用Autolisp语言编制絮凝一沉淀池设计程序

陈 莉，范跃华
（华中科技大学环境学院，湖北 武汉430074）

　　摘要：提出一种水处理絮凝一沉淀池设计的标准化方法，并用Autolisp语言编程，实现了计算机自动设计、计算、绘图的功能。此方法也可以推广应用于其它水处理构筑物设计，实现设计智能化。
　　关键词：絮凝池；标准化设计；Autolisp语言
　　中图分类号：TP312；TU991.23 文献标识码：B文章编号：1009－2455（2001）06－0057－03

概述

　　近几年来，CAD技术已被各种门类的广大工程技术人员用作产品设计和工程设计，并作为分析和绘图的有效工具，实现产品和工程设计的自动化。CAD技术把计算机的快速、准确的特点和设计者的逻辑思维及综合能力结合起来，可以加速设计进程。缩短设计周期、提高设计质量。笔者将AutoCAD内嵌的Autolisp语言应用于水处理构筑物的设计。以栅条式水力絮凝一沉淀池平面图设计为例，说明如何充分利用Autolisp的计算功能，使计算结果即可用于绘图，实现快速、高效、智能化设计的绘图工作。

1 数学模型的建立

1.1 栅条式水力絮凝池的计算标准化
　　栅条式水力絮凝池的计算通常都是按照《给水排水设计手册》进行的，这种方法在实际计算时是可行的，但存在以下几个问题：①以流速v作为设计参数存在不合理性，水力搅拌絮凝池是通过水力作用（同时消耗水体能量）达到使絮体并大的目的，絮凝效果只与有效能耗直接相关；②进行流速参数重新选用时，原先的计算全部作废，故计算效率降低；③如用计算机计算，以往的设计软件没有自动调整参数的功能，需人为干预。
　　针对上述情况，笔者提出一种有利于计算机实现的标准化设计方法，称之为能耗分配法，程序步骤如下所述：
　　①根据设计流量，选择合适的絮凝池池型；
　　②输入唯一的设计参数，即絮凝时间t，t可根据《给水排水设计手册》或生产经验确定，对水力栅条絮凝池，t=8～15 min；
　　③根据h＝α·t，计算絮凝池总水头损失H。其中α为单位反应时间的能耗（水头损失）。此公式反映了絮凝池水头损失同絮凝时间之间的关系。该公式的理论基础是：由速度梯度G值的计算公式式（l），因为γ、μ均为常数，要保证G值在一定范围内，h／t必为一定范围内的值，根据生产实践数据，平均G值大致40～50 S^-1较合适，经过计算：

　　α＝h／t＝1.0～1.5cm／min；

　　速度梯度C的计算公式：

　　G＝［（γ/μ）×（h/t）］^0.5　　　　　　　　(1)

　　式中：G——速度梯度，S^-1；
　　　　　γ——水的重度，N／m³；
　　　　　h——絮凝池水头损失，m；
　　　　　μ——动力粘性系数，Pa·s；
　　　　　t——絮凝时间，S。

　　④能耗分配：笔者根据相关文献新型絮凝池的水头损失与絮凝时间之间的关系，绘出如图1曲线。

　　其中Xi=ti／t，ti表示絮凝历时；

　　yi=hi／h，hi表示由t＝0到t＝ti这段时间内的累计水头损失；

　　设曲线方程为 y＝x／（ax＋b），整理得：

　　1/y=a+b/x

　　作直线拟合，求得系数a≈0.8，b≈0.2故得到能耗分配公式：

　　y＝x／（0.8x＋0.2）　　　　　　　　 （2）

　　将絮凝池分为N段，每段的水头损失可用以上能耗分配经验公式计算：

　　故X为无因次累计絮凝历时，y为无因次累计水头损失。通常将絮凝池分为三段，则三段的水头损失分别为：

　　　　h₁＝y₁·h
　　　　h₂＝（y₂－y₁）·h　　　　　　　　（3）
　　　　h₃＝（y₃－y₂）·h

　　⑤选定每段栅条板层数ni，计算出一层栅条板的水头损失h_0i；及相应的开孔率εi；

　　　 h_0i＝h_i／n_i；　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4）

　　并由水头损失计算公式（式5）计算开孔率（式6）：　　　　　　　　　　　　　　　　　　2

　　式中　v——空室流速，m／s；
　　　　　V_1——水流通过栅条的流速，简称过栅流速，m／s；
　　　　　g——重力加速度，m／s²。

　　⑥校核G、GT值：由于在进行设计之前，G值和GT值已考虑在合理范围内，故这一步计算后整个计算过程结束。
　　上述水力絮凝池计算的能耗分配法从能量损失的观点出发，充分考虑了能耗适应絮体成长的需要，编成计算机程序也是十分方便的。以往在进行水处理构筑物设计的时候，由于各个设计者所选参数的不同，因此计算结果会有较大差异；而采用上述方法，用计算机进行设计的时候，如果不是有意识地人为干预参数的选择，其计算结果将是唯一的，这就是标准化设计的优越性。
1.2 絮凝池平面布置标准化
　　根据水力计算结果，即可进行平面布置，同样以栅条絮凝池设计为例，如下所述：
　　①根据流量大小，选用已事先标准化的池型，例如采用30格模式（昆山模式）、18 格模式（洪湖模式）等多种标准形式；
　　②根据V＝Q·t，计算出絮凝池体积V；
　　③根据A＝V／H（H为絮凝池高度基本为定值，由后续斜管沉淀池高度确定），计算絮凝池面积A，然后根据所选池型的不同，计算单格面积a=A／n（n为格数）；
　　④确定单格的平面尺寸；
　　⑤其它各种尺寸和参数均按预先标准化的设计池型进行计算和绘图。
　　综上所述，将絮凝池的平面布置设计标准化后，可以很方便地用Autolisp语言实现，所编程序也十分简洁。
1.3 沉砂池、沉淀池设计的标准化
　　沉砂池、沉淀池的设计计算采用《手册》中的方法，平面布置应考虑与絮凝池的衔接，这样即可得到标准化池型。

2 设计计算软件

　　基于以上思想笔者设计了一个集设计、绘图于一体的栅条絮凝一斜管沉淀池的程序，用Autolisp语言编写，该程序只需输入设计流量和絮凝时间，其余计算和绘图则均由计算机自动完成，程序运行后输出平面布置图和计算结果。参数输入亦可通过人机对话的形式进行。

2.1 主程序框图
　　该程序由几个子程序构成，主程序框图如图2。

2.2 程序的操作
　　该程序只需输入流量Q和絮凝时间t，就可以输出相应的参数和絮凝沉淀池平面图。

3 结语

　　①在水处理工程设计计算中，传统算法都是先进行参数的选取，参数选择的范围较大，选取得是否合理依赖于设计者的经验。本设计采用了一种标准化的方法，减少参数的选择，并使计算过程一步完成。此方法可推广到其它水处理构筑物的设计中，必将大大简化计算过程。
　　②所编程序既能用计算机设计计算，也能通过人机对话设计计算。
　　③由所编程序可直接生成平面布置图，可作为实际出图的样板模块加以使用，至于有关剖面图、大样图，可按以上思路作同样处理自动计算和出图。
　　④目前所作到的仅是自动显示计算结果和样板模块，如何将各样板模块集成化，实现全自动出图，还需作进一步的研究。

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作者简介：陈莉（1977－），女，华中科技大学环境学院在读研究生，从事水处理工程研究；范跃华，华中科技大学环境学院教授，研究方向：水处理工程。