CFD在生產(chǎn)污水環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究

王遺

(中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)重慶醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，重慶400042)

1 引言

混合對(duì)于攪拌污水箱的處理污水能力影響至關(guān)重要，尤其是微生物污水處理系統(tǒng)，良好的混合可以為微生物提供充足的氣含率，提高污水的處理能力。但經(jīng)常會(huì)遇到由于攪拌漿選型和布置不合理而導(dǎo)致污水處理箱內(nèi)死水區(qū)和污泥沉淀等問(wèn)題，同時(shí)在污水處理過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)引起氣泛的問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)攪拌器的布置、優(yōu)化攪拌器的組合等，可以有效控制流動(dòng)狀態(tài)，避免池中的死水區(qū)和改善污泥沉淀等現(xiàn)象，從而提高系統(tǒng)整體的污水處理能力、降低系統(tǒng)能量消耗。如果使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)的方法，將會(huì)需要大量的人力與時(shí)間，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的出現(xiàn)改變了這種方式，近年來(lái)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用與污水處理領(lǐng)域[1～3]。本文采用CFD方法模擬研究了全尺寸污水處理箱的流場(chǎng)分布特性，分析了攪拌漿在不同組合下的混合傳質(zhì)能力。

2 材料與方法

2.1 CFD研究概況

Computational Fluid Dynamics(簡(jiǎn)稱 CFD)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)稱，是用離散化的數(shù)值方法及電子計(jì)算機(jī)對(duì)流體無(wú)粘繞流和粘性流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的學(xué)科，計(jì)算力學(xué)的一個(gè)分支。無(wú)粘繞流包括低速流、跨聲速流、超聲速流等，粘性流動(dòng)包括湍流、邊界層流動(dòng)等。計(jì)算流體力學(xué)是為彌補(bǔ)理論分析方法的不足而于20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的，并相應(yīng)地形成了各種數(shù)值解法。主要包括有限體積法、有限差分法和有限元法。其中有限體積法應(yīng)用最為廣泛，特別是在商用軟件和研究用程序中最為常見(jiàn)。近幾年，隨著商業(yè)CFD軟件的發(fā)展，簡(jiǎn)單的操作平臺(tái)和友好的用戶界面使得CFD的應(yīng)用更加普及，其應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，比如水力、電力、環(huán)保、冶金以及生物化工等。

2.2 通用CFD軟件的構(gòu)成

CFD軟件基本由3部分組成：前處理、解算器和后處理。常用通用的 CFD軟件有：FLUENT、CFX、STAR－CD、PHOENICS等。本文中使用 CFX軟件，CFX還是全球第一個(gè)通過(guò)ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)通用CFD軟件，是英國(guó)AEA Technology公司為解決其在科技咨詢服務(wù)中遇到的工業(yè)實(shí)際問(wèn)題而開(kāi)發(fā)，誕生在工業(yè)應(yīng)用背景中的CFX一直將準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果、豐富的物理數(shù)學(xué)模型、強(qiáng)大的用戶擴(kuò)展性應(yīng)用作為其發(fā)展的基本要求，并以其在這些方面的優(yōu)越成就，引領(lǐng)著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展。

2.3 研究方法

本文的計(jì)算采用的是有限體積法，對(duì)方程組的求解一般采用TDMA算法，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分采用的軟件為ANSYS ICEM CFD，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格。

3 結(jié)果與分析

3.1 污水厭氧處理箱罐頂進(jìn)式攪拌器參數(shù)

防水厭氧處理箱罐頂進(jìn)式攪拌器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 污水厭氧處理箱罐頂進(jìn)式攪拌器參數(shù)

4.2 軸截面/mm Φ200/273×24 4.3 葉輪材質(zhì) 碳鋼襯丁基膠4.4 葉輪型式 三層斜葉/二層斜葉一層直葉4.5 葉輪直徑/mm 5000 4.6 轉(zhuǎn)速/(r/min) 26 4.7 葉端線速度/(m/s) 6.81 4.8 懸臂長(zhǎng)度/mm 700/19500

3.2 污水厭氧處理箱模擬結(jié)果

3.2.1 不同形式攪拌槳組合速度場(chǎng)分析

圖1是污水處理箱3種不同的速度場(chǎng)分布圖，從上至下組合依次為三層斜葉、二層斜葉一直葉及三層斜葉箱壁帶擋板。

圖1 污水處理箱的速度場(chǎng)分布參數(shù)圖

速度矢量場(chǎng)分析：氣含率、剪切應(yīng)力、湍動(dòng)能的分布都跟流體的速度和流向有著密切的關(guān)系，從圖1可以看出，整個(gè)三層斜葉組合的速度矢量的分布是兩個(gè)規(guī)則的大循環(huán)，液體沿著箱壁往下流動(dòng)，沿著攪拌軸網(wǎng)上流動(dòng)，整個(gè)流場(chǎng)速度矢量分布很規(guī)則，上下的液體能得到很好的混合，但是從速度矢量的大小分布來(lái)看，箱體壁和軸之間的速度矢量很大，軸和箱體壁之間的距離則太小，這對(duì)于液體較大量的箱體中間部分的混合是不利的。因此也可以得出全部使用軸向組合的攪拌槳不配其他條件對(duì)混合是不利的。

