利用CFD（计算流体动力学）深入研究时变两相流场对倾斜板沉淀池性能的影响：机制与优化

《Journal of Water Process Engineering》：Insights into the effect of time-dependent two-phase flow field on the performance of inclined-plate sedimentation tanks using CFD: mechanism and optimization

首次采用瞬态两相CFD模型研究全尺寸IPST中随时间变化的流场对SS去除效率的影响，发现其效率曲线呈现初始下降、部分恢复和渐降三阶段，揭示了惯性短路、密度流抵消及污泥堆积等机制的作用，并提出入口流速调控和优化排泥频率的设计策略。

　　

马明良|张永恒|刘五平|刘村|罗左|姚娟娟|张志

教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学，重庆，400045，中国

摘要

首次利用瞬态两相计算流体动力学（CFD）模型，研究了全尺寸倾斜板沉淀池（IPSTs）中时变流场对悬浮固体（SS）去除效果的影响。中试规模的时序实验验证了该建模方法的可靠性（NSE系数=0.810）。SS去除效率的±2%偏差表明了从三维到二维简化模型的适用性。模拟的SS去除效率随时间变化曲线呈现初期下降、随后部分恢复，最后逐渐下降的趋势。时变速度和固相体积分数等值线的分析显示，初期下降是由于惯性驱动的短路现象；部分恢复是由于主流向上抬升缓解了短路效应；而逐渐下降则是由于污泥在进水口附近积聚导致的新的密度流短路所致。此外，反复波动是由于污泥脱落的异步性形成的临时循环区造成的。进水口流速决定了两种短路机制之间的转换：较低的进水口流速会加速短路过程，而较高的流速则会延长惯性短路状态。在固定污泥排放率（SOR）下，存在一个最佳的进水口流速，可以最大化平均SS去除效率。适当增加进水口附近的污泥排放频率可以减轻后期运行中的密度流短路现象。本研究从新的角度为IPSTs的设计和运行优化提供了策略。

引言

如今，倾斜板沉淀池（SISTs）因其倾斜段（无论是平板还是管状）间距紧密而越来越受到水和废水处理厂以及合流制溢流污染处理设施的青睐。与传统垂直流沉淀池相比，它们具有更高的悬浮固体去除效率和相对紧凑的占地面积。最常见的SIST配置是逆流倾斜板沉淀池（IPST），其进水口位于底部或附近，倾斜板作为倾斜段[1]。Abeyratne等人的最新研究[2]表明，在相同的板间距和管深条件下，板式和管式SIST对各种固体颗粒的去除效率基本相当。值得注意的是，由于表面溢流率（SOR）不均匀和循环区域导致的有效体积较小[3]，IPST的实际SS去除效率往往远低于理论预测值。因此，研究人员对IPST性能的优化给予了高度重视[4]。由于进水水质难以控制，通过优化IPST的几何结构（如进水口挡板设置[5]、[6]、出水口挡板设置[7]、倾斜板长度与间距比[8]、倾斜板总面积[9]、[10]、倾斜板角度[11]、倾斜板数量[12]、倾斜板形状[13]等）来确保其在大多数进水条件下的适用性，成为提高SS去除效率的可行策略。

在过去几十年中，计算流体动力学（CFD）方法被广泛用于IPST的模拟和优化。精确预测流场和颗粒浓度场使设计者和研究人员能够深入了解IPST的性能，从而支持研究和设计应用[14]。Salem等人[3]首次使用稳态单相CFD模型模拟了台式IPST的流场，并根据模拟得到的停留时间分布（RTD）曲线提出了改进流场分布的策略。然而，单相模型无法直接预测SS去除效率，从而限制了其在评估基于几何结构的IPST优化中的实用性。2014年，Tarpagkou和Pantokratoras[15]首次使用欧拉-拉格朗日方法对全尺寸IPST进行了稳态两相CFD模拟，结果表明加入倾斜板后沉淀效率提高了20%。后来，Guo等人[5]指出，对于实际现场规模的IPST建模，欧拉-欧拉方法比欧拉-拉格朗日方法更为适用。欧拉-欧拉方法将流体和颗粒相视为相互渗透的连续体，颗粒在混合物中以体积分数表示；而欧拉-拉格朗日方法则将流体相视为连续体，并追踪流场中的单个颗粒或颗粒团[16]。因此，对于高颗粒浓度系统，欧拉-拉格朗日方法需要更多的计算资源。此外，由于需要额外的模块来解决颗粒间的碰撞问题，计算需求进一步增加[17]。Abeyratne等人[2]使用三维稳态两相CFD模型评估了七种不同沉淀池的沉淀性能，结果表明虽然增加倾斜板或管状结构可以提高SS去除效率，但当倾斜板的总沉淀面积超过传统沉淀池的60%后，去除效率不再提高。

