【摘要】计算流体力学（CFD）在沉淀池数值模拟中得到了较为广泛的应用。介绍了CFD模型，综述了CFD模型在沉淀池数值模拟中的应用现状，展望了CFD技术在沉淀池数值模拟中的发展方向。
【关键词】CFD;数值模拟;沉淀池
引 言
沉淀池作为水厂的常规水处理构筑物，在水处理厂中发挥重要的作用。沉淀即利用水中悬浮颗粒的沉降性能，在重力场的作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。一直以来，对沉淀池的设计主要是依据设计手册和规范，对沉淀池的研究主要采用实验测定的方法。在设计过程中，存在选取参数略有差异的问题，无法通过经验公式精确预测沉淀池处理效果。沉淀池中某些条件的变化（如进出口形状和大小、挡板尺寸等），对沉淀池的处理效果可能会有较大影响，而这些影响难以通过试验测定来逐一检验。
因此，利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，缩写为CFD）方法研究沉淀池的水力特性，结合沉淀池基本原理建立沉淀池模拟和分析的数学模型，对沉淀池的设计和运行状况进行分析，将为沉淀池的优化设计和运行开辟一条新的思路和方法。
1. CFD模型
应用于沉淀池设计的计算流体力学（CFD）模型以基本流体力学原理为基础，是一种较为成熟的数值模拟技术。它把沉淀池几何体分成许多小单元，以网格形式描述问题，并对网格内的每个单元建立质量、能量、动量和固体浓度方程，包括一些化学或生物反应，
利用计算机进行数值求解，最终通过数值模拟获得流体在特定条件下的有关信息（如速度分布、能量分布等），兼有理论性和实践性的双重特点[1]。目前CFD软件包较多，包括Phoenics、CFX、Fluent、Start-CD等。其中Fluent的应用最为广泛，占美国市场的60%左右[2]。
沉淀池中的流体流速相对其它处理工艺单元来说较小，但有时雷诺数很高，属于湍流。沉淀池内湍流流主要是由进水和池内流体混合、固体边界的影响和水面的风剪切力引起的。沉淀池数值模拟中使用大量的CFD紊流模型，主要包括零方程模型、单方程模型、双方程模型、雷诺应力模型（RSM）、代数应力模型（ASM）等等[3]。
2. CFD技术在沉淀池中的应用
沉淀池可分为普通沉淀池和斜板（管）沉淀池。按池内水流方向的不同，普通沉淀池可分为平流式、竖流式和辐流式3种;沉淀池按其在水处理流程中的位置，主要分为初沉池和二沉池。
CFD技术在沉淀池中的应用主要是在模拟水流的速度分布以及悬浮物浓度分布的基础上，分析不同形状及尺寸的沉淀池的沉淀效果，分析进出口尺寸、挡板位置等边界条件对流态以及悬浮物浓度分布的影响，进而对沉淀池的设计和运行提出优化方案，以提高沉淀池的处理能力和出流水质。沉淀池中的模型主要是二维或三维的两相模型。近年来，CFD技术在沉淀池中广泛应用。
2.1 在平流式沉淀池中的应用
Krebs等对平流式沉淀池的进口几何形状进行了研究。发现进口孔径位置的设计改进与折合进口流速有关。利用数值模型，改进的进口结构可以提高流体进入进口后的动能耗散，改善进口区内的絮凝性能，提高沉淀池内的总固体去除率。
王晓玲等[4]建立了平流式沉淀池三维欧拉两相流模型，并通过与Imam的实验结果进行比较，验证了数值模拟求解的可行性。发现沉淀池内水流的流速并不是均匀分布的，沉淀池内沿宽度方向的顶部水流由中心面分别向两边壁流动，底部水流流向中心面，中心面上速度较小。
2.2 在辐流式式沉淀池中的应用
Fan等采用双流体模型对一城市废水处理系统中的辐流式二沉池内两相流场进行了模拟，重点仿真了沉淀池内挡板位置和挡板高度的变化对池内流场和颗粒物浓度分布的影响。
王磊磊等[5]为改善超大型周边进水、周边出水沉淀池的水力性能，利用计算流体力学的方法对工程初步设计方案进行水力性能模拟。结果表明，周进周出式沉淀池采用竖向流的进水方式较优，有利于提高沉淀池纵断面不同深度的流速分布，增大沉淀池内部的环流区域。
2.3 在其它沉淀池中的应用
屈强等[6]对回流比为零和75%情况下折流式沉淀池内流态进行了数值模拟，发现均存在严重的短流和较大的死区。将池型改成尺寸相同的平流式沉淀池后重新进行計算，发现改型后的流态较为合理，短流和死区均较小。
刘强等[7]用Fluent对新型气浮-沉淀池运行沉淀工艺时的固液两相流进行数值模拟。结果通过数值模拟计算得到颗粒的运动轨迹，及粒径、密度值与去除率的关系曲线。
展 望
CFD技术应用于沉淀池设计和运行中，不仅丰富了沉淀池领域研究的手段，而且能够利用数值模拟的方法，分析沉淀池的运行状况， 对于减少物理模拟必要性，节约研究资金和时间，都有着重要的价值;同时还有助于解决某些由于实验技术手段限制，难以进行测试的问题。
今后CFD模型的发展应根据情况适当的增加模型的维度与相数，应适当考虑沉淀池内的生化反应，加强对不同沉降类型模型的研究，更加充分的考虑沉淀池内的影响因素。这样可以真正实现CFD技术在沉淀池的有效应用，精确模拟沉淀过程，为优化沉淀池设计和运行，强化沉淀池的处理效果提供有利的支持。
参 考 文 献
[1] 江帆，黄鹏.Fluent进阶教程[M].北京：清华大学出版社，2008.
[2] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3] 华祖林.湍流模型在环境水力学研究中的应用[J].水科学发展，2001，12（3）.
[4] 王晓玲，杨丽丽，张明星，曹月波.平流式沉淀池水流三维CFD模拟[J].天津大学学报，2007，40（8）：921-930.
[5] 王磊磊，许光明，陈俊等.超大型周进周出沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟[J].河海大学学报（自然科学版），2012，40（2）：168-172.
[6] 屈强，马鲁铭，王洪武等.折流式沉淀池流态模拟[J].中国给水排水，2005，21（4）：58-61.
[7] 刘强，吕浩，孙志明等.新型气浮-沉淀池运行沉淀工艺的数值模拟[J].沈阳建筑科技大学学报（自然科学版），2010，26（1）：156-161.