賀維鵬+曹玉燭+施周+林夢(mèng)雄

摘 要 借助CFD方法對(duì)網(wǎng)格絮凝池內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合紊流渦旋理論和絮體多級(jí)成長(zhǎng)模型，從水流速度分布、紊動(dòng)能和紊動(dòng)能耗散率等角度考察不同網(wǎng)格板的開孔率和間距以及過水孔洞的尺寸等條件下整個(gè)池內(nèi)水流紊動(dòng)的相互作用.研究發(fā)現(xiàn)，前述各因素對(duì)流場(chǎng)的影響均局限于一定的區(qū)域范圍，但考慮到絮凝任何階段水動(dòng)力學(xué)環(huán)境的變化都會(huì)導(dǎo)致最終形成絮體性能的差異，故在實(shí)際構(gòu)筑物設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用不同分段水流紊動(dòng)間的協(xié)同效應(yīng)，通過確定適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)組合來實(shí)現(xiàn)絮凝效果的優(yōu)化.

關(guān)鍵詞 計(jì)算流體力學(xué)；網(wǎng)格絮凝池；渦旋尺寸；絮凝效果；水力優(yōu)化

中圖分類號(hào) TU991.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1000-2537（2017）04-0014-07

Abstract According to turbulence vortex theory and floc multi-level growth model， turbulent interactions of water flow were explored under different perforation ratios and distances of grid plates as well as different physical dimensions of the water opening. For comparison purposes， the velocity distribution， turbulent kinetic energy and dissipation rate of turbulent kinetic energy of water flow， derived from flow-field simulations by the Computational Fluid Dynamics （CFD） method， were used. The results showed that each factor may only affect the flow field within a certain regional range of the tank. However， as the morphological characteristics of the resultant floc are highly related to the hydrodynamic environments in any part of flocculating tank， an appropriate combination of design parameters of actual structures would be determined by responsibly taking into account synergetic effects of water flow turbulence in different parts of the whole tank， in order to realize the optimization of flocculation effect.

Key words Computational Fluid Dynamics （CFD）； grid flocculating tank； vortex size； flocculation effect； hydrodynamic optimization

根據(jù)紊流渦旋理論開發(fā)的網(wǎng)格絮凝池，具有效率高、能耗低和占地少等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于新建水廠或老水廠的提質(zhì)改造中[1-2].其通過在構(gòu)筑物內(nèi)填充一定數(shù)量的擾流組件（如網(wǎng)格板），促使水流中形成大量的微尺度渦旋，增加顆粒間的有效碰撞率，以強(qiáng)化同向絮凝效果[3-5].在網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往憑借經(jīng)驗(yàn)從相關(guān)規(guī)范手冊(cè)進(jìn)行參數(shù)選取，使得極易因人為或工程個(gè)體的差異而導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行效果與設(shè)計(jì)預(yù)期存在較大偏差[6].

近年來，部分學(xué)者[7-10]嘗試?yán)糜?jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)網(wǎng)格絮凝池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析其設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性和最優(yōu)性，但多數(shù)研究只針對(duì)單個(gè)豎井，并未考慮連續(xù)串聯(lián)的多格豎井內(nèi)水流紊動(dòng)作用的相互影響.方千里[11]雖選取絮凝池整體為考察對(duì)象，然而也僅對(duì)網(wǎng)格為圓形和方形時(shí)的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬.鑒于此，本文借助CFD模擬以優(yōu)化絮凝效果為目標(biāo)，探討不同網(wǎng)格板的開孔率和間距以及過水孔洞的尺寸等條件下連續(xù)串聯(lián)豎井內(nèi)水流紊動(dòng)的協(xié)同效應(yīng)，為網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)選和實(shí)現(xiàn)其高效運(yùn)行提供理論指導(dǎo).

1 模型構(gòu)建及模擬策略

1.1 物理模型

網(wǎng)格絮凝池的計(jì)算模型（圖1）是按照相似準(zhǔn)則[3]對(duì)湖南省某市級(jí)自來水廠實(shí)際構(gòu)筑物縮小一定比例并予以適當(dāng)簡(jiǎn)化后得到，共由5個(gè)豎井組成.其中，1#和2#位于前段，各設(shè)兩層網(wǎng)格板；3#和4#位于中段，每個(gè)豎井設(shè)單層網(wǎng)格板；5#豎井位于末段，其內(nèi)不設(shè)網(wǎng)格板.各豎井的幾何尺寸詳見表1.