由于IPST中流体和SS相的流体动力学特性本质上是不稳定的——包括在倾斜板表面的周期性积聚、脱落以及最终在沉淀池中的沉淀——瞬态模拟更能有效捕捉系统中浓度场和速度场的时变变化[18]。Guo等人[5]也使用欧拉-欧拉方法对中试规模的IPST进行了首次瞬态两相CFD模拟，结果表明在IPST进水口安装可调节挡板可以提高沉淀效率。Nguyen等人[9]、[10]基于欧拉-欧拉方法进行瞬态两相CFD模拟，通过改变倾斜板的数量和配置、延长长度和增加宽度，评估了传统沉淀池的沉淀性能改进情况，结果表明在恒定流速下延长长度是最有效的方法，并且优化倾斜板配置是使沉淀池处理更高流速而不降低SS去除效率的可行策略。Reyes等人[1]发现，在高SS浓度下，SOR和倾斜角度显著影响板间区域的不稳定流动状态。

需要注意的是，尽管最近的研究采用了瞬态模拟，但其持续时间通常只有几分钟，不足以捕捉完整运行周期内两相流场的时变特性，而一个完整的运行周期通常为8小时左右。这可能导致优化结果偏差。在实际运行中，倾斜板上积累的SS间歇性脱落会向IPST内部流场引入周期性扰动。此外，倾斜板区域进水口不可避免的非均匀流速分布[19]会增加位置依赖的污泥脱落频率。因此，在IPST的全面模拟和优化中必须考虑流场和浓度场的时间变化，但这一点在之前的研究中被忽视了。

本研究首次利用瞬态两相CFD模型，研究了全尺寸IPST中时变流场对运行周期内SS去除效果的影响。通过比较中试规模IPST实验和CFD模拟的RTD曲线，验证了CFD建模方法的准确性。通过比较两种模型模拟的SS去除效率与时间曲线，评估了从三维到二维模型简化的适用性。时变SS去除行为通过模拟的SS去除效率与时间曲线来表征。此外，还利用等值线、流线迹线和示踪剂方法建立了时变两相场与SS去除行为之间的关系。通过改变倾斜板区域的长度和进水口高度，研究了进水口流速对时变流场和去除行为的影响。最后，提出了相应的IPST设计和运行优化策略。

几何形状和网格划分

本文对水处理厂中的不同全尺寸IPST进行了建模和模拟。分别构建了全尺寸三维几何IPST模型和简化二维几何IPST模型，以模拟液固两相流，如图1(a)所示。然而，由于倾斜板区域的密集程度较高，网格数量大幅增加，导致计算时间也会显著延长。

模型验证

为了验证单相模型，比较了这三种湍流模型（即可实现k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型）对中试规模IPST实验设置的RTD曲线预测结果，如图3(a)所示。相应的NSE系数分别为0.866、0.829和0.793，用于量化模型拟合度。

局限性分析

尽管CFD技术能够精确追踪IPST中复杂时变的两相流场，但必须认识到基于这种方法的研究结论仍存在固有的局限性。首先，SS的异质特性在实践中表现出显著的可变性。虽然使用代表性的颗粒大小和密度可以大大降低计算需求，但这可能影响结果的普遍性。

结论

首次利用瞬态两相计算流体动力学（CFD）模型，研究了全尺寸IPST中时变流场对运行周期内SS去除效果的影响。通过比较中试规模IPST的实际测量值和模拟值的时间-去除效率曲线，对CFD建模方法进行了时间序列验证。NSE系数为0.810，证实了该建模方法的可靠性。SS去除效率的±2%偏差表明了该方法的适用性。

CRediT作者贡献声明

马明良：撰写——初稿，研究，概念化。张永恒：撰写——审阅与编辑，研究。刘五平：监督。刘村：研究，数据整理。罗左：研究。姚娟娟：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。张志：撰写——审阅与编辑，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了重庆市科技创新重点研发计划（CSTB2025TIAD-STX0030、CSTB2022TIAD-GPX0035）的支持。