唐瑜謙

(河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 210098)

氧化溝流場特性數(shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望

唐瑜謙

(河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 210098)

氧化溝流場特性的研究對氧化溝工藝廢水處理理論、氧化溝工藝的設(shè)計(jì)與改良有著十分重要的意義。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是對氧化溝進(jìn)行數(shù)值模擬的重要手段。綜述了CFD概況及氧化溝中流體特性數(shù)值模擬的研究進(jìn)展,總結(jié)了目前CFD模擬氧化溝流體特性中存在的問題,并提出了進(jìn)一步的研究方向。

氧化溝;流場特性;計(jì)算流體力學(xué);數(shù)值模擬

氧化溝(oxidation ditch)是一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠,是活性污泥法的一種變型[1-2]。利用氧化溝污水處理技術(shù),可有效去除污水中的有機(jī)物及N、P等物質(zhì),使污水得到凈化。在流態(tài)上[3],氧化溝介于完全混合和推流之間,這種獨(dú)特的反應(yīng)器水流特征有利于克服短流現(xiàn)象并提高氧化溝的緩沖能力。該工藝處理不同性質(zhì)污水適應(yīng)面廣、出水水質(zhì)好、運(yùn)行穩(wěn)定,在國內(nèi)外得到了迅速的推廣和應(yīng)用。但現(xiàn)階段氧化溝污水處理技術(shù)并不十分成熟,存在著一定的弱點(diǎn)[4],實(shí)際溝道中[5-6]的流場非常復(fù)雜,流速不均,難以達(dá)到0.3 m/s以上的設(shè)計(jì)要求[7]。近年來的生產(chǎn)實(shí)踐表明,因氧化溝內(nèi)局部流速過低引起的污泥沉積現(xiàn)象及表曝機(jī)的能耗較高但氧利用率低的現(xiàn)象都時(shí)有發(fā)生[8-9]。氧化溝內(nèi)的混合液混合效果及各項(xiàng)水質(zhì)濃度的分布均與氧化溝的流場特性有關(guān)[10-11],研究氧化溝內(nèi)各種運(yùn)行條件下的流體力學(xué)特性,對氧化溝工藝中出現(xiàn)問題的解決,及氧化溝工藝的設(shè)計(jì)與改良都有著十分重要的意義。

流場問題的研究方法分為物理模型試驗(yàn)方法及數(shù)值計(jì)算方法兩類。物理模型試驗(yàn)方法運(yùn)用實(shí)際模型或簡單的物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,所得信息準(zhǔn)確可靠。國內(nèi)外已有不少學(xué)者對氧化溝內(nèi)的流場特性進(jìn)行了宏觀實(shí)驗(yàn)研究,并分析總結(jié)了一系列氧化溝流場特性[6,12-17]。但多數(shù)情況下,原型試驗(yàn)方法價(jià)格昂貴,又常受測量精度及模型尺寸等因素的限制,很難進(jìn)行微觀的、瞬時(shí)的流場分析。而計(jì)算流體力學(xué)(CFD)與實(shí)驗(yàn)相比,具有信息完整、速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),因此它有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和研究意義,尤其是針對還無法進(jìn)行試驗(yàn)的反應(yīng)器研發(fā)有著不可替代的作用[18]。

1 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件簡介

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD),是20世紀(jì)60年代形成的一門新興學(xué)科。CFD在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)的控制下,對流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和圖像顯示,對包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)做出分析。

1.1 基本思想

CFD通過各種離散化方法,把原本空間域和時(shí)間域上連續(xù)的物理場(如速度場),用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來替代,通過一定的方式建立起這些離散點(diǎn)上場變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程組,通過求解這些代數(shù)方程組而獲得時(shí)間和空間上的許多數(shù)字組合體,最終得到描述場變量的數(shù)值近似值[19]。簡單說來,CFD通過計(jì)算機(jī),“虛擬”地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)過程,模擬了實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)情況,可以在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行流場分析、流場計(jì)算、流場預(yù)測。它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?省事省力省錢,靈活性高[19]。隨著電子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,半個(gè)世紀(jì)以來,CFD有了較大發(fā)展,已廣泛應(yīng)用于航空 、水利 、航運(yùn) 、海洋 、環(huán)境、化工、建筑、流體機(jī)械等各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[20]。