1.2 模擬方案

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)手冊(cè)中給定的參數(shù)范圍[12]，擬從以下5方面依次開展CFD模擬（注：除需改變的條件外，其余結(jié)構(gòu)部位的尺寸均同表1）：

（1）設(shè)置1#和2#豎井內(nèi)各網(wǎng)格板的開孔率分別為31%，36%和45%（對(duì)應(yīng)的各模型流速為0.19 m/s，0.16 m/s和0.13 m/s），以考察前段豎井各網(wǎng)格板的開孔率對(duì)絮凝池水流紊動(dòng)特性的影響；

（2）設(shè)置3#和4#豎井內(nèi)各網(wǎng)格板的開孔率分別為36%，45%和54%（對(duì)應(yīng)的各模型流速為0.16 m/s，0.13 m/s和0.11 m/s），以考察中段豎井各網(wǎng)格板的開孔率對(duì)絮凝池水流紊動(dòng)特性的影響；

（3）設(shè)置1#和2#豎井內(nèi)兩層網(wǎng)格板的間距分別為160 mm，190 mm和230 mm，以考察前段各豎井內(nèi)網(wǎng)格板間距對(duì)絮凝池水流紊動(dòng)特性的影響；

（4）設(shè)置1#與2#以及2#與3#豎井間方形過水孔洞的尺寸（寬×高）分別為390×120 mm，390×170 mm和390×280 mm（對(duì)應(yīng)的各模型孔洞流速為0.35 m/s，0.25 m/s和0.15 m/s），以考察前段各豎井內(nèi)過水孔洞尺寸對(duì)絮凝池水流紊動(dòng)特性的影響；

（5）設(shè)置3#與4#以及4#與5#豎井間方形過水孔洞的尺寸（寬×高）分別為390×170 mm，390×280 mm和390×350 mm（對(duì)應(yīng)的各模型孔洞流速為0.25 m/s，0.15 m/s和0.12 m/s），以考察中段各豎井內(nèi)過水孔洞尺寸對(duì)絮凝池水流紊動(dòng)特性的影響.

1.3 控制方程求解

選取網(wǎng)格絮凝池內(nèi)整個(gè)液體部分為計(jì)算域，并按圖1所示建立笛卡爾坐標(biāo)系（z軸正向朝上）.將建立好的模型及網(wǎng)格導(dǎo)入CFD常用軟件FLUENT（v6.3.26）求解器后，進(jìn)行如下設(shè)置：解算器采用穩(wěn)態(tài)的隱式分離法，并激活標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型（相關(guān)參數(shù)選用默認(rèn)值）；采用有限體積法求解控制方程及SIMPLE算法對(duì)壓力-速度場(chǎng)進(jìn)行解耦，對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，收斂殘差設(shè)定為10-4.

模型入口位于1#豎井上端，采用入口流速為0.06m/s的速度進(jìn)口（velocity-inlet）；出口位于5#豎井底面附近，為自由出流（outflow）；各固體壁面均采用無滑移的標(biāo)準(zhǔn)壁面（wall）邊界條件.

1.4 流場(chǎng)紊動(dòng)特性表征

（1）速度矢量圖：用以直觀展示絮凝池內(nèi)水流速度大小和方向分布情況.

（2）紊動(dòng)能k：紊流剪切力是導(dǎo)致絮體破碎的主要原因[13]，可直接將紊動(dòng)能k作為其控制指標(biāo)，且k值越大，單位質(zhì)量流體紊流脈動(dòng)越劇烈，微渦旋數(shù)量越多，越有利于致密性絮體的形成[5].

（3）紊動(dòng)能耗散率ε：在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，紊動(dòng)能耗散率ε是指微尺度渦旋紊動(dòng)動(dòng)能的粘性耗散率[14].可認(rèn)為ε值越大，紊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的速度越快，絮凝池的有效能耗越高，故可將其作為絮凝效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-4].

