氧化沟工艺是一种经济有效的污水处理技术，在城市生活污水及工业废水处理领域得到了广泛的应用。20世纪80年代以来，我国建成投产的氧化沟污水处理厂已逾百家^〔1〕。尽管氧化沟的型式多样，但其内水流流动的形式是一样的，即在沟道内循环流动。而推流器作为氧化沟内最常使用的污水处理设备之一，其能耗占据污水处理厂总能耗的很大部分。如果导流墙设置不佳，弯道处的水流由于离心力的作用产生回流，造成能量损失，导致污泥沉降^〔2〕。故氧化沟型式合理与否将极大影响污水厂能耗的高低。本研究通过对实际工程案例的数值模拟，确定氧化沟内导流墙最佳的偏置位置，并通过现场测试来验证数值模拟结果的准确性。

目前，国内已有采用数值模拟的方法对氧化沟内低速推流器进行研究^〔3-6〕，但针对氧化沟内导流墙偏心设置对低速推流器性能影响的研究较少。

本研究采用计算流体动力学（CFD）对氧化沟内导流墙不同偏心方式进行数值模拟，分析其流态流场的变化，验证不同偏心距对推流器应用效果及能耗的影响，为该污水处理厂氧化沟改造提供理论指导，并通过实测数据验证模拟结果的准确性。

研究对象为日处理量8万m³/d的某污水处理厂，该污水厂设有2座卡鲁塞尔氧化沟，氧化沟尺寸及推流器安装示意见图 1。

氧化沟直线段长为34 m，沟宽为14 m，导流墙半径为3.35 m，水深为6 m。该厂原导流墙未设置偏心，原计划共布置28台推流器，单沟布置4台。在原设置下，池底污泥淤积厚达0.8 m，推流器单位能耗大，能量损失严重，有悖于国家节能、降耗、增效的产业政策，故需对该厂氧化沟进行改造。

影响氧化沟性能的因素有很多，例如氧化沟型式、推流器安装位置及安装角度、导流墙偏置状况等。本研究主要考察导流墙偏置位置对氧化沟性能的影响，而衡量氧化沟性能的一个重要指标就是其内污泥沉淀及能耗情况，故通过控制变量法，在保证氧化沟池型及推流器安装位置等因素不变的情况下，通过改变导流墙偏置距离，对比沟内流体流速及流态，分析其对污泥淤积以及推流器单位能耗的影响。

通过CFD数值模拟仿真技术，对比3个偏置位置的方案。方案1：导流墙未设置偏置，即d=0；方案2：导流墙往入流方向偏置0.5 m，即d=0.5 m；方案3：导流墙往出流方向偏置0.5 m，即d=-0.5 m，分析计算结果，对比污泥沉淀及能耗高低情况，确定最佳的偏置位置以应用于该厂的改造工程。

首先对该水厂的氧化沟建立物理模型，利用ICEM网格划分软件进行模型的修补及网格划分。

本研究模拟单个氧化沟内使用2台推流器，功率为7.5 kW，输出转速为39.8 r/min，叶轮直径为2.5 m，氧化沟及推流器物理模型建立见图 2。

水流通过直线段进入弯道后，由于导流墙的作用，流速及流态均发生较大变化，故在弯道处的网格划分应进行加密处理。本次计算对偏置导流墙氧化沟流道采用非结构化六面体网格进行网格划分，流道水体体网格单元长度为200 mm，面网格单元长度为150 mm，交界面网格单元长度为100 mm，最后总网格数量为889万。

根据氧化沟内流动特性，假设沟内流体介质近似为水，流体为不可压缩和稳定流动，自由液面采用对称边界条件，氧化沟及导流墙等壁面均采用无滑移边界条件，且不考虑壁面粗糙度对流场的影响。相应的湍流控制方程组见式（1）~式（4）。

质量守恒方程：

(1)

x方向动量方程：

(2)

y方向动量方程：

(3)

z方向动量方程：

(4)

采用FLUENT软件进行流体的计算。利用有限体积法对上述控制方程组进行离散，选择隐式计算方法，方程组中扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式。在速度和压力耦合过程中，利用SIMPLE算法对压力进行修正。当残差绝对值小于10^-5时确定收敛。

利用CFD-POST软件导出计算结果，借助该后处理软件分别从流速云图、流速死区及漩涡数量等角度对比分析3个偏置方案，确定最优偏置位置。

流速分部主要依赖于垂直方向的黏性力作用，因此，如无其他外力作用，液面上部分的流速大，下部分流速小，所以在氧化沟底部更易产生沉积。对推流器推流效果的评定标准是：氧化沟内平均流速不低于0.3 m/s，从而保证池底不产生沉淀，故选取距离氧化沟底部0.1 m的水平截面，分析其流速云图，结果见图 3。

由图 3可知，在水流进口的导流墙壁面处，方案2下流速高，高速区占比大，而对比方案3，其进口处导流墙壁面附近的水流高速区占比小；在导流墙弯道出口处，方案2因弯道出口截面增大，导致流速降低，流态不佳；在隔墙背部区域，方案2因向来流方向偏置，增加了隔墙处流速，流态明显优于方案1、3。由此可见，导流墙往来流方向偏置时，导流墙入口处流速增加，但容易在导流墙背部产生污泥沉淀，往出流方向偏置时，可以消除导流墙背部的低速区，但在氧化沟隔墙背部产生回流及死区，容易发生污泥的沉淀。