1.2 計(jì)算步驟[19]

①依據(jù)工程實(shí)際或物理問題建立能反映所需解決問題的數(shù)學(xué)模型。即建立反映各個(gè)問題牽涉量之間關(guān)系的微分方程及對應(yīng)的定解條件;

②確定高準(zhǔn)確度、高效率的計(jì)算方法。即針對控制方程建立適宜的數(shù)值離散方法;

③編制程序,進(jìn)行計(jì)算。包括:劃分計(jì)算網(wǎng)格、輸入邊界和初始條件、設(shè)定控制參數(shù)等;

④通過圖表等方式顯示計(jì)算結(jié)果。

1.3 CFD軟件功能及類型簡介

CFD軟件通常有三種功能:前處理(Preprocessing),計(jì)算和結(jié)果數(shù)據(jù)生成(compute an result)以及后處理(Postprocessing)。前處理時(shí),需要向CFD輸入及生成計(jì)算模型相關(guān)的數(shù)據(jù),通常包括:建模,定義計(jì)算域,劃分網(wǎng)格,選擇控制方程,定義流體參數(shù),指定邊界和初始條件。完成前處理后,CFD的核心解釋器(solver)將根據(jù)建立的模型及選定的數(shù)值求解方案,完成用戶要求的計(jì)算任務(wù),并生成結(jié)果數(shù)據(jù)。為了有效地觀察和分析流動(dòng)計(jì)算結(jié)果,CFD配置的后處理器可將生成的結(jié)果數(shù)據(jù)用各種直觀可視的圖形或動(dòng)畫顯現(xiàn)與詮釋。

CFD軟件功能強(qiáng)大,運(yùn)用廣泛,根據(jù)不同行業(yè)及特點(diǎn),出現(xiàn)了各種通用CFD商業(yè)軟件[21]:常見的CFD前處理的軟件Gambit、Grid Gen等;用于后處理的軟件IBM Open Visulization Explore、AVS等;我國較為常用的用于計(jì)算分析的軟件CFD模擬軟件有Phoenics,CFX和Fluent。其中,Fluent于1998年進(jìn)入我國市場,市場占有率達(dá)40%左右,是應(yīng)用面最廣、影響最大的CFD軟件[22],也是對氧化溝進(jìn)行流場模擬最常用CFD軟件?；凇癈FD計(jì)算機(jī)軟件群的概念”[23-24],Fluent將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來,成為CFD計(jì)算機(jī)軟件群,軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換,并采用統(tǒng)一的前、后處理工具。此外,Fluent還具有包含多種優(yōu)化的物理模型,較強(qiáng)的網(wǎng)格靈活性等優(yōu)點(diǎn)[25-26]。

1.4 CFD軟件在水處理構(gòu)筑物及設(shè)備中的應(yīng)用

CFD軟件可通過數(shù)值模擬仿真的手段,分析水處理構(gòu)筑物的內(nèi)部流態(tài),對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到了很好的指導(dǎo)作用。近年來,CFD已廣泛運(yùn)用于各種水處理構(gòu)筑物及水處理設(shè)備的數(shù)值模擬計(jì)算中:趙星明[5]借助ANSYS FLOTRAN模塊對氧化溝中設(shè)置偏置導(dǎo)流墻前、后的水流流速分布情況進(jìn)行了模擬比較,探討了彎道橫向環(huán)流和流速分布問題。曾俊武[27]建立了固液兩相流三維模型,將計(jì)算轉(zhuǎn)化后的實(shí)測數(shù)據(jù)作為初始條件代入CFD模型,對不同狀態(tài)下Unitank邊池的流場進(jìn)行計(jì)算,得到了其固液兩相流水力特性。通過利用CFD對反應(yīng)物的流場進(jìn)行分析模擬,結(jié)合水力模型試驗(yàn)結(jié)果,可以總結(jié)和探討反應(yīng)器內(nèi)的流速分布情況以及其變化規(guī)律[28-29]。在ASM2模型的基礎(chǔ)上,CFD還可用于生物去磷的模擬[30]。Le Moullec[31]利用三維歐拉方程模擬了反應(yīng)器氣液兩相流。此外,CFD還可有效、精確地預(yù)測沉淀池內(nèi)的流態(tài)[32],或應(yīng)用于其他多種污水處理裝置的運(yùn)行模擬及設(shè)計(jì)研究工作中[33]。