本文選用由CFD模擬獲得的各豎井內(nèi)距絮凝池底面不同距離處的一系列橫截面（用z坐標(biāo)來表示）上流體的面積加權(quán)平均紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε的分布情況來反映水流的紊動(dòng)特性及其對(duì)絮凝效果的影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)格板開孔率對(duì)流場(chǎng)及絮凝效果的影響

圖2為僅改變位于前段的1#和2#豎井內(nèi)各網(wǎng)格板的開孔率時(shí)，網(wǎng)格絮凝池內(nèi)水流速度大小和方向分布圖.由圖可知，隨著前段網(wǎng)格板開孔率的增加，進(jìn)入絮凝池的水流在經(jīng)過1#和2#豎井的各網(wǎng)格板后其流速大小和方向變化的劇烈程度均有所減弱，但各開孔率對(duì)應(yīng)的3#，4#和5#豎井內(nèi)流速分布的差異性卻非常小，即改變前段網(wǎng)格板開孔率時(shí)，其對(duì)水流速度矢量圖的影響主要集中于前段，而對(duì)下游各豎井內(nèi)的影響極其微弱.

同樣，中段豎井各網(wǎng)格板的開孔率分別為36%，45%和54%時(shí)相應(yīng)的水流速度矢量圖的差異也主要體現(xiàn)在開孔率發(fā)生改變的中段豎井內(nèi)，而位于絮凝池前段和末段各豎井的水流速度分布近似相同（限于篇幅，矢量圖未給出）.

前段網(wǎng)格板開孔率不同時(shí)，1#，2#和3#豎井內(nèi)紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε的分布見圖3.需指出的是，各分圖中橫虛線為網(wǎng)格板位置示意，同時(shí)用豎向箭頭標(biāo)出各豎井內(nèi)的水流方向，以便于分析（下文同）.由圖3a可知，在給定開孔率條件下，雙層網(wǎng)格板對(duì)豎井內(nèi)水流的紊動(dòng)作用明顯，如開孔率為31%時(shí)，自1#豎井上端進(jìn)入絮凝池的水流，在橫截面z>0.54 m上的k和ε的水平都非常低（接近于0）；當(dāng)流經(jīng)中心線位于橫截面z=0.53 m的上層網(wǎng)格板后，k和ε均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，并在橫截面z=0.50 m上取得第一個(gè)極大值；繼續(xù)行至橫截面z=0.38 m，此時(shí)因中心線位于橫截面z=0.34 m的下層網(wǎng)格板的阻流作用加劇了水流的擾動(dòng)，k和ε又開始增大，并在通過下層網(wǎng)格板后的橫截面z=0.30 m上取得第二個(gè)極大值.

網(wǎng)格板開孔率為36%和45%時(shí)，1#豎井內(nèi)k和ε的垂直分布情況與開孔率為31%時(shí)的類似，只是根據(jù)孔口出流原理，水流經(jīng)過具有較大開孔率的網(wǎng)格板后其紊動(dòng)程度較弱，能量耗散率也低，因而對(duì)應(yīng)于較小的k和ε（圖3a）.同樣，前段網(wǎng)格板的開孔率對(duì)2#豎井內(nèi)沿水流方向的k和ε的垂直分布的影響也較大，其變化規(guī)律同1#豎井內(nèi)（圖3b）.然而，僅改變前段網(wǎng)格板的開孔率并未對(duì)位于其下游的各豎井（例如圖3c的3#豎井）內(nèi)的水流紊動(dòng)產(chǎn)生太大的影響，甚至可不計(jì).

