武汉市政工程设计研究院有限责任公司 湖北武汉 430000
摘要：针对Unitank传统空气堰排水技术中气压难以控制的问题，本文将CFD软件引入空气堰设计过程中，通过模拟仿真优化空气堰进气方式、导流器、进气管管径以及空气堰外罩的布置，确定了空气堰最佳的设计参数和运行参数，对实际工程应用具备较强的指导意义。
关键词：Unitank工艺 空气堰 CFD模拟
1 前言
Unitank工艺是在传统SBR工艺上演变形成的，克服了传统工艺间歇性进水、池表面积大、控制设备多等问题[1]。目前Unitank工艺进出水主要采用固定堰和空气堰进行排水。和固定堰相比，空气堰排水能够减少冲洗排水槽的缓解，避免了水资源的浪费，同时在池容不变的情况下，有效的提高了反应器的处理能力，降低了能耗。但常规空气堰的堰内气压难以有效控制，导致出水槽很容易受到污染。当气压不足时污泥混合液将通过空气堰流出，气压过大时，过量的气体会从堰内溢出，使堰体摆动，影响使用寿命；且在预沉淀阶段，从空气堰中泄露出来的气体会形成较大的气泡将曝气池中的污泥混合液带向出水槽，影响出水水质。
针对Unitank工艺空气堰存在的问题，本文采用CFD软件对空气堰的运行情况进行模拟仿真，优化进气管管径、进气方式、进气量和气压控制设计，在显著减少试制成本的前提下，有效解决现有空气堰气压难以控制和压力分布不均匀的问题。
2 研究方法及技术路线
2.1 研究方法
CFD软件是基于计算流体动力学原理开发形成的商业化软件，一般由建模、网格划分、数值求解、结果处理等几部分组成[2，3]。本文采用Rhino软件建立三维模型，采用ICEM软件进行三维网格划分，采用Fluent软件进行数值计算和结果输出。
2.2 技术路线
通过实地踏勘收集现有工艺空气堰存在的问题，完成空气堰研究和设计。采用CFD软件进行模拟仿真，确定多情景模拟方案，对比不同方案下空气堰内的气压情况，从而优化空气堰设计指导实际应用。
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图1 技术路线图
3 进水空气堰优化设计
3.1 现状空气堰模拟
根据空气堰图纸设计，按照1：1的比例建立三维模型并进行网格划分，如图2所示。
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图2 空气堰建模及网格划分
按照实际工况设置参数并进行模拟，发现空气堰内进气管正下方液面的气压明显高于周围气压，可能会在此处形成较大的气泡并翻出控制堰，影响控制堰实际运行效果。因此，本项目需要通过模拟不同进气条件下的压力分布并分析模拟结果来优化节能控制堰的设计参数和运行参数。
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图3 现状模拟压力云图
3.2 多情景模拟方案
针对可能影响空气堰内部压力的因素进行多情景方案的设计，如下表所示。
表1 多情景模拟方案一览表
3.3 模拟结果分析
3.3.1 进气数量及位置模拟
根据模拟结果2点对侧进气、3点进气以及4点进气的局部最大压力接近系统所需压力，压力分布较为均匀。但三点和四点进气的支管较多，施工管理较为麻烦，因此空气堰2点对侧进气效果较好。
3.3.2 进口导流器设置模拟
在进气管下方加设导流器会使堰内的压力分布较为均匀，且能有效的阻止气流直接冲击水面，避免在水面上形成局部的高压。从模拟结果中可以看出，导流器中导流板直径为进气管管口直径的两倍（即为100mm），设置位置在堰顶至最高液面高度的6/7处（即距离进气口300mm）时，导流效果较好。
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图4 进气口流速矢量图
3.3.3 进气管径模拟
进气干管与支管通过渐缩管连接，不同的组合方式，气体通过渐缩管的局部压力损失也不同。根据模拟结果，随着末端支管管径的增大，堰内的局部最大压力逐渐接近堰内所需压力，而随着中间支管管径的增大，系统所需的进口压力逐渐减小，且当中间支管管径扩大到80mm时，所需进口压力发生显著的下降，因此综合考虑下，推荐组合为中间80mm末端200mm。
3.3.4 充气时间模拟
在管道管径不变的情况下，进口处的压力与进口的流量成正比，充满控制堰的时间越短，进口的流量越大，要求进口压力越大。根据模拟结果将控制堰内气体充满时间控制在60-90s，进口流量控制在0.52-0.35m3/s、进口压力控制在18.2-10.2KPa时，空气堰的运行效果最佳。
3.3.5 空气堰外壳模拟
根据模拟结果，空气堰外罩形状的改变对堰内压力的均匀性没有明显的效果，但一般而言弧形结构具有更强的承压能力。
4 结语
CFD模拟仿真能够为空气堰的优化设计提供数据支撑。根据模拟结果，采用两点对侧进气、在进气口设置导流器、合理选择进气管道管径组合以及控制进气时间等措施，能够加强气体的扩散效果，优化堰内气体分布的均匀性，有效缓解传统Unitank空气堰出水带泥的现象。
参考文献：
[1]张俊，王伟，马汐帆.UNITANK工艺在城镇污水厂中的应用[J].化工管理，2019（28）：51-53.
[2]刘存.基于CFD的斜板沉淀池及配水渠的优化设计及运行研究[D].重庆大学，2019.
[3]王宗浩，陆金仁，王二强，安维中.隔板塔气相分配器的CFD模拟研究[J].山东化工，2020，49（08）：23-26.
作者简介：江山（1993~），男，安徽省宿州人，给排水助理工程师，从事城市排水系统、智慧水务等方面规划设计工作