2 氧化溝中流場特性數(shù)值模擬研究概況

氧化溝的流場特性取決于多種因素,如:氧化溝類型形狀,曝氣機(jī)、推流器的位置與開啟工況,導(dǎo)流墻、導(dǎo)流板設(shè)置方式等等。為了深入了解氧化溝流場特性,國內(nèi)外已有大量專家和學(xué)者對這一課題開展了長期的研究工作,并已取得了一些重要的成果。

2.1 氧化溝流場基本特性數(shù)值模擬

最初,學(xué)者們[34-35]對氧化溝內(nèi)流速流場的基本規(guī)律進(jìn)行了探究,并結(jié)合理論及試驗(yàn),對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了其可行性和準(zhǔn)確性。之后,又有學(xué)者采用不同的模型及研究方法對氧化溝流場特性進(jìn)行了模擬研究:蔣成義等[36]對全尺度氧化溝的數(shù)值模擬,驗(yàn)證了網(wǎng)格的獨(dú)立性(即只要倒傘區(qū)域網(wǎng)格足夠精細(xì),網(wǎng)格尺寸對計(jì)算結(jié)果的影響可忽略不計(jì)),比較了使用不同湍流模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重整化群k-ε模型、可實(shí)現(xiàn)性的k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型)對氧化溝流速場模擬的情況,證明了將動(dòng)量源項(xiàng)加入三維流體力學(xué)模型以模擬由倒傘型曝氣機(jī)驅(qū)動(dòng)曝氣的氧化溝的可行性。張宗才[37]采用k-ε紊流數(shù)學(xué)模型對Carrousel氧化溝的流場及水力學(xué)進(jìn)行了分析計(jì)算,精確分析了氧化溝內(nèi)水流的紊動(dòng),發(fā)現(xiàn)彎道阻力和垂直檔板阻力是造成水頭損失最主要的因素。郭麗莎[38]認(rèn)為在氧化溝流場的模擬中,污泥相的分布對于流速的影響不大,可將污泥和污水作為單一均勻相處理,而液-氣兩相模型(界面采用自由面)能夠更好地模擬氧化溝上層和表層流速,使得上層和表層流速的模擬值誤差更小。Stamou(1997)[39]、魏輝(2002)[40]利用一維河流水質(zhì)模型預(yù)測了穩(wěn)態(tài)條件下氧化溝流速的變化情況。許丹宇[41]采用CFD數(shù)值計(jì)算和體視PIV測試相結(jié)合的方法研究了Carrousel氧化溝的流場特性,發(fā)現(xiàn):縱、垂兩向的流動(dòng)分布是決定溝內(nèi)水力特性的主要因素;橫、垂兩向的流動(dòng)是決定污泥沉積位置的主要因素;外溝靠近曝氣葉輪直道段的流速分布上大下小,在低速區(qū)底部易發(fā)生污泥沉積;外溝遠(yuǎn)離曝氣葉輪直道段流速分布上小下大,利于防止泥水分離;彎道段受橫比降和橫向環(huán)流的影響,內(nèi)側(cè)容易形成低速區(qū)或停滯區(qū)而發(fā)生污泥沉積。Yin Yang[42]利用CFD軟件,模擬對比了兩種工況條件下氧化溝的運(yùn)行情況,為優(yōu)化能量消耗及出流質(zhì)量提供了依據(jù)。Thakre[43]通過改變表面曝氣機(jī)的速度、浸沒深度及葉片扭轉(zhuǎn)角度等關(guān)鍵參數(shù),研究了不同工況下氧化溝內(nèi)的氧氣傳質(zhì)系數(shù)。李媛[44]通過利用CFD對圓形Orbal氧化溝的數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn):即使氧化溝設(shè)計(jì)流速為0.3 m/s,亦存在污泥沉降的可能性。認(rèn)為環(huán)形氧化溝內(nèi)側(cè)是污泥沉積危險(xiǎn)區(qū),可通過抬高池底、降低轉(zhuǎn)碟位置以及在水下安裝推動(dòng)器等措施來改善。