通過對(duì)比圖3a和圖3b各曲線上的極大值后發(fā)現(xiàn)，在1#豎井各開孔率條件下以及2#豎井開孔率為31%時(shí)沿水流方向k和ε垂直分布曲線上的第二個(gè)極大值均大于第一個(gè)，并且開孔率越小，同一曲線上的極值相差越大，這可能是由于水流在到達(dá)同一豎井內(nèi)下游網(wǎng)格板時(shí)上游網(wǎng)格板對(duì)其擾動(dòng)的影響尚未完全消失而出現(xiàn)疊加導(dǎo)致的，并且網(wǎng)格板的開孔率越小，水流經(jīng)過網(wǎng)格板的離心慣性效應(yīng)越強(qiáng)，紊動(dòng)程度和能量耗散率越高，其趨于均勻所需的流線越長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于較大的有效作用范圍[9]），上述疊加影響越為顯著.但在2#豎井內(nèi)開孔率為36%和45%時(shí)，k和ε的兩極值的大小卻相反（圖3b），其可能原因除前文所述的較大開孔率對(duì)水流的紊動(dòng)作用較弱外，還因水流向上行進(jìn)時(shí)部分能量用于克服重力做功而被消耗掉.

考慮到僅改變中段豎井各網(wǎng)格板的開孔率時(shí)，位于上游的1#和2#豎井內(nèi)沿水流方向的k和ε分布受其影響可忽略，均呈現(xiàn)出圖3中開孔率為36%條件下相應(yīng)豎井內(nèi)的分布情況，故現(xiàn)重點(diǎn)考察3#，4#和5#豎井內(nèi)的變化規(guī)律，如圖4所示.在開孔率發(fā)生改變的3#豎井內(nèi)（圖4a），橫截面z>0.47 m的k和ε均較小且近似相等，即不同開孔率的網(wǎng)格板對(duì)其水流擾動(dòng)的影響尚未顯現(xiàn)；之后由于中心線位于橫截面z=0.44 m的網(wǎng)格板上孔口出流產(chǎn)生的阻流作用，k和ε均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，并在經(jīng)歷網(wǎng)格板后的橫截面z=0.41 m上取得極大值，且極值大小與開孔率的關(guān)系同前；水流繼續(xù)沿豎井前行，不同開孔率對(duì)應(yīng)的相同截面上的k和ε的差值開始變小，造成這一現(xiàn)象的原因是水流行至位于其下游的井底附近時(shí)，因單層網(wǎng)格板有限的作用范圍致使其趨于均勻流，受開孔率的影響也變得不明顯.

由圖4b可知，隨著中段網(wǎng)格板開孔率的增加，4#豎井內(nèi)沿水流方向的k和ε垂直分布的變化規(guī)律與3#豎井的類似，不同的是4#豎井內(nèi)相同開孔率條件下k和ε的初始值和極大值均小于3#豎井的.分析其可能原因是，與3#豎井的上游豎井（即2#豎井）相比，位于4#豎井上游的3#豎井內(nèi)僅布一塊網(wǎng)格板，對(duì)水流擾動(dòng)作用范圍有限，再加之3#和4#豎井間的過水孔洞尺寸（390×280 mm）要大于2#和3#豎井間的（390×170 mm），對(duì)水流產(chǎn)生作用也較小，最終導(dǎo)致4#豎井內(nèi)水流受上游豎井和過水孔洞的影響均小于3#豎井.此外，不同尺寸的過水孔洞對(duì)其下游豎井內(nèi)水流紊動(dòng)作用的影響還表現(xiàn)在，較小的過水孔洞在強(qiáng)化水流擾動(dòng)的同時(shí)，還在一定程度上削弱了來水因經(jīng)過位于上游的具有不同開孔率的網(wǎng)格板后產(chǎn)生的紊動(dòng)特性的差異，從而導(dǎo)致在相同數(shù)量級(jí)（10-4）時(shí)，不同中段網(wǎng)格板開孔率條件下5#豎井內(nèi)k和ε垂直分布受上游網(wǎng)格板開孔率的影響（圖4c）略大于不同前段網(wǎng)格板開孔率條件下3#豎井內(nèi)的（圖3c）.