從圖1中間的二層斜葉一直葉攪拌槳的組合可以看出，整個(gè)速度矢量場(chǎng)的分布是極不均勻的，分層現(xiàn)象比較嚴(yán)重，液體從上部沿著箱壁下來(lái)以后就不往上運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明了這樣是不利于液體的上下混合的，這將導(dǎo)致上部和下部氣含率的分布不均勻。另外從速度矢量的大小也可以看出，相對(duì)于三斜葉的組合，底部液體的徑向混合更好，中部液體的混合也更加均勻，但是徑向混合就比較差。

圖1下方的污水處理箱速度矢量場(chǎng)可以看出，相對(duì)于前兩種組合，箱壁加了擋板以后，速度矢量場(chǎng)的大小分布整體比較均一，這說(shuō)明了增加了擋板以后，整個(gè)污水處理箱的徑向流加強(qiáng)，較大的徑向速度使得液體的徑向混合更加強(qiáng)烈。整體上看，污水處理箱也是形成了兩個(gè)大的上下循環(huán)，因?yàn)閾醢宓淖饔脙蓚€(gè)循環(huán)影響到的中間液體的流動(dòng)，因此整個(gè)流場(chǎng)分布更加均一。

3.2.2 不同形式攪拌槳組合剪切應(yīng)率場(chǎng)分析

圖2為污水處理箱3種不同的剪切應(yīng)率場(chǎng)分布圖，從上至下組合依次為三層斜葉、二層斜葉一直葉及三層斜葉箱壁帶擋板。

從圖2最上邊的剪切應(yīng)率分布圖可以看出，整個(gè)三層斜葉組合的剪切應(yīng)率的分布是3個(gè)攪拌槳附近極大，達(dá)到46 s－1以上，但是污水處理箱的軸兩側(cè)以及底部的剪切應(yīng)率非常小，箱體壁附近是1 s－1左右，箱體底部許多地方甚至達(dá)不到0.1 s－1，因?yàn)橐后w的剪切應(yīng)率的大小跟液體的流動(dòng)是正相關(guān)的，說(shuō)明了這幾個(gè)地方的液體流動(dòng)混合較弱，這和上面分析的速度場(chǎng)分布是一致的。這種剪切應(yīng)率分布對(duì)混合是不利的。

從圖2中間的二層斜葉一直葉攪拌槳的組合可以看出，整個(gè)剪切應(yīng)率場(chǎng)的分布是相對(duì)于三斜葉分布均勻一些，但是從整個(gè)箱體來(lái)看漿區(qū)附近還是過(guò)大，相反漿區(qū)和箱體中間有明顯的剪切應(yīng)率比較弱的地方。這跟前面的徑向流增加，但是軸向流減弱是相關(guān)的。

圖2下方的污水處理箱剪切應(yīng)率分布場(chǎng)可以看出，相對(duì)于前兩種組合，三層斜葉并且箱壁加了擋板以后，剪切應(yīng)率的分布整體比較均一，整個(gè)箱體的流動(dòng)混合相比前面兩種形式的攪拌槳組合更高效率。

3.2.3 不同形式攪拌槳組合湍動(dòng)能場(chǎng)分析

從前面的速度矢量場(chǎng)和剪切應(yīng)率場(chǎng)可以看出，相對(duì)于單純的三斜葉攪拌槳組合或者兩個(gè)斜葉攪拌槳組合配上底部一個(gè)直葉漿組合，三斜葉槳以及箱體加上擋板組合混合效果更佳，從圖3中的湍動(dòng)能分布場(chǎng)看更加明顯，湍動(dòng)能反映了湍流渦漩的尺度，其大小對(duì)混合的程度有重要的影響，三斜葉槳以及箱體加上擋板組合的湍動(dòng)能分布最均勻，這和上面的分析是對(duì)應(yīng)的。以上分析可以看出三斜葉槳以及箱體加上擋板組合形式對(duì)于攪拌式污水處理箱效果是最好的。

圖2 污水處理箱的剪切應(yīng)率場(chǎng)分布參數(shù)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本論文旨在通過(guò)對(duì)污水處理箱的CFD模擬的方法研究對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步分析總結(jié)出攪拌槳形式對(duì)污水處理箱內(nèi)部流場(chǎng)的影響，為污水處理箱設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化和放大提供新的方法。

因此本文得出以下結(jié)論：CFD能很好地模擬出污水處理箱的流場(chǎng)，能在環(huán)保其他領(lǐng)域上有較大應(yīng)用;CFD技術(shù)不僅可以預(yù)測(cè)不同攪拌漿組合所產(chǎn)生的流場(chǎng)，還可以預(yù)測(cè)污水池中每個(gè)攪拌器的合理安裝位置，污水處理箱的設(shè)計(jì)會(huì)更加快速、經(jīng)濟(jì);相對(duì)于單純的三斜葉攪拌槳以及兩個(gè)斜葉一個(gè)直葉的攪拌槳組合，三斜葉槳以及箱體加上擋板組合形式對(duì)于攪拌式污水處理箱效果是最好的。

圖3 水處理箱的湍動(dòng)能場(chǎng)分布參數(shù)圖

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