2.2 曝氣機(jī)、水下推流器作用下氧化溝數(shù)值模擬

曝氣機(jī)是氧化溝中最為重要的設(shè)備,兼?zhèn)渫屏骷俺溲醯淖饔?。曝氣機(jī)的形狀樣式(轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)刷型或倒傘型)、安裝位置、功率大小等皆對氧化溝流場特性有重要影響。通過水下推進(jìn)器的設(shè)置,對氧化溝的流場將有不同方面的改善:一方面可以增加氧化溝的推流動(dòng)力,于需要推流但不需曝氣區(qū)域(如厭氧區(qū))提供動(dòng)力或改善只由曝氣機(jī)驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的局部動(dòng)力不足現(xiàn)象;另一方面可以使曝氣機(jī)從同時(shí)曝氣推流等多種作用中獨(dú)立出來,以充氧功能為主,推流作用由水下推流器承擔(dān),使得氧化溝的運(yùn)行方式更加靈活多變[45]。目前,已有較多學(xué)者對曝氣機(jī)及推流器作用時(shí),不同工況條件下的氧化溝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究:陳光、趙賀芳[46]采用多參考系模型,用CFD模擬并對比了不同曝氣功率、不同曝氣機(jī)葉片形狀的曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)氧化溝內(nèi)的流場,認(rèn)為機(jī)翼型葉片、前傾型葉片、矩形葉片和后傾型葉片4種葉片形狀中,機(jī)翼型葉片對水流的混合推動(dòng)力最大,效率最高。趙賀芳[47]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和多重參考坐標(biāo)系模型(MRF),用SIMPLEC算法,對影響氧化溝流動(dòng)特性的幾個(gè)關(guān)鍵因素——表面曝氣機(jī)葉片形狀、葉片數(shù)目、曝氣機(jī)浸深及曝氣機(jī)附近彎道導(dǎo)流墻的半徑進(jìn)行單因素分析,發(fā)現(xiàn)曝氣機(jī)葉片形狀和葉片數(shù)目對氧化溝斷面及溝底平均流速的影響最為顯著。范蘢等[48]分別單相模擬并分析了LANDY-F和LANDY-7兩種高效表曝機(jī)驅(qū)動(dòng)曝氣的氧化溝內(nèi)混合液流動(dòng)狀態(tài)和速度分布,確定污泥沉降的發(fā)生位置,且準(zhǔn)確判定水下推進(jìn)器的安裝位置,為優(yōu)化氧化溝水力特性提供了依據(jù)。施慧明等[49]應(yīng)用Fluent軟件對3種深水型曝氣機(jī)葉輪的構(gòu)型進(jìn)行了模擬計(jì)算,從攪拌深度、推流效果和所需功率等方面對3種葉輪構(gòu)型進(jìn)行比較,得出最佳優(yōu)化方案,為原型污水廠的改造提供了指導(dǎo)。張羽等[50]建立了污水-污泥多相流模型,利用Fluent對倒傘曝氣機(jī)及推流器驅(qū)動(dòng)的氧化溝進(jìn)行了流場模擬,并對表面曝氣機(jī)與潛水推流器的統(tǒng)一進(jìn)行了有效整合。吳瑩瑩[51]利用滑移壁面模型和風(fēng)扇模型,采用Fluent軟件分別實(shí)現(xiàn)了對曝氣轉(zhuǎn)碟和水下推進(jìn)器單獨(dú)作用下氧化溝內(nèi)混合液流場分布的模擬。通過對不同工況下的模擬數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn):曝氣轉(zhuǎn)碟除起導(dǎo)入溶解氧的作用外,對混合液的推流作用亦不可忽略;水下推進(jìn)器對局部混合液的推流作用非常明顯,推流作用優(yōu)于曝氣轉(zhuǎn)碟;曝氣轉(zhuǎn)碟后導(dǎo)流板的存在,不僅有利于曝氣轉(zhuǎn)碟推流功率的合理利用,也在一定程度上提高了水下推進(jìn)器的推流效果。

