设计两叶片潜水搅拌机叶片。由轮毂处向轮缘处，翼型弦长越来越短，安放角逐渐减小。图中叶轮直径 DY= 200 mm，轮毂直径 dh= 70 mm．
1. 2 设计方案污水处理池尺寸为 10 m × 5 m × 2 m。该污水处理水池内潜水搅拌机的分布设计参数及要求为效率 η = 55%，功率 P ＜ 800 W，转速 n 为 980 ～ 1 200r / min，整池平均速度 v 为 0.15 ～ 0.4 m / s，搅拌面积图 2 为污水搅拌池俯视图．
 
由于水池较大，在水池侧壁距池底 0.8 m 处安装 3 个相同的潜水搅拌机．潜水搅拌机转速可调，并有30°，45°，60°，90°共4 种安装角度，且可对面池壁安装，也可相邻池壁安装．文中设定了 A － H 8 种不同的组合方案，如表 1所示，
表中 α 为安装角度。其中，方案 A 中，潜水搅拌机 1 垂直安装在池壁 a 的中部，潜水搅拌机 2，3垂直安装在池壁 c 上，分别与池壁 b 相距 1 m 与 3m; 方案 B － H 中，潜水搅拌机 1 均安装在池壁 a 的中部。潜水搅拌机 2 安装在池壁 b 上，且与池壁 a 相距 6 m。潜水搅拌机 3 安装在池壁 d 上，与池壁 a 相距 7 m。通过性能预测和内部流场分析，对其分布和安装角度进行优化．

2 流场数值模拟计算流体动力学( CFD) 分析的控制方程包括连续性方程、动量方程以及 RNG k － ε 湍流模型方程。对于不可压缩流体，其通用表达式［3 － 5］为


2. 1 水体建模与网格划分利用三维造型软件 Pro /E 对搅拌机进行设计，用扫描混合、曲面的过渡连接、光顺处理等操作，进行叶片的三维造型，如图 3 所示．

2 网格划分为简化计算过程，定义潜水搅拌机搅拌介质为水，密度为 ρ = 1。0 × 103kg / m3。利用 ICEM 软件对水体进行四面体非结构化网格划分，在搅拌叶片附近进行局部加密。划分网格后，8 种方案采用相同大小的网格设置，因此水体网格节点数相差不多，分别为3 672 403，3 672 548，3 672 467，3 672 790，3 671 073，3 672 629，3 672 718，3 672 948．2. 3 Fluent 边界条件及求解参数考虑搅拌叶片距液面较远，池面流体较为平静，速度较慢，故液面设定为自由液面; 所有池壁、搅拌轴及搅拌叶片表面均采用无滑移壁面边界条件，池壁粗糙度设为 0. 5 mm，搅拌机叶片粗糙度设为 0. 25 mm; 搅拌叶片、搅拌轴设置相应的转速条件; 为保证计算过程中内外子域之间相互耦合［3 － 5］，内外子域的接触面设为 interface 类型．利用 Fluent 流体计算软件，采用有限体积法进行方程离散。基于 PIOS 算法，对流项的离散采用一阶迎风差分格式。选取目前广泛应用的 RNG k － ε 湍流模型［6 －9］。收敛判据为所有变量的残差绝对值小于 10－ 4．
3 数值计算结果及分析
3. 1 性能预测潜水搅拌机效率计算公式为式中:

F 为水推力，N; DY为叶轮直径，mm; M 为转矩，N·m; n 为搅拌机转速，r/min．利用 Fluent 后处理功能，读取不同方案的预测推力 F、转矩 M 和流体平均速度 v。对不同方案的预测结 果 进 行 曲 线 拟 合，性 能 预 测 结 果 如 图 4所示．表 2 为潜水搅拌机模拟数据。由表 2 和图 4 可知，不同方案下，潜水搅拌机的效率变化不是很大，搅拌机平均效率大小依次为 F，G，H，A，B，C，E，D，效率均高于 55%，其中，方案 F 的搅拌效率高达67. 05%，方案 D 效率最低，仅为 57. 30% 。方案 H 的平均效率达到了 64. 20%，居第 3。整池流体平均速度的变化很大，大小排序依次为 H，G，F，E，C，B，A，D，方案 H 的整池流体平均速度达到了 0. 29 m / s。其中，A － D 的平均流速均低于 0. 15 m/s，不符合搅拌要求．


3. 2 内部流场特性图 5a，b 分别为方案 H 池内流体速度矢量图和流体流线图。由图可知，潜水搅拌机均沿着自身旋转轴轴向推进流体，径向扩散。3 个搅拌机与池壁相互作用，池内流体形成连续循环水流，循环明显。同时，可明显看到，在水池的中部形成大的旋涡．

当某区域水流速度小于 0.05 m/s 时，流体不能被充分搅拌，此时该区域被称为死区。方案 A － E中，潜水搅拌机转速均为 980 r /min。图 6 为各方案速度分布云图。由图可知，各方案均存在较多死区个数，且 面 积 较大。其 中，方 案 C 和 D 搅拌 效 果最差．方案 C 的死区面积最大，占总面积的 40% 。搅拌机 1 与 3 之间的流体基本上均为死区，流速很低;搅拌机 2 与 3 之间形成旋涡，中间也是一个较大面积的死区。方案 D 的死区面积也较大，可将其分为 2大区域，即搅拌机 1 与 3 之间的流体部分和搅拌机2 与池壁 b，c 所围流体部分。方案 E 相对方案 A －D，死区总面积要小得多，但也有 6 个死区点且池内流体平均速度偏小，均在 0. 15 m/s 以下，不符合搅拌要求。方案 F － H 中，潜水搅拌机转速为 1 200 r/min，死区个数以及面积大大减小，且平均速度明显提高。其中，方案 G 池内死区较少，死区主要集中在搅拌机 2 与 3 所夹的流体中部。方案 H 池内平均流速已达到 0. 29 m/s，搅拌面积率超过 90%，且死区只有很小的 2 个部位。方案 H 达到了搅拌要求．

4 结 论
1) 潜水搅拌机的安装位置与安装角度对水池内流场、整池的平均流速有很大的影响．
2) 潜水搅拌机在长方形污水池内按照方案 H安装角度和位置进行安装，可获得最佳的搅拌效果。潜水搅拌机效率可达 64. 2%，池内流体平均速度达 0. 29 m/s，池内死区面积最少，搅拌面积率最大，可超过 90% 。
3) 采用多方案污水处理池内部流场分析和性能预测，在一定程度上可代替部分试验，在短期内可对特殊性能要求的潜水搅拌机分布、安装进行优化设计。