綜上，網(wǎng)格板開孔率對(duì)絮凝池內(nèi)流場(chǎng)的影響，主要體現(xiàn)在開孔率發(fā)生改變的豎井內(nèi)，且在網(wǎng)格板下游附近區(qū)域尤為顯著，而對(duì)位于上游和下游的其他豎井內(nèi)水流分布的影響較為微弱.結(jié)合紊流渦旋理論[3]和絮體多級(jí)成長(zhǎng)思想[13]可知，網(wǎng)格絮凝池任何分段的水流紊動(dòng)特性的差異均會(huì)導(dǎo)致本段各豎井所形成絮體在形態(tài)上各異，最終影響到絮凝末期絮體的質(zhì)量以及固液分離效果.因而，在選擇各段豎井內(nèi)網(wǎng)格板的數(shù)量及相應(yīng)的開孔率時(shí)，應(yīng)考慮不同分段水流紊動(dòng)間的協(xié)同效應(yīng)，通過確定適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)組合來實(shí)現(xiàn)絮凝效果的優(yōu)化.

2.2 網(wǎng)格板間距對(duì)流場(chǎng)及絮凝效果的影響

由2.1節(jié)的分析可推知，若能合理利用同一豎井內(nèi)上游網(wǎng)格板的有效作用范圍，就可顯著提高水流經(jīng)過下游網(wǎng)格板后的紊動(dòng)效果，加大微尺度渦旋的比例，提高顆粒的有效碰撞所需能耗，以促進(jìn)高性能絮體的快速形成.武道吉等[5]通過理論推導(dǎo)提出，對(duì)絮凝最有效的渦旋應(yīng)為尺度接近且略大于絮體顆粒的，而尺度小于絮體粒度的渦旋不僅難以推動(dòng)懸浮顆粒作變速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還會(huì)增加對(duì)已形成絮體的沖擊破碎作用.基于此，筆者認(rèn)為，在進(jìn)行網(wǎng)格板間距的設(shè)計(jì)時(shí)，最為理想的方案是應(yīng)將下游網(wǎng)格板設(shè)置于與其緊鄰的上游網(wǎng)格板的有效作用范圍內(nèi)且最好位于上游網(wǎng)格板已形成的與絮體粒度相近的渦旋完全或絕大多數(shù)消失的臨界位置.這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，下游網(wǎng)格板既不會(huì)破壞上游網(wǎng)格板產(chǎn)生的對(duì)絮凝有利的渦旋，同時(shí)還可將上游網(wǎng)格板形成的不利于絮體成長(zhǎng)且尚未消失的渦旋中攜帶的能量轉(zhuǎn)移至下游網(wǎng)格板形成的渦旋中，通過能量疊加來實(shí)現(xiàn)其最大化的有效利用.接下來將探討在網(wǎng)格板開孔率和其他條件均相同的前提下，前段各豎井內(nèi)網(wǎng)格板間距對(duì)絮凝池內(nèi)水流分布及絮凝效果的影響.

與僅改變前段豎井中各網(wǎng)格板開孔率的情況類似，網(wǎng)格板間距分別為160 mm，190 mm和230 mm時(shí)相應(yīng)的水流速度矢量圖的差異主要體現(xiàn)在位于前段的1#和2#豎井內(nèi)，而各間距對(duì)應(yīng)的3#，4#和5#豎井的流速分布近似相同.并且，間距越小，1#和2#豎井內(nèi)上游網(wǎng)格板對(duì)下游網(wǎng)格板在水流擾動(dòng)上的疊加作用越顯著，兩板間流速的分布也越不規(guī)則（限于篇幅，相關(guān)矢量圖未給出）.

圖5為前段網(wǎng)格板間距改變時(shí)，1#，2#和3#豎井內(nèi)紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε的分布圖.由圖5a可知，1#豎井的k和ε分布曲線上沿水流方向依次出現(xiàn)的兩個(gè)極值的大小和橫截面位置，均與網(wǎng)格板間距密切相關(guān).具體而言，較小間距（如160 mm）時(shí)，水流通過上游網(wǎng)格板產(chǎn)生的絕大多數(shù)能量尚未耗散完全就已受到下游網(wǎng)格板的影響，雖然此時(shí)兩層網(wǎng)格板間渦旋中攜帶的能量可遷移至下游網(wǎng)格板形成的渦旋中，但部分對(duì)絮凝有利的渦旋可能在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中遭受破壞，勢(shì)必造成能量損失，影響絮體成長(zhǎng)；間距增至190 mm時(shí)，水流行至橫截面z=0.39 m的位置，上游網(wǎng)格板輸入的能量?jī)H剩少部分未被粘性耗散，即可認(rèn)為接近于該網(wǎng)格板有效作用范圍的邊界，此后下游網(wǎng)格板的影響開始凸現(xiàn)，再次加劇對(duì)水流的擾動(dòng)，同時(shí)兩板間尚未消散渦旋攜帶的能量還可被遷移至下游網(wǎng)格板形成的渦旋中，從而在整個(gè)豎井內(nèi)形成有利于絮體成長(zhǎng)的紊動(dòng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用；間距繼續(xù)增至230 mm時(shí)，k和ε分布曲線上兩極值的差值均小于其他間距的，即上游網(wǎng)格板對(duì)下游網(wǎng)格板水流擾動(dòng)的疊加影響開始減弱，此時(shí)1#豎井內(nèi)兩網(wǎng)格板的作用變得相對(duì)獨(dú)立，不能滿足前文提出的最為理想的間距方案.