2.3 導(dǎo)流墻、導(dǎo)流板作用下氧化溝數(shù)值模擬

氧化溝中混合液經(jīng)曝氣機(jī)曝氣推流后,常常表面流速高,底部流速低。底部流速過低會(huì)使得污泥發(fā)生沉積,若氧氣不足還會(huì)發(fā)生污泥變質(zhì),使得水質(zhì)下降,影響處理效果。為避免發(fā)生該情況,可在需要處加設(shè)導(dǎo)流板,均化垂向流速。導(dǎo)流板加設(shè)前后的流速流場及不同形狀位置導(dǎo)流板對流速的影響皆可由CFD模擬得到。

氧化溝彎道的存在,使得水流在該處同時(shí)受重力和離心慣性力的作用,底層流速低表層流速高的混合液由直段進(jìn)入180°彎道后,由于流動(dòng)方向急劇變化,在氧化溝彎道的橫斷面上形成了環(huán)形流動(dòng)[5]。這使得氧化溝彎道處水流特性復(fù)雜,內(nèi)外側(cè)流速分布不均,常常存在流速死角,形成一定的滯留區(qū),很難保證生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[15]。為了改善彎道水力流態(tài),常在氧化溝的彎道處設(shè)置導(dǎo)流墻,從而均布氧化溝彎道頂處的流速,減少能耗,有效地防止彎道頂?shù)撞课勰喑练e。通過數(shù)值模擬,可研究加入導(dǎo)流墻前后氧化溝彎道流場特性的改變情況,并可調(diào)整導(dǎo)流墻的位置及形式,以得到流場最佳優(yōu)化方案:陳光、趙賀芳、周靖[52]對單側(cè)有、無導(dǎo)流墻時(shí)氧化溝內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過對二者的比較發(fā)現(xiàn),氧化溝內(nèi)上層水體的流速最大,中層水體的流速略小于下層水體的流速。陳志瀾、楊人衛(wèi)[53-54]采用Fluent模擬了不同偏置距導(dǎo)流墻的氧化溝內(nèi)流速流場分布情況后認(rèn)為,導(dǎo)流墻的偏置距設(shè)置對改善隔墻背后的水流低速區(qū)和消除污泥沉積有促進(jìn)作用,但當(dāng)導(dǎo)流墻的偏置距增加到一定值時(shí),在隔墻背后徑向半寬處會(huì)形成第二個(gè)水流低速區(qū)。王紅菊等[55]對氧化溝彎道流場及不同設(shè)置方式導(dǎo)流墻的流速場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了導(dǎo)流墻在氧化溝水處理過程中的作用,并對彎道內(nèi)導(dǎo)流墻的設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。

2.4 氧化溝生物性能方面數(shù)值模擬

作為污水處理構(gòu)筑物,氧化溝的生物性能直接影響著污水處理質(zhì)量,是十分重要研究對象。已有學(xué)者對包括污泥沉降、溶解氧等生物性能指標(biāo)進(jìn)行了模擬研究。