模型中选取典型断面（图 1）：直线段断面1、弯道段断面2，根据CFD-POST后处理结果，分别考察断面1、2处距池底分别为0.3、1.3、2.4、3.5、4.6 m处的流速分布，结果见图 4。

由图 4可知，纵向对比可见，直线段（断面1）由于推流器布置在池底，故上层流速低于底层流速，流速整体呈先上升再下降的趋势；弯道段（断面2）因外环截面变大，外环流速减小，内环流速变低，污泥容易堆积在导流墙弯道段。横向对比方案1、2、3可见，方案2下的直线段流速最大，弯道段偏小。结合流速云图分析可知，方案2为流速及流态的最优方案。

推流的速度死区及低速区是流场特性分析中污泥沉淀的衡量标准，通过CFD-POST后处理软件计算各方案下，流速小于0.1、0.2、0.3 m/s的水体体积占比见表 1。结合图 3的流速云图，更加精确地分析各方案的速度死区。

由表 1可知，对于流速＜0.1 m/s的速度死区，方案1、2、3分别占比5.48%、3.53%、6%，方案2为各方案最低。随着导流墙往来流方向偏置，速度死区占比越来越小。结合流速云图分析：方案3下，导流墙背部区域未产生低速区，所以该方案下速度死区主要分布在出流方向的隔墙背后区域；方案2下，其低速区主要产生在出流方向的导流墙背部及隔墙背部区域，但占比明显小于方案3；方案1，介于上述2个方案之间，这也符合实际情况。

由表 1还可知，当导流墙位置往入流方向偏置时，其水体速度死区及低速区的体积越来越小，相应的高速区占比不断扩大。但对比3种方案可见，往入流方向的偏置距离越大，其导流墙背后的速度死区就越大，故不能一味地将导流墙往入流方向偏置，需控制低速区占比与导流墙背部速度死区的平衡。

在后处理中取距氧化沟底面0.1 m处的截面，分析其流线图，3种方案的流线图对比见图 5。

由图 5可知，当液流进入弯道并碰壁后，由于沿导流墙壁面的流动受到横向压力作用，平行于边界的平移导致了二次流及漩涡现象，具体表现为外侧水流由水面流向内侧底部，内侧水流由底部流向外侧表面，在断面上形成环形流动。断面环流与水流纵向运动的叠加形成了螺旋流。该流动导致弯道外侧出现显著的淘刷现象，污泥在弯道内侧沉积。

具体分析：方案2下，其产生的漩涡数最少，为2个，漩涡区主要产生在出流方向的隔墙背部区域，由于弯道处导流墙的作用使得水流方向突然强行改变，而出流方向的隔墙背部区域为低速区，导致该处水流自旋产生漩涡；方案1下，漩涡数为4个，分别发生在导流墙弯道出口处及推流器安装位置，由于推流器的阻流，水流经过推流器时发生较大扰动，水流方向及线速度均发生改变，导致此处极易产生漩涡区，造成能量的浪费；方案3下，漩涡数量达到6个，在d=0的方案上新增2个直道壁面处的漩涡区，由于导流墙向出流方向偏置距离过大，加上推流器对水流的扰动，故在直道段也产生了2个漩涡区。结合上节低速区分析可知，方案3下，其低速区占比最大，能量损耗最严重，而方案2为最优方案。

综合分析可知，方案2即导流墙往入流方向偏置0.5 m时，流态最优即污泥沉淀最少，且漩涡数量最少（即能耗最小），该污水厂根据此偏置方案进行了氧化沟的改造。对3种偏置方案的分析结果表明：

（1）导流墙的偏置设置可以改善氧化沟不同区域的流态及流速：当导流墙往出流方向偏置时，能够很好地改善甚至消除导流墙背部区域的低速区，但同时会在出流方向的隔墙处以及直线段壁面处产生低速区；当导流墙往入流方向偏置时，能够有效地解决隔墙背部区域的速度死区，但在导流墙背部易产生污泥沉积。结合流速云图及推流体积占比可知，导流墙往入流方向偏置0.5 m时，其高速区占比更大，流态更好，产生污泥沉淀最少。

（2）通过偏置导流墙，可有效减少漩涡的数量，减少氧化沟能耗，但因导流墙的存在使水流方向急剧变化，在隔墙背后产生漩涡区，故不能完全消除隔墙背后的污泥沉积。可以通过计算模拟得出导流墙的最佳偏置距离，但因篇幅限制不作深入探究。就本研究结果可知，导流墙往入流方向偏置更加合理。

经数值模拟确定最优方案后，该污水厂改变原导流墙未偏心的设置，将导流墙往入流方向偏置0.5 m。实测结果表明：0.2 m/s流场范围内单位能耗小于1.8 W/m³，0.3 m/s流场范围内的单位能耗小于3.62 W/m³；0.2 m/s流速的轴向有效推动距离大于87 m，0.3 m/s流速的轴向有效推动距离大于43 m。改造后显著提升的2个方面：（1）在能耗方面，从原计划布置单沟4台，共28台推流器减少为单沟2台，备用4台，共18台推流器，总能耗明显降低；偏置后推流器推动单位体积水体的能耗小于2 W/m³，远小于国家有关标准规定的3 W/m³，单位能耗亦明显下降，节能效果显著，符合国家节能、降耗、增效的政策；（2）在推流能力方面明显增强，经过偏心设置后，混合推流效果变好，漩涡数明显减少，产生了较为理想的流态流场，有效防止污泥沉淀。改造后，该污水厂至今运行状态良好。