同樣，前段網(wǎng)格板間距對(duì)2#豎井內(nèi)沿水流方向的k和ε垂直分布的影響也較大，其變化規(guī)律同1#豎井內(nèi)的（圖5b），但對(duì)位于其下游各豎井（例如圖5c的3#豎井）內(nèi)的水流紊動(dòng)特征的影響很微弱.

2.3 過水孔洞尺寸對(duì)流場(chǎng)及絮凝效果的影響

圖6為僅改變1#與2#以及2#與3#豎井間過水孔洞的尺寸（寬×高）時(shí)，網(wǎng)格絮凝池內(nèi)水流速度大小和方向分布圖.由圖可知，隨著前段過水孔洞高的增大，流體經(jīng)過這些孔洞時(shí)流速不均勻分配程度均有所減弱，同時(shí)在由孔洞邊壁約束形成的“U型流”轉(zhuǎn)彎處流速明顯減小，進(jìn)而對(duì)緊鄰其下游的2#和3#豎井內(nèi)沿水流方向上游一定范圍的流速分布產(chǎn)生顯著影響，但對(duì)1#，4#和5#豎井內(nèi)的影響都較小.同樣，中段方形過水孔洞的尺寸分別為390×170 mm，390×280 mm和390×350 mm時(shí)相應(yīng)的水流速度矢量圖的差異也主要體現(xiàn)在緊鄰尺寸發(fā)生改變的過水孔洞下游的4#和5#豎井內(nèi)，而在1#，2#和3#豎井內(nèi)相應(yīng)的水流速度分布近似相同（限于篇幅，矢量圖未給出）.

前段過水孔洞的尺寸發(fā)生改變時(shí)，1#豎井內(nèi)各尺寸對(duì)應(yīng)的紊動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε的分布曲線的形狀，均與圖3a中前段網(wǎng)格板開孔率為36%時(shí)的相同；同樣，僅改變中段過水孔洞的尺寸時(shí)，位于這些孔洞上游的1#，2#和3#各豎井內(nèi)不同尺寸對(duì)應(yīng)的k和ε分布曲線也均幾乎重合，即類似于流速分布，不同尺寸的過水孔洞對(duì)位于其上游豎井的k和ε垂直分布的影響都很小，故對(duì)此不予討論.現(xiàn)重點(diǎn)考察前段和中段過水孔洞尺寸改變時(shí)位于其下游各豎井內(nèi)k和ε分布的變化規(guī)律，如圖7和圖8所示.

水流自1#豎井經(jīng)不同尺寸的過水孔洞流入2#豎井后，在2#豎井內(nèi)沿水流方向的各橫截面上k和ε的分布各異（圖7a），表現(xiàn)為在位于其上游的橫截面z<0.32 m范圍內(nèi)，不同尺寸對(duì)應(yīng)的k和ε都存在較小的差異，且較大尺寸的孔洞對(duì)應(yīng)著較小的指標(biāo)值；當(dāng)水流經(jīng)過中心線位于橫截面z=0.34 m的上游網(wǎng)格板后，因孔口出流的作用導(dǎo)致上述差異被放大；水流繼續(xù)行至中心線位于橫截面z=0.53 m的下游網(wǎng)格板附近，不同尺寸對(duì)應(yīng)的k和ε的差值開始變小，并在通過下游網(wǎng)格板后的橫截面z=0.57 m時(shí)，k和ε的分布曲線均趨向重合，也即前段過水孔洞尺寸的改變僅對(duì)2#豎井內(nèi)沿水流方向一定范圍的k和ε分布有較大的影響.