許丹宇[56],郭麗莎[38]將建立的湍流條件下污泥沉降速率模型與氧化溝固液兩相湍流混合物模型進(jìn)行了耦合計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了垂向上污泥和污水運(yùn)動(dòng)的分離,較好地揭示了氧化溝內(nèi)混合液流場和污泥的分布情況。結(jié)果表明,兩相流混合物模型污泥濃度與流速呈負(fù)相關(guān)。陳園[57]、許丹宇[58]通過傳輸方程,將修正后的Carrousel氧化溝液固兩相湍流混合物模型與活性污泥2號模型(ASM2)相耦合,建立液固兩相湍流生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型;編輯開發(fā)了相關(guān)的模擬求解程序,實(shí)現(xiàn)了對反應(yīng)器內(nèi)部液固兩相三維流場及水質(zhì)濃度場的模擬。徐良、黃錦敘、劉廣立[59]以原型Orbal氧化溝為研究對象,對氧化溝內(nèi)單純的水力流場分布及溶解氧加入后的流場進(jìn)行了實(shí)測與模擬,通過二者的比較后認(rèn)為:氧化溝內(nèi)的水力特征及溶解氧的分布情況是圓形氧化溝處理效果的兩個(gè)重要因素。吳瑩瑩[51]利用組分模型,對氧化溝內(nèi)一個(gè)典型直溝段實(shí)現(xiàn)了對溶解氧輸運(yùn)的模擬,給出了溶解氧在氧化溝中傳播過程的簡單示意。郭麗莎[38]認(rèn)為溶解氧分布的模擬可利用輸運(yùn)方程耦合水力學(xué)模型,基于液-氣兩相模型得到流場分布和氣相體積分?jǐn)?shù)分布后,計(jì)算出氧傳質(zhì)系數(shù),再通過輸運(yùn)方程求得。

3 目前CFD模擬氧化溝流場存在的問題及今后的研究方向

目前,用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究氧化溝內(nèi)的流場特性已經(jīng)取得了較大進(jìn)展:最初,學(xué)者們對氧化溝流場進(jìn)行簡單模擬漸發(fā)展為復(fù)雜準(zhǔn)確的三維模擬,探究了氧化溝內(nèi)流場基本規(guī)律,驗(yàn)證了數(shù)值模擬各種方法可行性及準(zhǔn)確性;進(jìn)而,又比較了不同湍流模型時(shí)對氧化溝模擬的影響,研究了構(gòu)筑物參數(shù)(如:曝氣機(jī)形狀、安裝位置、功率大小、使用數(shù)量;導(dǎo)流墻位置、長短寬窄、安裝數(shù)量等)不同時(shí)氧化溝內(nèi)流速場的變化,模擬并比較了曝氣機(jī)、推流器、導(dǎo)流墻等作用時(shí)的氧化溝流場,為流場的最優(yōu)化提供了重要依據(jù);現(xiàn)如今,更有學(xué)者利用水質(zhì)模型、污泥沉降模型、ASM模型等,將氧化溝的生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合到以往單純的水動(dòng)力學(xué)中來,力求實(shí)現(xiàn)對氧化溝的全面模擬。然而,作為新興技術(shù)的CFD還存在其并未完善之處。利用CFD對氧化溝模擬,還有需要發(fā)展和改善的部分。主要存在的問題及改善方向主要有以下幾個(gè)方面:

3.1 建立更加符合原型的數(shù)值模型

目前所做的研究中,多忽略了進(jìn)出口水流及排泥,或?qū)⑵貧鈾C(jī)、推流器進(jìn)行了簡化。雖然通過參數(shù)校核降低了流速的模擬誤差,所得模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果趨勢一致,但仍然不能完全反應(yīng)它們附近水流的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)及其他們對流場、污泥分布、氣相分布的影響(例如將推流器簡化為盤片所得的模擬結(jié)果無法得到近推進(jìn)器盤面處的準(zhǔn)確模擬流速)。而如今,把水下推動(dòng)器及曝氣機(jī)同時(shí)考慮在內(nèi)的數(shù)值模擬還比較困難。找到一個(gè)既能方便模擬出氧化溝整體流速,又能得到該處準(zhǔn)確模擬流速的方法,將會(huì)是今后的一個(gè)研究趨勢。