與2#豎井內(nèi)的分布略微不同，2#與3#豎井間過水孔洞尺寸的改變會(huì)對(duì)位于其下游的3#豎井內(nèi)沿水流方向的各橫截面上的k和ε均產(chǎn)生影響（圖7b）.造成這種差別的可能原因是，不同于以下向流為主流的3#豎井，2#豎井內(nèi)水流自下而上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在慣性力的驅(qū)使下不僅要克服重力做功，同時(shí)還要抵抗雙層網(wǎng)格板上孔口出流的阻流作用，均在一定程度上削弱了上游過水孔洞尺寸的影響.僅改變中段過水孔洞尺寸時(shí)（圖8），4#與5#豎井內(nèi)各自對(duì)應(yīng)的k和ε的垂直分布的變化規(guī)律可再次佐證這一分析，只是以上向流為主流的4#豎井內(nèi)網(wǎng)格板數(shù)量（圖8a）少于同為上向流的2#豎井內(nèi)的（圖7a），此條件下對(duì)上游過水孔洞尺寸影響的削弱作用較小.由圖7還可知，前段過水孔洞尺寸的改變僅對(duì)以尺寸發(fā)生變化的孔洞為進(jìn)水口的豎井內(nèi)k和ε分布產(chǎn)生較大影響，而對(duì)位于其下游的其他豎井（例如圖7c的4#豎井）內(nèi)的水流紊動(dòng)特征的影響卻非常微弱.

上述分析表明，過水孔洞在完成相鄰豎井間水流輸送任務(wù)的同時(shí)，還會(huì)對(duì)緊鄰其下游的豎井內(nèi)水流速度分布和紊動(dòng)特征產(chǎn)生影響，且尺寸越小，作用越顯著，同時(shí)當(dāng)水流通過豎井內(nèi)網(wǎng)格板后，在慣性效應(yīng)的作用下相關(guān)影響將被進(jìn)一步放大，存在協(xié)同作用關(guān)系，最終導(dǎo)致絮體形成過程及絮凝效果的差異.因而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)絮凝池各分段相鄰豎井間過水孔洞尺寸的合理確定也非常關(guān)鍵，應(yīng)將其放在與網(wǎng)格板設(shè)計(jì)同等重要的地位.

3 結(jié)論

（1）網(wǎng)格板的開孔率和間距對(duì)絮凝池內(nèi)水流速度分布和紊動(dòng)特性的影響，主要體現(xiàn)在網(wǎng)格板結(jié)構(gòu)變化的豎井內(nèi)，而過水孔洞尺寸的影響主要表現(xiàn)在以尺寸發(fā)生改變的孔洞為進(jìn)水口的豎井內(nèi).

（2）不同尺寸過水孔洞對(duì)流場(chǎng)的影響會(huì)在緊鄰其下游豎井內(nèi)網(wǎng)格板的作用下得以放大，同時(shí)較小的過水孔洞還可削弱來水因經(jīng)過位于上游的具有不同結(jié)構(gòu)特征的網(wǎng)格板后產(chǎn)生的紊動(dòng)特性的差異.

（3）根據(jù)絮體多級(jí)成長(zhǎng)思想，任何豎井內(nèi)水動(dòng)力學(xué)環(huán)境差異均會(huì)導(dǎo)致本豎井以及位于其下游各豎井內(nèi)不同的絮體形成過程，最終影響絮凝末期絮體的形態(tài)和質(zhì)量.

（4）在網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要從整體上把控池內(nèi)水動(dòng)力學(xué)條件的平均水平符合相關(guān)規(guī)范要求，還應(yīng)特別注意不同分段或豎井內(nèi)水流紊動(dòng)間的協(xié)同效應(yīng)，以便確定適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)組合來實(shí)現(xiàn)絮凝效果的優(yōu)化.

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