3.2 前處理計(jì)算條件的改進(jìn)與完善

網(wǎng)格的劃分和算法對計(jì)算來說十分重要,過少達(dá)不到要求精度,過多則浪費(fèi)時(shí)間與資源且也會(huì)引起誤差。如何在不影響數(shù)值模擬精度情況下,對氧化溝數(shù)值模擬的網(wǎng)格進(jìn)行最優(yōu)化,以減少繪制網(wǎng)格的耗時(shí)和避免計(jì)算資源的浪費(fèi),是一項(xiàng)必要的研究。在氧化溝流場模擬中,最重要的是確定所需解的基本方程,即選擇最佳的湍流方程。目前用于氧化溝數(shù)值模擬的湍流模型較多,都各有利弊。比對適用于氧化溝數(shù)值模擬的湍流模型,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)更適用的湍流模型,也是一個(gè)值得發(fā)展的方向。在今后氧化溝數(shù)值模擬計(jì)算中,可對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行率定,選擇合適自身模擬的數(shù)據(jù),而非如往常一般采用默認(rèn)參數(shù),這將使得模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

3.3 曝氣機(jī)與氧化溝得當(dāng)配合的研究

曝氣機(jī)對氧化溝產(chǎn)生著最為重要的影響,但現(xiàn)研究多為模擬已存在的曝氣機(jī)影響下產(chǎn)生的流速流場,或比較不同曝氣功率、不同曝氣機(jī)葉片形狀的曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)氧化溝內(nèi)的流場。曝氣機(jī)型號和氧化溝形狀的配合、各種型號曝氣機(jī)的功率改變時(shí)對曝氣效果的影響等問題,還有待深入研究。

3.4 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與水動(dòng)力學(xué)結(jié)合

生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可與水動(dòng)力學(xué)結(jié)合(特別是氣、液、固三相混合物模型的結(jié)合),從而進(jìn)行更為全面的氧化溝數(shù)值模擬。氧化溝反應(yīng)器水力學(xué)與生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型耦合模擬的相關(guān)研究在國內(nèi)外是一個(gè)新的領(lǐng)域,國內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行了一些初步的探索研究。現(xiàn)模擬結(jié)果雖符合流速、污泥濃度分布和變化的總體特征,但還不能十分全面有效地模擬出某些水力特性及生物反應(yīng)參數(shù),且耦合模型編程復(fù)雜,計(jì)算時(shí)間偏長。例如對溶解氧的模擬結(jié)果都不夠準(zhǔn)確,只給出了變化趨勢,尚且不能用于指導(dǎo)實(shí)踐[51]。

4 結(jié) 語

目前,用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究氧化溝內(nèi)的流場已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。盡管CFD技術(shù)本身還存在著一定的局限與不足,但其與物理實(shí)驗(yàn)方法相比,有著巨大的優(yōu)勢,將其與實(shí)驗(yàn)觀測及理論分析相補(bǔ)充結(jié)合,必能為氧化溝工藝的設(shè)計(jì)與改進(jìn)起到重要的推動(dòng)作用。隨著CFD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,氧化溝流場特性模擬的進(jìn)一步完善,勢必能實(shí)現(xiàn)對氧化溝全面且準(zhǔn)確的模擬,使氧化溝的研究與應(yīng)用進(jìn)入全新的階段。

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Present Situation and Prospect of Numerical Simulation for Flow Field Characteristics in Oxidation Ditch

TANG Yu-qian
(College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

The research on the flow field characteristics in oxidation ditch is important to the oxidation ditches'treatment theory,and oxidation ditches'design and improvement.Computational fluid dynamics(CFD)is an important tool to simulate the oxidation ditch.The process for simulation by using the CFD and the research progress about the numerical simulation for the flow field in the oxidation ditch are reviewed here in detail,and some problems in the CFD simulation are summarized.In addition,the future research directions are proposed.

oxidation ditch;flow field characteristic;computational fluid dynamics(CFD);numerical simulation

X703

A

1672—1144(2012)05—0107—06

2012-02-20

2012-03-24

唐瑜謙(1988—),女(漢族),云南昆明人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)數(shù)值模擬。